知っておきたい撮影レンズの光路図について

1. レンズの結像と光路図

1.1. 無限遠からの光の集光

ここでは先ず，星からの光など無限遠からの光束が一枚の凸レンズで集光される場合について説明いたします。
この様子を図1に示しましたが，ここでは光が左上から右下に向かい伝播してくるとします。青色で示される線は光線（ ray of light ）を意味し，これが纏まった（束ねられた）ものを光束（ pencil of rays ）といいます。この光線・光束は無限遠の物体から到達したものですので平行光になっています。凸レンズを通った光線はレンズ表面で屈折し，焦点として集光します。
この様子を光路図として示したものが図2です。

一般に光学では，光は左から右に伝播することになっていますので凸レンズの左側が物体側です。
この状況では無限遠からの光束がレンズに対し垂直に入って来ているので，中央の線が光軸に相当します。ここでは仮に光束を7本の光線で示しました。中央の光線は光軸に沿ってそのままレンズを透過しますが，それより外側の光線はレンズの各面にて屈折しながら透過し，焦点に集光しています。
なおこのレンズが取り込める光線の量は，最大でもレンズの大きさまでとなります。したがって，この場合はレンズの外径そのものが“絞り”となります。
ここで図3に示すように凸レンズの直前に，レンズ径より小さい絞りを設けてみます。この場合，レンズの焦点距離は変わらず，物体側から見た絞りの径，即ち“入射瞳径”が小さくなったため小絞りとなり“Fナンバー”が大きくなります。このＦナンバーは，焦点に集光する光束の円錐頂角を示しているとも云えます。

これまでは光軸上の平行光束について扱ってきましたが，カメラでは像を得るためにある大きさをもつ撮像面を焦点位置に置きます。
一例として，イメージサイズが対角8mm（1/2型）の撮像センサを使用し，焦点距離がf=16mm ＦナンバーがF4のレンズを用いた時の光路図を図4に示します。像高4mmに相当する画面最周辺へは，左上より右下へ向かう軸外からの平行光束がレンズに入射することが判ります。なお図4では光束を3本の光線で示しています。この3本の光線は次のように決められています。

• 主光線：絞り（入射瞳）の中心を通る光線
• 上線，上光線：入射瞳の上の縁を通る光線
• 下線，下光線：入射瞳の下の縁を通る光線

この上線と下線に挟まれた領域が結像に寄与することになります。

なお一般には図5に示すように，光軸上（画面中心），及び画面最周辺（10割像高）のほか，7割像高の光線を示すことが多いです。（1/2型ですと，表示する像高は0mm,2.8mm,4mmの3箇所です。）

3. テレセントリックレンズの光路図

3.1. テレセントリックレンズ

レンズの主光線が光軸と平行になっている状態を“テレセントリック”と云います。
また入射瞳の位置が無限遠にあるレンズを物体側テレセントリックレンズと云い，“画角が0°”という特殊なレンズで，“被写体との距離が変化しても光学倍率が変わらない”という計測用途に適した特性を持っています。なお“画角が0°”ですから一般の撮影レンズのように撮影距離で光学倍率を変えることはできません。また原理上，被写体の大きさ以上のレンズ有効径が必要ですので，広い範囲を写すなど光学倍率が小さい場合はレンズの鏡筒や前玉が必然的に大きくなります。
両側テレセントリックレンズは，物体側，像側共にテレセントリックになっているレンズです。