コントラスト

コントラストは、物体上の所定の解像度 (周波数)において、黒が白からどれだけ区別することができるかを定量化します。｢明瞭な画像｣にするためには、黒のディテールは黒として映る必要があり、白のディテールは白として映る必要があります (Figure 1参照)。黒と白の情報が混ざり、中間的なグレー色になるほど、その周波数におけるコントラストはより低くなります。明るい線と暗い線間の強度の違いが大きくなるほど、コントラストはより高くなります。このことは自明かもしれませんが、大変重要な概念です。

Transition from black to white is high contrast while intermediate greys indicate lower contrast.

Figure 1: コントラストの理解：黒から白への移行が高コントラストになるのに対し、グレーからグレーへの移行はコントラストが低くなる

所定の解像度 (周波数)におけるコントラストの値は、式 1を用いて算出することができます。ここで、I_MAXは最大強度 (カメラを使用する場合は、ピクセルのグレースケール値 (階調)を通常使用)、I_MINは最低強度を表わします：

(1)$$ \text{% Contrast} = \left[ \frac{I_{\text{max}} - I_{\text{min}}}{I_{\text{max}} + I_{\text{min}}} \right] \times 100 \text{%} $$

(1)

$$ \text{% Contrast} = \left[ \frac{I_{\text{max}} - I_{\text{min}}}{I_{\text{max}} + I_{\text{min}}} \right] \times 100 \text{%} $$

レンズ、センサー、照明、全ての要素が画像のコントラスト性能に影響を及ぼします。いずれの要素も適切に使われずにいると、所定の解像度 (周波数)におけるシステム全体のコントラスト性能を低下させます。

レンズに対するコントラストの限界

レンズのコントラストとは、照明による物体のコントラスト損失がないと仮定した時に、像空間内で再現される物体上のコントラストの割合から定義されます。解像力は、特定のコントラスト条件で定義されない限り、ある種無意味なものになります。解像力では、センサーの各画素上を物体のシャープな輪郭が推移する、いわば物体に関する完全な再現を前提にした例でした。しかしながら、現実の世界ではこのケースは実際には起こりません。なぜなら、光の性質により、たとえ理想的に設計かつ製造されたレンズであっても、物体の解像とコントラストを完全に再現することはできないからです。例えば、Figure 2、エアリーディスクと解像限界のレンズが回折限界で動作している場合であっても、ドットの輪郭部がややボケた画像を形成します。この画像をセンサーの各画素が明暗の情報として読み取る訳ですから、システム解像力としての精度は更に悪くなり、不効率な結果を招きます。

Figure 2に図示した通り、2つのドットを互いに接近した状態で配置し、それをレンズで撮像することを考えてみてください。ドット間の距離が十分に離れていれば (言い換えれば、低空間周波数であれば)、ドットの像の輪郭部には多少のボケが生じるものの、2つのドットを明白に認識できます。次に、2つのドットを接近させていくと、ドットの輪郭部のボケが互いに重なり合い始め、最終的には2つのドットを独立した物体として区別できなくなります。実際のシステムの解像力は、ドット間の空間を認識することのできる画像システムの能力に依存します。仮にドット間の空間が十分に広かったとしても、レンズのコントラストが今イチで、ドットの輪郭部のボケが大きく出るのであれば、ドットの像は重なり合い、各ドットを独立したものとして解像するのも容易ではなくなります。よってシステムの解像力性能は、光の回折現象や他の光学的収差により引き起こされる像ボケや、コントラストを検出するセンサー側の能力を始めとする多くの因子に依存しています。