回折は光学の基本概念であり、さまざまな画像システムによって生成される画像の品質に大きな影響を与えます。回折とは、障害物の周りで波が曲がることであり、光の場合、カメラや顕微鏡のレンズなどの開口部を通過するときに光が広がる原因となります。この現象は、最終的に画像の解像度と鮮明度を制限する可能性があります。回折を理解することは、最適な画像の鮮明さを求める写真家、科学者、および光学機器を扱うすべての人にとって重要です。
回折とは何ですか?
回折は、波が波長と同程度のサイズの障害物または開口部に遭遇したときに発生します。波は直線的に進むのではなく、障害物の端で曲がったり、開口部を通過した後で広がったりします。この曲がりと広がりが回折です。
波として振る舞う光の場合、回折は光が小さな開口部を通過するときに最も顕著になります。開口部が小さいほど、回折効果は顕著になります。これは、イメージング システムにおいて重要な考慮事項です。
エアリーディスクと回折限界
点光源からの光が円形の開口部を通過すると、回折によってエアリー ディスクと呼ばれる特徴的なパターンが形成されます。エアリー ディスクは、中央の明るい点と、その周囲を取り囲む強度が徐々に減少する一連の同心円で構成されています。
エアリー ディスクのサイズは、光の波長と開口部のサイズに直接関係しています。開口部が小さいほど、エアリー ディスクは大きくなります。エアリー ディスクのサイズによってイメージング システムの回折限界が決まるため、これは重要です。
回折限界とは、2 つの物体間の最小の分解可能な距離です。2 つの物体がそれぞれのエアリー ディスクのサイズよりも近い場合、それらの画像は重なり合って区別できなくなります。これにより、あらゆる光学システムの解像度が根本的に制限されます。
回折が画質に与える影響
回折はさまざまな形で現れ、画質のさまざまな側面に影響を与えます。最も顕著な影響は解像度と鮮明度にあります。
解決
解像度とは、画像システムが細かい部分を区別する能力を指します。回折により画像がぼやけて解像度が制限され、近接した物体を区別することが難しくなります。エアリー ディスクが大きいほど、解像度は低くなります。
絞りが小さい（F 値が高い）カメラでは回折が多く発生し、ディテールの少ないぼやけた画像になります。逆に、絞りが大きい（F 値が低い）カメラでは回折が少なくなり、解像度が向上しますが、他のレンズの収差が顕著になる程度までしか向上しません。
シャープネス
シャープネスは解像度に関係しますが、エッジやディテールの鮮明さも含まれます。回折により、物体のエッジがぼやけてコントラストが減少するため、シャープネスが低下します。
解像度が理論上は十分に高く、細部まで鮮明に映る場合でも、回折により画像がぼやけて鮮明さが失われることがあります。これは、物体の各点からの光がエアリーディスクに拡散し、画像全体がぼやけるためです。
被写界深度
直接的な影響ではありませんが、回折は被写界深度に影響を及ぼします。絞りを絞る (f 値を大きくする) と被写界深度が深くなり、画像の焦点が合う範囲が広がります。ただし、回折も大きくなり、鮮明さが低下します。
多くの場合、被写界深度が十分で、回折による画質の大幅な低下が起こらない「スイート スポット」絞りが存在します。このスイート スポットは、レンズとセンサーのサイズによって異なります。
回折に影響を与える要因
回折が画質に及ぼす影響の程度には、いくつかの要因が影響します。これらの要因を理解することで、回折の影響をより適切に制御および軽減することができます。
- 光の波長:光の波長が短いほど、回折が少なくなります。このため、非常に短い波長の電子を使用する電子顕微鏡は、光学顕微鏡よりもはるかに高い解像度を実現できます。
- 絞りサイズ:前述のように、絞りが小さいほど回折が顕著になります。写真撮影では、これはより高い f 値 (例: f/16、f/22) に相当します。
- レンズの品質:レンズの品質は回折の基本的な物理学に直接影響しませんが、適切に設計されたレンズは回折の影響を悪化させる可能性のある他の収差を最小限に抑えることができます。
回折の影響を軽減する
回折は避けられませんが、いくつかの技術を使用することで、画像品質への影響を最小限に抑えることができます。
- 最適な絞りの選択:被写界深度と回折のバランスをとる「スイートスポット」の絞りを見つけることが重要です。これには、さまざまな絞りをテストして、どの絞りが全体的に最高の画質を提供するかを調べることが含まれることがよくあります。
- シャープニング技術の使用:後処理シャープニングは、回折により失われたシャープネスの一部を回復するのに役立ちます。ただし、シャープニングを過度に行うと、アーティファクトが発生する可能性があります。
- 計算技術:デコンボリューションなどの高度な画像処理技術を使用して、回折の影響を軽減できます。これらの技術には、イメージング システムの点像分布関数に関する知識が必要です。
- より広い絞りのレンズ:最大絞りが広い (f 値が低い) レンズを使用すると、より多くの光を集めることができ、より広い絞りでより鮮明な画像が得られる可能性があります。そのため、回折がより顕著になる小さな絞りまで絞りを絞る必要性が減ります。
さまざまな画像システムにおける回折
回折はさまざまな画像システムに影響を及ぼしますが、その影響は特定のアプリケーションによって異なります。
写真
写真撮影では、特に風景や、広い被写界深度が必要なその他のシーンを撮影する場合、回折は常に考慮する必要があります。写真家は、鮮明さを求めることと十分な被写界深度を求めることのバランスを取る必要があることがよくあります。
顕微鏡検査
回折は顕微鏡検査における基本的な限界です。顕微鏡の解像度は光の波長と対物レンズの開口数によって直接制限されます。回折限界を克服するために、液浸顕微鏡検査や超解像顕微鏡検査などの技術が使用されます。
望遠鏡
回折は望遠鏡の解像度にも影響します。望遠鏡が大きいほど、口径が大きいため回折の影響が少なくなり、解像度が向上します。
