写真家がレンズ回折について語るとき、それは写真がF16、F22などの小さな絞り値で徐々にシャープさを失っていくことを意味しています。 レンズを小口径に絞ると、写真の細かい部分がぼやけてきます。 当然のことながら、この効果は、写真を始めたばかりの人には心配です。 しかし、回折が写真にどのような影響を与えるかを理解していれば、賢明な判断を下し、フィールドで可能な限りシャープな写真を撮ることができます。
絞りを小さくするとシャープネスが低下するという回折の影響を、以下の比較で示します。
この現象が起こる理由は、物理学の原理に基づいています。つまり、絞りを小さくしていくと、光の波が広がっていき、互いに干渉し合うようになります。
しかし、この説明は単純すぎて、写真を始めたばかりの人にはまだわかりにくいかもしれません。 物理的には、何が原因で回折が起こるのか？ どのような場合に写真がぼやけ始めるのか？ 回折を防ぐにはどうしたらいいのか？ 高価なレンズは回折を抑制するのに優れているのか？
目次
回折とは
回折を説明する際に、光学物理学への言及を避けることと取り入れることの間で、境界線を越えることは難しいでしょう。 多くの写真家は、包括的な背景情報よりも日常的な知識に興味を持っていますが、基本的なレベルでの仕組みを説明せずに回折について語ることはできません。
回折とは、最も基本的な概念で、光の波を含めた波は互いに干渉しあうというものです。 実際、光の波がスリットを通過するたびに、波は干渉します。 イメージしやすいように、水の波を考えてみましょう。 静かな湖に石を落とすと、波紋のような小さな波が発生します。 この波は、下の画像のように同心円状に広がっていきます。
この波の通り道を塞ぐようなバリアを作るとどうなるでしょうか。 端的に言えば、波の動きを止めることになります。
それでは、面白くするために、バリアに穴を開けて水が通るようにしてみましょう。 さて、波はどのようなパターンを作り出すでしょうか？
波の様子は予想通りですが、最初の波以外にもいくつかのパターンがあります。
これらの追加のパターンは、波が角の周りで曲がることによる人工物です。 これらのパターンは、2つのコーナーが本質的に個々の波のソースとして機能するために生じます。 衝突する部分では、波はお互いに打ち消し合う（破壊的干渉）ので、図の中には完全に静止しているように見える部分があるのです。
例えば、図の右端にセンサーがあるとしましょう。
これを視覚化するために、図の右端にセンサーがあるとします。このセンサーは、ある地点での波の強度を測定し、その強度は波の振幅とともに増加します。 その強度のグラフを以下に示します。
明らかに、中央のパターンが最も重要です。 横のパターンもまだ存在していますが、中央のパターンほどの強度はありません。 つまり、写真では中央のパターンが最も重要であることがわかります。 ここでは、バリアの開口部が大きい場合と小さい場合の違いを見てみましょう。
この2つの画像の主な違いは、小さい開口部では波の広がりが大きく、大きい開口部では広がりが少ないことです。
2つの波のグラフの比較を見てみましょう。
開口部を小さくすると波の広がりが大きくなるというのは、一見変わっているように見えるかもしれませんが、上の図を見ると、論理的には納得できるはずです。 基本的に、開口部が大きいと、波はあまり干渉されずに通過します。 波は特に乱されないので、プールの端に向かって比較的まっすぐな道を進みます。 一方、開口部が小さいと、波の影響が大きくなり、より厳しい角度で曲がってしまいます。
最後に、開口部が「小さい」というのは相対的なものであることに注意してください。 実際、開口部が回折を起こすのは、そこを通過する波長と同じような大きさのときだけです。
おめでとうございます。 これで、回折の物理学が理解できました。
写真における回折
明らかに、回折は物理学において重要な概念です。 実際、同様の実験(スリットを1つではなく2つにしたもの)は、光が波として振る舞うことを証明する上で重要な役割を果たしており、科学史上最も重要な発見の1つとなっています。
すべてはレンズの絞りに起因しています。 上の写真のように、レンズの絞り羽根は、光の波を通す1枚のスリットのような役割を果たしています。
とはいえ、これは2次元のグラフです。 現実の世界では、ピンポイントの光は3次元に投影されます。
この立体的な模様は、カメラのレンズの開口部から光が差し込むたびに発生します。
上の図は、エアリーディスクと呼ばれるものです。 これは簡単に言うと、カメラのセンサーに当たったときの回折パターンの見え方です。
このエアリーディスクがなぜ写真をぼかす原因になるのか、それを説明するのは難しいことではありません。 開口部、つまり絞りを小さくすると、波が広がることがわかっています。 つまり、小さな開口部では、エアリーディスクが非常に大きくなるのです。 エアリーディスクがカメラのセンサーに当たっているとイメージすると、次のような写真になります（グリッドはセンサーのピクセルを表しています）。
さて、シーンが無数の小さな光源で構成されていると考えてみましょう。 その光の一点一点がレンズの開口部を通過することで、写真の各部分がエアリーディスクとしてセンサーに映し出されます。 この円盤は、上図のように、絞り値が小さいほどボケやすくなります。
高画素カメラと低画素カメラ
上の比較では、エアリーディスクがセンサーの画素に当たっていますが、画素が大きければエアリーディスクがにじみにくいのではないか、という疑問があるかもしれません。 エアリーディスクよりも大きな画素は、小さな画素のカメラと同じように、絞り込んでも回折が起こりません。 1,200万画素のニコンD700であれば、F11まで絞っても回折が気にならないかもしれませんが、3,600万画素のD800/D810であれば、F5.6以下の絞りでは回折が目に見えてわかります。
しかし、これは高画素センサーの問題ではありません。 実際、すべての設定が同じであれば、高解像度のセンサーは、同じサイズの低解像度のセンサーよりも、常により多くのディテールを捉えることができます。 画素数が多ければ、たとえ絞りが小さくてもディテールが少なくなることはありません。
とはいえ、ニコンD800/D810を購入される方は、大きくプリントしたい、あるいはピクセル単位でプリントしたいという方が多いと思います。 そのような場合、低解像度のセンサーではなく、回折が大きな問題となります。 D800/D810で最高のシャープネスを得るためには、絞りがF8程度まで小さくなるように注意する必要があります。 繰り返しになりますが、自分のカメラの正確な限界を自分でテストすることをお勧めします。
小型センサーと大型センサーの比較
クロップセンサーのカメラ（DXニコンのカメラ）は、回折現象が起きやすいとよく言われます。 DXニコンカメラ）は、フルフレームカメラ（FXニコン）よりも回折が起こりやすいとよく言われます。
まず、わかっていることからお話しましょう。 レンズの任意の絞りでは、エアリーディスクは常に同じ物理的サイズになります。 これは、どんなセンサーを使っていても、物理的な性質であり、絞りそのものにしか依存しません。 例えば、50mm F1.8のレンズをフルサイズのD750に装着しても、クロップセンサーのD3300に装着しても、エアリーディスクの投影サイズは同じになります（同じ絞りを仮定した場合）。 それは、同じエアリーディスクが占める割合が、フルサイズカメラよりもクロップセンサーカメラの方が大きいという点です。
実際、同じプリントサイズであれば、DXカメラの方がFXカメラよりも回折が大きくなります。
追加される回折の量は、クロップファクターと同じになります。 つまり、1.5倍のクロップセンサーカメラの場合、フルフレームカメラの回折に相当するものを見るためには、絞りを1.5倍にする必要があります。
もちろん、DXカメラを使っている場合、FXカメラのように大きくプリントすることはありません。
もちろん、DXカメラを使用した場合、FXカメラほど大きくプリントできないかもしれませんが、多くの写真家にとっては、実用上の違いはありません。
回折現象と被写界深度
回折現象は、小絞りでは写真の鮮鋭度を低下させます。 しかし、同時に、小絞りにすると被写界深度が深くなります。 これは矛盾しているわけではありませんが、最初は混乱するかもしれません。
見ての通り、F22の写真は被写界深度の中にシーンが多く含まれています。 この被写体全体をシャープにしたいのであれば、F5.6の写真よりもはるかに優れています。
見ての通り、F5.6の写真の方が圧倒的にシャープです。
もちろん、すべての写真をF5.6で撮影すべきだということではありません。
最もシャープな絞りを選ぶ
レンズのどの絞りにも必ず回折があります。 これは当然のことで、光は常に、たとえそれが非常に大きくても、絞りを通って曲がる必要があるからです。 しかし、F2.8やF4のような開放絞りでは、エアリーディスクは写真の画素数よりもはるかに小さくなります。
しかし、大口径のレンズが最もシャープであるというわけではありません。 ご存知のように、レンズは絞りを少し絞ったときに最もシャープになる傾向があります。 例えば、私の20mm F1.8レンズは、F4で中央部が最もシャープになります。
では、なぜ絞りがF1.8ではなくF4にピークがあるのでしょうか？ それは、この記事の範囲を少し超えていますが、本質的には、大きな絞りでは、より多くの光がレンズの端を通過するということです。 レンズの中心部は最も補正された領域であるため、写真のシャープネスが低下します（球面収差が増加します）。
この効果と、回折によるシャープネスの低下とのバランスが、20mm F1.8のようなレンズでF4が最もシャープになる理由です。
自分のレンズで最もシャープな絞りを知るにはどうしたらよいでしょうか？ ネット上のテスト結果を見ればいいのです。 しかし、常に「完璧な」絞りで撮影することにストレスを感じる必要はありません。 ひとつには、テスト結果が曖昧であるということがあります。 例えば、上のチャートでは、レンズの隅が最もシャープなのはF8です。
その一方で、最適でない絞りでも、恐ろしくボケるわけではありません。 私はF16で撮影した写真を何枚か大きくプリントしたことがありますが、そのクオリティは私のニーズに十分応えてくれました。
（多くの風景写真家のように、可能な限り大きな被写界深度が必要な場合は、超焦点距離について読むことをお勧めします。
回折を避ける
回折について理解したところで、写真の中で回折を避けるためにはどうすればいいのでしょうか？ 残念ながら、簡単な答えは「できない」ということです。 回折は物理的な現象です。
物理法則を回避することはできませんが、写真の中の回折を回避する方法は一つあります。
物理法則を回避することはできませんが、写真の中の回折を避けるための方法は1つです。 大きな被写界深度が必要なシーンを撮影していますか？
一方で、F16やF22などの小さな絞りを使った場合は、後処理でシャープネスをかけることで、写真の見栄えを良くすることができます。
理論的には、「デコンボリューション・シャープネス」と呼ばれるシャープネス処理によって、回折現象を補正することができますが、実際には、回折現象を除去することはできません。 このシャープネス処理は、対象となるレンズの光学特性を含めた完全なモデルがある場合に効果を発揮します。 そのため、一般的なデコンボリューション・シャープネスでは、回折の影響をあまり減らすことができませんが、NASAではハッブル望遠鏡の写真のシャープネスを向上させるために、このような方法を使用していることが知られています。 しかし、NASAはハッブル望遠鏡の写真のシャープネスを向上させるために、このような方法を使用していることが知られています。 デコンボリューションによるシャープネス処理を試したい場合は、LightroomやCamera Rawの「ディテール」スライダーをできるだけ大きくしてみてください。
しかし、後処理で写真をシャープにすることはできますが、回折を減少させる最良の方法は、単により大きな絞りを使用することです。
追加情報
絞りは技術的なトピックであり、光とカメラのセンサーの相互作用も同様です。 上記の情報の一部は、最良のシナリオとして提示されており、実際にはもう少し複雑な場合があります。
例えば、波長の長い光は短い光よりも回折しやすいため、同じ絞りでも、波長650nm程度の赤い光は、475nm程度の青い光よりも大きなエアリーディスクになります。
また、多くのカメラでは、写真を構成する画素がすべて同じ波長の光を検出しているわけではありません。 ベイヤー配列の画素を持つセンサー（ニコン、キヤノン、ソニーのデジタル一眼レフカメラ/ミラーレスカメラなど）では、緑を感知する画素の数は、赤と青の画素の数の2倍です。
最後に、この記事で紹介したエアリーディスクの描写は、現実の世界での描写よりも少し単純化しています。 上の図では、同心円の輪が連なっているように見せていますが、実際には、絞りが完全に円形である場合にのみ発生します。 ほとんどのレンズの絞り羽根は7枚、8枚、9枚と、曲がっていても円にはなりません。 そのため、「エアリーディスク」は「エアリーオクタゴン」になります。
もし、回折の細かな点について質問があれば、コメント欄で気軽に質問してください。
結論
このような技術的な注意点を踏まえると、回折は突飛で珍しい話題のように思えるかもしれません。 しかし、その影響は写真の中で明確かつ重要であり、写真を撮っている間に考慮する価値は十分にあります。
回折はすべての写真に存在し、注意しなければ、お気に入りの画像からシャープさを奪ってしまうこともあります。
回折はすべての写真に存在し、気をつけないとせっかくの写真が台無しになってしまいます。