「デジカメのシミ」に関する一考察

寄稿　大谷　信郎　さん

昨秋、「デジカメの染み」と題する興味深い報告が会員・石原修氏からあった。その正体解明の手掛かりになればとの思いから、その様な現象を生じる条件の幾つかを更めて考察してみたので、参考までに以下に報告する。
なお、このレポートは、石原氏を経て、同氏が技術的な助言を得ていたCanonの「お客様相談センター」(在・秋田)へ送り検討を依頼したところ、２ヶ月余に亘る「慎重なる検討」の結果、「大筋としてＯＫ。特に間違いとして指摘するものはない」との回答を得ているものであることを付け加えておく。

まず、新日鐵ＯＢ会パソコン同好会のホームページに掲載された石原氏の報告にある写真を借用し、画像処理して「シミ」を際立たせさせた画像を、改めて別紙１に添付した。（これを見るには、ここをクリック）
この現象を生じる原因物体が、浮遊粉塵或いは霧のような極微小浮遊物であることには、概ね異論は無いようであるので、これを便宜的にＵＦＯ（Unidentified Flying Object）と呼ぶことにする。
このＵＦＯが空中に浮遊するためには、後述８項のように水滴（霧・雲・雨）なら、せいぜい径100ミクロンまで、鉱物質の浮遊粉塵ならば比重の関係で更に径が小さいので、その実像を撮影することは、①ＣＣＤ（撮像センサー。以下同じ）の解像度の問題（今回のカメラでは、撮像画素の間隔は２ミクロン程度）、②カメラに超近接撮影の機能があること、③ＵＦＯを静止させることが前提となるので、アマチュアには不可能と言って良い。
そのような訳で、間接的ながら本稿は、至近距離にあるＵＦＯが、強いフラッシュ光を反射して映し出す錯乱円（シミ、影）に着目して、その様な現象を生じる条件を検討してみた。
その結果は、ＵＦＯの実態解明には程遠いものではあるが、レンズの前方至近距離の５㍑余の小空間に存在するＵＦＯ達が「シミ」(＝錯乱円)として映し出されたものであると言うことが判った。

１．フラッシュを焚いた時にのみ発生する現象

ＵＦＯは極微小体であるので、肉眼では普通見えないが、相当に密度が濃く且つ背景が暗ければ、これに強い照明を当てた場合、｢群｣の状態としてその存在が判る。
その微細な個々のＵＦＯの姿を映像として写し取ることは、普通のカメラではできないとしても、Focusを無限遠にしてフラッシュを焚いた時に、カメラの至近距離にあってFocusを外れたＵＦＯが強いフラッシュ光を反射して、それぞれの錯乱円（シミ）を映し出したものが、謂わばＵＦＯの影として捉えられる。
その錯乱円の生成には、①その大きさに関係するレンズからＵＦＯまでの距離、②その明るさに関係するＵＦＯ本体の大きさ、③フラッシュ光の照度とその実効到達距離が関係する。

２．錯乱円の大きさの計算（点光源の場合）

下図１は点光源の位置とその結像位置（焦点）、並びにＣＣＤ上に映し出される錯乱円の大きさの関係の概念図である。

この図において、Focusを無限遠に合わせた時、無限遠にある光源の像は焦点距離ＦoのＣＣＤ上に点として映し出される。
点光源がレンズの固有焦点距離Ｆoと等しいＳoの位置にある時は、レンズを通過した光は平行光束となり像を結ばない。この時の錯乱円の径は、レンズ径（＝絞り）に等しい。
以上２つの位置の中間（Ｓx）にある点光源からの光はＣＣＤの後方（Ｆx）に像を結ぶのだが、ＣＣＤに遮られて「円x」の径を持つ錯乱円を映し出す。
光源距離（Ｓx）とレンズから結像点までの距離（Ｆx）、レンズの固有焦点距離（Ｆo）との間には、式１の法則がある。この式から、光源Ｓxの錯乱円の径（円x）を求めると式２となる。

この式により、レンズの焦点距離＝５.８㎜と２０㎜、絞＝４として、光源距離Ｓxと錯乱円の径「円x」の関係を一覧表にすると下表１のとおりである。
なお、実際に錯乱円を観察できるのは、ＣＣＤ上に映し出された映像を撮影画像として取り出したものによることとなるので、便宜的にＣＣＤ（画面）の大きさと比較した方が判り易い。
この表にはデジカメのＣＣＤ（６.９㎜×５.２㎜）の長辺の長さとの比（％）を付記した。

（注）

実際のカメラの映像側主点は、レトロフォーカス構造のため、特にワイド(5.8mm)では、多分後方レンズの外（ＣＣＤ寄り）になっているのではないかと思われる。この場合、映像側の光束は前述のものより細くなっているかもしれない。従って錯乱円も少し小さくなろうかとも考えられるが、無視した。

３．錯乱円の明るさ

光源の明るさ（光エネルギーの総量）が一定の場合には、錯乱円の明るさは一定で、距離による変化はない。それは即ち、光源が移動するとレンズへの入射光量は距離の自乗に反比例して変化するが、錯乱円の大きさも同様に距離の自乗に反比例して変わるので、錯乱円の単位面積当たりの光量（明るさ）は一定になる。
しかし乍ら、現実には光源（ＵＦＯ）には小さいとは言え或る大きさがあるので、その大きさの違いに比例して反射光の総量が変わり、錯乱円の明るさもそれに応じて変化する。
前述の別紙１の写真（ここをクリック）においても、同じ大きさの錯乱円（距離が同じ）でも明るさが異なるものがあるのは、その為である。
一方、ＣＣＤには性能上の限界がある。解像度の他に感光度やラティチュード（許容感光度）、コントラスト等の問題があって、その限界（特に、暗い方の）を超えたものは捕捉されない。また、背景が明るいと識別できないという現象もある。

(注)

仮に、或る光源の大きさ、単位面積当たりの明るさ、それによる錯乱円の明るさ並びに光源までの距離が定量的に把握できるならば、本件に使用した写真の錯乱円の大きさと明るさから逆算して、光源（＝ＵＦＯ）の大きさを推測することが出来るのではないかと思うのだが・・・？

４．フラッシュ光の強さと反射光量

フラッシュの光の強さ（照度）は、その光源からの距離の自乗に反比例して、逓減する。
カメラ内蔵フラッシュの到達限界距離は、一般の被写体の場合３～４mと言われ、ＣＣＤの感度を大幅に上げても、１０mを超えると適正露出を得るのは難しい。
本件のように、ＵＦＯをその錯乱円の映像で捉えようとする場合には、普通の撮影とは異なり、個々のＵＦＯから反射される光の量が、或るレベル以上でなければ、ＣＣＤ上に記録されない。極微小なＵＦＯから必要な反射光量を得るとなると、フラッシュ光の到達限界距離はかなり短くなる。
なお、ＵＦＯ自体の材質や表面の状況、全体の形状などにより反射率は一様でなく、又、前述３項のように、ＵＦＯの大きさによる反射光量の違いもあるので、フラッシュ光の到達限界距離は一律でないことを念頭に置く必要がある。
下表２は、鏡筒先端の位置におけるフラッシュ光の強さを基準にして、鏡筒先端からの距離による逓減状況を計算したものである。
太字の部分は、別紙１の写真（ここをクリック）で、最大の錯乱円が写されている被写界面（近似）におけるその明るさを基準として計算したものである。

５．【検討結果のまとめ】

以上の検討の結果を纏めると、「一般論として錯乱円（ＵＦＯの影・シミ）は、レンズからＵＦＯまでの距離に反比例して、その大きさ（径）が減少すると同時にそのＵＦＯに当たるフラッシュの照度が距離の２乗に反比例して減少するため、急激に小さく且つ暗くなり、意外に近い距離においてＣＣＤ上で認識できなくなる」となる。
なお、ＵＦＯ自体が大きいと、それに応じて明るく写る（前述３項参照）ので、より遠くにあるものも明るい錯乱円或いは点として認識できる。極端な例えだが、ＵＦＯ自体の径が５mmもあれば、一般の被写体と同様に、通常のフラッシュ光の到達限界かそれ以遠のものまで写る。この時のＵＦＯは被写界深度の中に入ってしまうので、錯乱円ではなく点に近い実像として捉えられることになる。

６．レンズ鏡筒の影の存在

レンズの直前至近距離には、鏡筒に遮られてフラッシュ光の届かない空間がある。（次項７の図３参照）
レンズ鏡筒の影が、被写界空間のレンズ光軸に鉛直な面上に映る様子をＣＣＤ上に捉えた状況を、レンズの焦点距離別、被写界空間の面までの距離別に計算して作図した結果を別紙３（ここをクリック）に纏めた。
　　(注)本件デジカメ・Canon PowerShot S80の諸元を推定して作図した。
なお、フラッシュは、点光源ではなく面光源であるので、影の輪郭には然るべき巾のボケがある。　図示した輪郭線はボケ具合が５０％となる境界線である。
下図２は、最大の錯乱円を映し出したＵＦＯが存在すると思われる被写界面の影の状況である。確かに画面の右下半分には、大型、中型の錯乱円（近いＵＦＯ）は写っていない。
　　　レンズの焦点距離（ズーム）：ワイド端の５.８mm、
　　　被写界面までの距離：被写体側主点から２７mm、
　　　(注)被写体側主点はレンズ鏡筒の先端から１０mm手前にあるとの想定。

７．ＵＦＯの影が写された空間（被写界空間）とＵＦＯの数

別紙１（ここをクリック）に付記したように､本件の写真の場合、ＵＦＯの影（錯乱円）が写っている範囲は､レンズ直前から奥行250㎜位までの小さな空間である。それ以遠はフラッシュ光の実効到達距離の外になり、ＣＣＤの感光度（ラティテュード）の限界を超えることと、錯乱円が余りにも小さくなるため画面上では確認できない。
　　(注) 本件写真の画像は、HomePage用に圧縮されていて、解像度が悪くなっている。
その空間の形状は、レンズを頂点とする四角錐体（下図３参照）で、体積は５㍑余と計算される。
　　　四角錐の体積 ＝ 底辺30㎝×22.5㎝×高さ25㎝÷3 ＝ 5,625cc

この空間には、前６項で見たように鏡筒の陰になる空間が存在する。その状況は別紙３（ここをクリック）の一覧表に図示したように、レンズから至近距離にのみ存在し、各被写界面（錯乱円の大きさで推定）に投影されたＵＦＯの影の位置に矛盾無く符合している。この現象は上述の四角錐体に関する想定を補強するものである。

この空間に浮遊するＵＦＯの数を数えてみた。別紙１（ここをクリック）に於いて、画面を100マスに分割し、比較的に錯乱円が判然としている最上段（A1コマ～J1コマ）の部分で概数を計り、それを全体に当て嵌めてみると、この空間に存在するＵＦＯの総数は900個位と推定される。
この時、最奥の最も小さい錯乱円は、特に明るいもの（＝大粒のＵＦＯ）しか確認できないので、実際の数はそれよりも可成り多い筈である。

８．ＵＦＯの実際の大きさ（粉塵・霧滴として）

霧滴・・・径10～100ミクロン（100ミクロンに近いものは雨滴に近く、次第に浮遊し難くなる）
粉塵・・・鉱物質のものとすれば水より比重が重いので、材質が密ならば径は霧よりも小さい
花粉・・・スギ花粉：径20～40ミクロン（花粉としては中型）
　　参考：東京近辺におけるスギ花粉の飛散総量（平年、１～５月通算）＝3,000個／cm2

前述の３項･注 にも記したように、錯乱円に関する諸Dataから、個々のＵＦＯの実際の大きさを推測する何か良い方法はないものだろうか？

９．霧の可能性について

＊

真夏の下界から湿潤な空気が西風に押されて上昇してきて、それがいわゆる上昇雲（雲、霧）になると言われる。それが山頂を越える時にどの様になるのか、その微細な気象現象を検討する必要がある。（晴天だったという前日の写真に、稜線を越える雲が写っていた？）

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山頂における蒸気圧が結露しない水準とのことであるが、快晴だった夜間の放射冷却の影響はないだろうか？　特に、早朝の地表に近い所で（靄・モヤ）。

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呼気による霧？　弱い追い風の時にあり得るかと思うが、当日の風速や、透視ファインダーを使わずモニター画面を見ながら撮影した時は顔の位置が離れるので、可能性は少ない。

＊

粉塵とした場合、富士山頂は年中強い西風（年間平均11.4m/s）に煽られているので、既存の粉塵は掃き清められて、少ないのではないだろうか。その時、周囲に如何に大勢の登山客があって踏み荒らしたとしても、当日の風速5～10ｍ/s（時速18～36km）という可成りの風の中で、６項で検討したような密度で新たな粉塵が生成され、捲き上がるものだろうか。
(注) 風速11.4m/sは、風に向かって歩き難く、傘がさせない程。

＊

このような密度の粉塵であった場合、人体に与える生理的な影響は無いだろうか。
水滴ならば、酸性雨なら別だが、普通人体には生理的な問題は無い筈である。

１０．再現実験について

以上の検討結果から、霧を前提として再現実験を試みた。
カメラは、Panasonic DMC-LC5 LUMIX 、いわゆるコンパクトデジカメ(＝ＣＤＣ。以下同じ)である。　レンズはＦ＝２なので、　Canonに比べて鏡筒の太さも突出も少し大きく、前方主点の位置も少し深くて、▲20mm位かと思われる。
風のない夜、２階のベランダで三脚にカメラを据え、石原氏の撮影条件と同じになるように、マニュアルで、ISO感度＝400、Focus＝∞、絞り＝４、シャッター速度＝1/200秒、ストロボ＝強制発光に設定した。ズームはワイド端であるが、7.1mmである。
次に、カメラの上方50～60cmの所からレンズの直前にたなびくように霧吹きで霧を吹き出し、タイミングを図ってシャッターを押し、ストロボを発光させて写したものが図４の写真である。(増感処理などの加工はしてない)
錯乱円の大きさから判断すると、画面右上隅のものが最大で、レンズの前方主点から37mm(鏡筒先端からは17mm)位の被写界面にあることが判る。 霧吹きによる霧は漂わないで落下してしまうので、天然の霧に比べて可成り粒子が大きいと想像される。そのため、錯乱円はいずれも、石原氏の写真より随分明るく写っている。（その理由は前述・３項及び４項参照）
なお、両カメラともフラッシュには調光機能がある筈なので、背景の明るさにより発光量が調整され、再現実験のものは夜間のため発光量が大きくなっていたということも考えられる。

１１．付け足し・その１　「一眼レフの場合には殆どない」ことの検証

石原氏の報告の中に、キヤノンとの遣り取りで「①この種の相談は、一眼レフの場合は殆どないが、ＣＤＣ(コンパクトデジカメ。以下同じ)の場合は１ヶ月に数件はある。②一眼レフはセンサーの大きさがＣＤＣと根本的に異なり、焦点深度が浅いので、Ｆを20～30に絞らないと”染み“は発生し難い。」とあるが、これについて検討した。

① については、先ず本文２項の計算式によるＣＤＣと一眼レフの錯乱円の大きさとフラッシュ光の明るさの比較を下表３に纏めた。
ＣＤＣ（コンパクトデジカメ）はＣＣＤ（撮像センサー。以下同じ）が小さく、従ってレンズが小型であるので、レンズ直前の空間がフラッシュに極めて近い。このためＵＦＯに当たるフラッシュ光が強烈で、錯乱円も明るく映し出され易い。
一眼レフの場合はＣＣＤが大きく、それにつれてレンズも可成り大型になるため、レンズ直前の空間がフラッシュ光源から離れ、加えて鏡筒の影の問題（前述の６～７項参照）があるため、そこに届く光量はＣＤＣの２割程度かそれ以下になる。
更に、一眼レフではレンズ・フードを装着することが多いと思われるので、それに遮られてフラッシュ光が当たる空間は更に遠退き、光量は１割位かそれ以下にまで減少する。
　このために、錯乱円の明るさが可成り暗くなり、映っていても目立たないため、「一眼レフには殆どない」ということが理解できる。
図５は、参考までに照射光量と画像の明るさの関係を実写により作成したものである。

② については、結論から先にいうと、納得できない。
この部分の記述の前半で、焦点深度の「深浅」を、ＣＣＤの大きさとの相対比の大小(注１)のこととすると、焦点深度は理屈の上ではＣＣＤの大きさには関係しない。
そもそも焦点深度とは、焦点面（フォーカスを合わせたＣＣＤの位置）の前後に出来る最小許容錯乱円(注２)の間隔をいうのであって、ＣＣＤの大きさ或いはレンズの焦点距離の長短により変化するのは、「被写界深度」(注３)である。
　　(注１)「深浅」という表現は情緒的なので、「大小」の方が、より的確なのではないかと思う。
　　(注２) 最小許容錯乱円とは、画像を拡大して見て、肉眼でFocusが合っていると見える限界の錯乱円の大
　　　　　 きさのことで、ＣＣＤのサイズとの相対比で決まる。
　　(注３) 焦点深度は、被写界深度と混同して使われることが少なくない。
次に、後半部分の「Ｆ(絞)を20～30に絞らないと”染み”（錯乱円）は発生し難い。」という部分も理解できない。絞を絞れば、錯乱円は一層小さくなる。（別紙２参照。ここをクリック）同時に一眼レフでは、フラッシュからＵＦＯまでの距離がＣＤＣよりも可成り遠いため、到達光量が少なく暗くなり、絞りを絞れば錯乱円は益々小さく且つ暗く、目立たなくなるのであって、キャノンの説明は全く逆のことを言っている。

１２．付け足し・その２　「たまゆら」現象について

石原氏の報告の中で紹介されている「たまゆら」現象について、Netで見てみた。
沢山の事例が紹介されているが、その大部分は上述の錯乱円によるものとして理解出来る。
錯乱円に色々な色彩があるものも紹介されていて、独断だが、これは虹の現象が現れたのではないかと思っている。これは、ＵＦＯが水滴であることが前提である。又、細長いＵＦＯは、糸状のもので、綿ぼこりや髪の毛、蜘蛛の糸或いは樹木の葉から落ちるヤニの糸などによるものではなかろうかと推測している。コンパクトデジカメのような小型カメラで、透視式のビューファインダーを覗きながら撮影した時には、女性のように髪の長い人の場合、ほつれ髪がレンズの前に棚引いて、細長い像を映し出すことが考えられる。
明らかにタバコの煙を写したものを、異形のＵＦＯとして紹介しているものもある。
その内の１枚は、バスの車内から窓ガラス越しに撮影したもののように見える。そのＵＦＯはガラスに付着した水滴（大粒な雨滴など）そのものがクローズアップして写り込んだのではなかろうか。その場合、水滴が平凸レンズ状になり、平面側（ガラス越し）から見た外界の透過像も、曲面の内側に映って見える反射像も共に倒立像になる。この写真では、フラッシュは使われていないようである。それにしても、この特徴的な二つの眼のようなものは何なのだろうか・・・。
又、菊花状のものは、その形が閃光球（フラッシュバルブ）用の折り畳み式発光器（携帯用で、反射板を扇のように開いて使う）の形に似ているので、「もしかしたら？」と思っているが、どの様な状況の下で生成されたものなのか、撮影Dataがないので推測できていない。
デジカメでは、内蔵フラッシュを常時発光に設定していることが少なくないようなので、それもこの様な現象を捉える機会が増えた原因の一つであろう。

下掲の写真の内5点は「たまゆら写真館」(hrttp://www.wao.or.jp/maruyo68/open.htm)から、最後の1点はそこからリンクした「クレアゆうこの部屋」(http://plaza.rakuten.co.jp/clareyuko）から転載した。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ー 完 ー