大判カメラで、動く被写体をブラさずに撮るために必要なシャッター速度

 大判カメラ用のレンズの開放F値は概して、35mm判カメラ用のレンズほど明るくはありません。概ね、F5.6というのが多く、焦点距離が長いレンズだとF8、あるいはそれ以上の値になってしまいます。
 また、フィルムのISO感度も一般的に常用されるのはISO100~400といったところで、カラーリバーサルフィルムにおいては、現行品として手に入るのはISO50とISO100だけです。
 このため、撮影時に高速シャッター(高速と言っても一般的な大判レンズの場合、1/500秒が最高速ですが)を切ることは多くはなく、低速シャッターを使う頻度の方がはるかに高いと思います。したがって、動いている被写体を止めて写すのはあまり得意ではありません。
 今回、風景写真における動く被写体を例に、どれくらいのシャッター速度を使えば止めることができるのかを検証してみました。

被写体ブレの定義

 写真撮影において、シャッターが開いている間に被写体が動けば被写体ブレとして写ってしまうわけですが、では、どれくらい動けば被写体ブレというかは明確に定義されているわけでもなさそうですし、そもそも、条件によってもブレの度合いは千差万別といえると思います。肉眼では全く動いていないように見えても、ポジやネガをルーペで見たり、あるいはパソコン上で等倍まで拡大してみれば被写体ブレを起こしていることは十分にありうるわけですが、それを論じてもあまり意味があるとは思えません。
 写真をどのような状態で見るかによって、被写体ブレの尺度も自ずと変わってきますので、何か基準を決める必要があります。

 被写体にピントが合っているか、合っていないかの基準に使われる「許容錯乱円」というものがあります。これを被写体ブレに適用できないかとも考えましたが、許容錯乱円は撮像(フィルム)面上での話しであり、ポジをルーペで見るとき以外にはあまり適切とは思えません。
 そこで、ここでは写真をプリントして、それを肉眼で見た時に被写体ブレが認識できるかどうかを基準にしてみることにします。
 最近は写真をプリントして観賞するということが昔に比べて減っているとは思うのですが、ルーペやパソコンを使うことなく人間の眼だけで判断できるので、いちばんわかり易いのではないかと思います。

 写真を全紙大(457mmx560mm)に引き伸ばし、これを1.5m離れたところから観賞する状態を想定します。
 人間の眼の分解能はおよそ1/120°(約0.5分)が限界と言われており、視力が1.0だとその半分ほどの1/60°程度らしいです。これは、1.5mの距離から0.436mm離れた二つの点を識別できるということになります。つまり、0.436mmよりも近い場合は二つの点として識別できないということです。この0.436mmを仮に「許容移動量」としておきます。
 全紙大に引き伸ばした写真上で被写体が許容移動量(0.436mm)以上動いていれば、その写真を1.5mの距離から見た時に、被写体ブレを起こしていることがわかるだろうという想定です。

 本来、被写体ブレは二つの点を認識できるかどうかというのとは意味合いが違いますが、二つの点として認識できない範囲内での被写体の動きであれば、ブレているようには見えないだろうという仮定です。

 さて、大判フィルム(4×5判)に写り込む範囲が、実際の被写体面においてどれくらいの距離(長さ)にあたるのかを計算しておく必要があります。
 これは、使用するレンズの焦点距離や、レンズから被写体までの距離によって異なります。つまり、レンズの焦点距離が短ければ広い範囲が写りますし、レンズから被写体までの距離が長いほど、やはり広い範囲が写ります。
 大判(4×5判)カメラで比較的よく使う焦点距離のレンズと、被写体までの距離ごとに、4×5判のシートフィルムに写り込む長辺の長さを算出したのが下の表です。4×5判のフィルムの長辺の長さは121mmとして計算しています。

 では、以上の条件において、被写体ブレを起こさない、言い換えると被写体ブレが認識できないシャッター速度について、いくつかのシチュエーションで検証してみます。

時速80kmで通過する電車を真横から撮影する場合

 まずは、比較的イメージし易い電車の撮影を想定してみます。

 時速80kmの等速度で右から左に向って走る電車を、真横(電車の進行方向に対して直角の位置)から撮影するとします。この時、全紙大の写真上の0.436mm(許容移動量)が、実際の被写体面においてどれくらいの移動距離(長さ)になるかを計算します。フィルムは横置きで撮影し、長辺(横)を対象とします。
 計算式は以下の通りです。

  被写体面における移動距離 = 被写体面の撮影長さ/全紙の長辺長さ*許容移動量

 上の式に、焦点距離90mmのレンズで被写体面まで50mの距離から撮影した場合の数値をあてはめてみます。
 50m先の被写体面を焦点距離90mmのレンズで撮ると、写り込む長辺方向の長さは67,222mm(上の表より)、全紙大の長辺の長さは560mm、許容移動量は0.436mmなので、

  被写体面における移動距離 = 67,222 / 560 * 0.436 = 52.3mm

 となります。

 つまり、50m先の電車が52.3mm移動するのに要する時間よりも早いシャッター速度で撮れば、見かけ上の被写体ブレは起きないことになります。
 80km/hで走っている電車が52.3mm移動するのに要する時間(秒)は、

  52.3 / (80*10⁶ / 3,600) = 0.002355秒

 これはシャッター速度に変換すると、1/425秒となります。

 実際には1/500秒ということになるので、一般的な大判レンズのシャッター速度でギリギリ撮影できる範囲です。

 レンズの焦点距離が変わればこの値も異なるのは上に書いた通りですので、代表的な焦点距離のレンズについて許容移動量を移動する所要時間と、それに対応するシャッター速度を計算したのが下の表です。被写体面までの距離は10m、20m、50m、100m、200mの5通りを対象としました。

 この表でわかるように、80km/hで移動する電車を大判カメラで被写体ブレが感じないように写し止めるには、かなり短焦点のレンズを使っても50mほどの距離が必要ということになります。

 私は鉄道写真を撮ることはあまりないのですが、数少ない中から大判カメラで撮影した写真を探してきました。それが下の写真です。

▲WISTA 45 SP FUJINON C300mm 1:8.5 F8.5 1/125 PROVIA100F

 正確なところはわからないのですが、被写体(電車)までの距離は150~200mくらいで、電車の速度は割とゆっくりで、時速60km程度ではなかったかと思います。
 使用したレンズの焦点距離は300mmなので、これらの値を上の計算式にあてはめると、

  200m先の被写体面の撮影長さ : 80,667mm
  被写体面における許容移動量 : 62.8mm
  許容移動量に要する時間  : 0.003768秒
  シャッター速度  : 1/265秒

 となります。

 実際の撮影時のシャッター速度は1/125秒ですから、計算上は被写体ブレが認識できてしまうことになります。
 残念ながらこの写真を全紙大に引き伸ばしてないので目視確認はできないのですが、ライトボックスでポジを見ると被写体ブレしているのがわかりますので、1.5m離れていても全紙大に引き伸ばせばわずかにブレが認識できると思います。
 電車の辺りを拡大したのが下の写真です。やはり、少しブレているのがわかると思います。

▲上の写真の部分拡大

流れ落ちる滝を撮影する場合

 次に、風景写真で被写体となることが多い滝の撮影の場合です。

 滝は水が同じ形をしたまま落ちるわけではないので、電車のようにあてはめることが妥当ではないかも知れませんが、とりあえず小さな水滴が形を変えずに落ちてくると仮定して進めます。
 滝の流れ落ちる速度は下に行くほど速くなり、滝つぼに落ちる直前が最も速くなるわけですが、その速度を求めるため、いくつかの前提条件を設定します。複雑な条件を設定してもあまり意味がないので、極力簡単になるようにします。

 まず、滝の最上流部(流れ落ちるところ)の流れの速度は0とします。つまり、初速度0m/sの自由落下ということです。
 また、空気抵抗や風の影響は無視し、理想的な等加速度運動と仮定します。

 このような条件下で、落差10mの滝の水が落ち口から滝つぼまで落ちるのに要する時間を求めます。
 自由落下の式は以下の通りです。

  x = 1/2・gt²

 ここで、xは変位(落差)、gは重力加速度(9.8m/s²)、tは時間です。
 この式から時間を求める式に変換すると、

  t = √(x / (1/2・g))

 となりますので、xに10m、gに9.8m/s²をあてはめて計算すると、

  t = √(10 / (9.8/2)) = 1.429秒

 つまり、10mの落差を落ちるのに1.429秒かかることになります。

 次に、1.429秒後の流れ落ちる速度vですが、以下の計算式で求めることができます。

  v = gt

 この式に重力加速度9.8m/s²と時間1.429秒をあてはめると、滝つぼ直前の速度は、

   v = 9.8 * 1.429 = 14m/s = 50.415km/h

 となります。

 これ以降は電車の場合と同じです。
 被写体面までの距離を10m、20m、50m、100m、200mの5通りで計算すると下の表のようになります。

 落差10mの滝でも、大判カメラを使って滝の流れが止っているように写すためには、50mほど離れる必要があるので、もっと大きな滝になるとさらに条件は厳しくなります。
 私も滝はよく撮りますが、滝の流れを止めるほどの高速シャッターで撮ることは多くはありません。高速で写しとめた滝は迫力があるのですが、大判カメラでは非常に条件が限られてしまいます。

回転する風力発電の風車を撮影する場合

 近年、あちこちで見かけることが多くなったものの一つに風力発電の風車があります。海岸近くや丘の上など、風が吹くところに設置されていますが、人工物でありながら妙に風景に溶け込んでいると感じています。福島県の布引高原にも時々行きますが、ここには30基以上の風車があり、とても絵になる風景だと思います。
 この風車、一生懸命働いて(発電して)いるときに近くに行くと、唸りをあげてものすごい勢いで回転しているのがわかります。
 風車は回転しているのがわかった方が写真としては良いのかも知れませんが、この風車のブレード(羽根)が止まっているように写すことを想定してみます。

 風力発電用の風車の大きさもいろいろあるようですが、布引高原に設置されている風車について調べてみたところ、ブレードの直径が71m、ブレードの回転数は6~21.5rpmとのことでした。回転数は風の強さによって異なるので、ほぼ中央値の14rpmとして、ブレードの先端を写しとめるためのシャッター速度を求めてみます。

 風車のブレードは、電車のようにまっすぐ走るのと違って回転運動をしているので、厳密には直線運動とは異なるのですが、簡単にするために直線運動と同じ扱いをします。
 直径71m(71,000mm)のブレードの先端が回転する際に描く円周の長さは、

   円周 = 71,000 * 3.14 = 222,940mm

 です。

 ブレードは1分(60秒)間に14回転するので、1秒間だと14/60=0.233回転となり、ブレードの先端が移動する弧の長さは、

  222,940 * 0.233 = 51,945mm(51.945m)

 になります。

 すなわち、ブレード先端の速度は51.945m/sで、時速に直すと187km/hという、とんでもない速さです。新幹線に匹敵する速度であり、計算間違いかと思いましたがそうでもなさそうです。

 この高速で移動しているブレードが止まっているように見えるためにはどれくらいのシャッター速度が必要か、上と同じように計算した結果が以下の表です。布引高原の風車は巨大で、ブレードの中心までの高さが64m、ブレードが真上に行った時の先端までは99.5mにもなるため、撮影距離は50mからを対象にしました。

 このように、大判カメラの場合、短焦点レンズを使い、最低でも風車から100m離れないとブレードを写し止めることはできないということになります。

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 このような面倒くさい計算を行なわなくても、例えば電車をブラさずに写す場合はこれくらいのシャッター速度ということが経験値によってわかっていることが多いと思いますが、出来上がった写真を見る条件によって、その値はずいぶん変わってしまいます。
 今回は全紙大にプリントしたものを1.5m離れたところから観賞するという前提でしたが、もっと小さなサイズ、例えば四つ切の場合だと、許容されるシャッター速度は半分近く(正確には54.5%)まで遅くすることができます。
 一般的な大判カメラ用のレンズのシャッター速度は最高でも1/500秒ですから、高速で動く被写体を写すのはいかに苦手かということがわかります。

(2022.8.17)

#シャッター速度 #WISTA45 #ウイスタ

大判レンズのシャッター速度と絞りを実測

 大判カメラ用のレンズにはシャッターが組み込まれていて、絞り羽根もシャッターも電子制御とかではなく、すべて機械的に動くようになっています。バネや歯車、カムなどの組合せでこれらを正確に動かしているわけですから本当にすごいと思います。
 この機械式シャッターがどの程度の精度で機能しているのかを実測してみました。
 高精度の測定器を用いたわけではありません。あくまでも簡易的な測定ですので精度はそれほど高くないことをあらかじめお断りしておきます。

シャッター速度の測定方法

 シャッター速度の計測は下の図のような方法で行なうことにしました。

 シャッターが開いたり閉じたりする際に、光が透過、遮断される状態を感知するための装置(治具)が必要になりますが、これは自作します。この治具をレンズの下部に置き、レンズ上方から光をあてて、シャッターを切ったときの波形をオシロスコープでつかまえようというものです。
 治具の他に必要な機器類は安定化電源、オシロスコープ、LED照明、そして外光を遮断するための暗箱(これも自作)だけという簡単なものです。

 まず、シャッターの開閉を感知するための治具ですが、これはフォトトランジスタを使って実現することにしました。電子パーツの箱をかき回したところ、東芝製のフォトトランジスタ(すでに生産終了品)があったのでこれを使います。
 あとは抵抗器、端子台くらいがあれば何とかなりそうです。

 作成する治具は下の図のようなものです。

 細かな説明は省きますが、フォトトランジスタは光があたると電流が流れるというスイッチのような役目を果たしてくれます。このフォトトランジスタと抵抗器を上の回路図のように接続して、小さなケースに収めれば治具は完成です。フォトトランジスタの受光部に光があたるよう、ケースの上側に小さな穴を開け、ここにフォトトランジスタを差し込みます。
 上図右側の写真がケースに収めた状態ですが、ケースから出ている3本の電線のうち、赤と黒の線は電源に、黄色の線はオシロスコープに接続します。

 シャッターの開閉によりフォトトランジスタから流れる電流の波形は、角が取れた台形のような形をしています。

 台形波形の底辺の位置がシャッターが閉じている状態、上辺の位置が開いている状態になります。シャッターが開き始めてから開くまでの立ち上がり波形の1/2の位置、および、閉じ始めてから閉じきるまでの立下り波形の1/2の位置の間をシャッターが開いている時間(露光時間)とします。

シャッター速度の測定結果

 今回、計測対象としたレンズは、フジノンの大判レンズ「FUJINON W180mm 1:5.6」です。このレンズのシャッターにはコパルNo.1が使われており、シャッター速度は1~1/400秒まで、10段階あります。
 治具に外光があたらないようレンズを自作の暗箱に乗せ、上からLED照明をあてて計測します。

 実際に計測した結果は下記の通りです。
 それぞれのシャッター速度の位置で5回ずつ計測し、平均値、分散、偏差を求めてみました。

 オシロスコープの限界があるので、シャッター速度によって分解能(最小計測時間)を以下のように変えています。
  1~1/2秒   10ms
  1/4秒     5ms
  1/8秒     2ms
  1/15~1/30秒  200μs
  1/60~1/400秒 100μs

 この結果からもわかるように、低速側(1~1/8秒)では規格値よりも若干速め(開いている時間が短い)、高速側(1/15~1/400秒)では規格値よりも若干遅め(開いている時間が長い)という傾向があります。規格値に対して最もずれが大きいのが1/30秒の時ですが、それでも5.6%のずれですからかなり正確ではないかと思います。
 メーカーが規定している許容範囲がどのように設定されているのか詳しくは知りませんが、何年か前にこのレンズとは別のレンズを修理に出したことがありました。修理から戻ってきた際に検査結果表を見たら、シャッター速度は+30%~-20%くらいの許容値が書かれていたように記憶しています。
 規格値に対して30%のずれということは、大雑把に言うと絞りにして1/3段くらいに相当します。それくらいは許容範囲ということなのでしょう。

 それにしても、機械仕掛けだけでこれだけの精度を出すわけですから驚きです。

絞り開口部の測定方法

 次に、絞り羽根による開口部の測定です。
 これは開口部をデジカメで撮影し、その画像から開口部を多角形として近似的に面積を求めます。考え方を下の図に示します。

 任意の多角形(上の図では五角形)の頂点(P1~P5)と、任意の原点(P0)をプロットし、隣り合った2点ごとに原点からのベクトルの外積を求め、これを積算していくという方法です。
 この方法で任意の多角形の面積は以下の一般式で求めることができます。

 実際にレンズの開口部を撮影し、各頂点をプロットしたのが下の写真です。

 ここでは28点をプロットしています。絞り羽根の内縁は弧を描いているので、厳密にはもっと多くの頂点をプロットすべきですが、そこまでやっても有効値は得られないだろうということで28点にしました。
 各頂点の座標は、原点からの画像の画素数で求めています。
 上の写真は約1,600万画素のデジカメで撮影したものを若干トリミングしています。トリミング後の長辺が約4,480画素あり、この画素数で写している長さは約210mmですので、計算上の分解能は約0.047mmということになります。

 そして、この画像から各頂点間の長さを求めるため、基準として外側ジョウを40mmに開いたノギスを写し込んでいます。このノギスのジョウ間の画素数をもとに各頂点間の長さ(ベクトル)を求め、上の計算式にあてはめて開口部の面積を算出します。

絞り開口部の測定結果

 測定に用いたレンズはシャッター速度の計測に使ったのと同じ「FUJINON W180mm 1:5.6」です。このレンズの絞り羽根枚数は7枚です。測定対象はF5.6~F45までの7点です。なお、レンズの後玉を外して撮影しています。

 測定結果は以下の通りです。

 絞りは1段絞るごとに開口部の面積が半分になるので、F5.6のときの開口部面積を基準にして、各絞り値の時の比率を出してみました。いずれも基準値に対して±6%以内におさまっています。シャッター速度と同様に、この程度のずれに納まっているというのはやはり驚きです。
 最小絞りあたりになると開口部の形状が崩れてしまうレンズを見かけることがありますが、このレンズはF45まで絞っても、元の形と同様に比較的綺麗な7角形を保っていました。 

 露出はシャッター速度と絞りの組合せで決まるので、今回の測定結果からすると、それらの組み合わせで最もずれが大きくなるのが絞りF45、シャッター速度1/30秒の時で、露出がおよそ10%増えてしまうことになります。10%というのは通常の撮影ではほとんど気にならない誤差の範囲だと思います。
 シャッター速度や絞りが正常に機能せず、規格値から大きくずれてしまうと露出オーバーや露出アンダーの写真になってしまうわけですが、出来上がった写真を見てそれがわかるというのは、それぞれ50%以上のずれが生じている状態だと思われます。

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 今回、大判カメラ用のレンズのシャッター速度と絞りを実測してみましたが、素人が簡易的に計測しているので計測誤差はかなりあると思います。ですが、それを差し引いても傾向はつかめたのではないかと思います。
 手持ちのレンズすべてを計測するのは時間もかかり大変ですが、レンズを修理したり清掃した後に確認の意味で計測してみるのは価値があると思います。

(2022年1月25日)

#フジノン #FUJINON #シャッター速度 #絞り