等価焦点距離とは？

技術の進歩に伴い、デジタルイメージセンサーを搭載したデジタルカメラが、従来の35mmフィルムカメラにほぼ取って代わりました。その結果、画角はカメラレンズを選ぶ際に考慮すべき重要な光学的仕様となりました。画角は焦点距離やイメージセンサーのサイズと密接な関係がありますが、デジタルイメージセンサーは35mmフィルムのように単一のサイズ規格に準拠していないため、焦点距離と画角はもはや同一の関係ではありません。焦点距離と画角の関係を再定義するために、「等価焦点距離」という撮影用語が作られました。

登場当初、「等価焦点距離」という用語は「35mm等価焦点距離」と定義され、「35mmフィルムカメラで同じ画角が得られる焦点距離」を意味していました。現在主流の光学センサーには、大きい方からフルフレーム（FF、36mm×24mm）、APS-H（28.1mm×18.7mm）、APS-C（23.5×15.6mm）、マイクロフォーサーズ（M4/3、17mm×13mm）などのいくつかのフォーマットがあります。このようなフォーマットに適用される等価焦点距離の使用方法を、例を挙げて説明しましょう。焦点距離50mmのカメラレンズをAPS-C（キヤノン）センサーのカメラに装着した場合、画角は約30°ですが、同じカメラレンズをFFセンサーのカメラに装着した場合は画角が約45°に広がります。FFセンサーを搭載したカメラで約30°の画角を得たい場合、80mmレンズを使用する必要があります。これは、APS-Cセンサーを搭載したカメラの50mmレンズは、FFセンサーを搭載した80mmの等価焦点距離があるに等しいということです。

図1.センサーフォーマットと画角の関係

図2.画角とセンサー/レンズの組み合わせの関係

なぜ等価焦点距離を使うか？

イメージセンサーの寸法はさまざまであるため、監視アプリケーション用に使用されるカメラは、それに応じて大きな範囲のイメージサイズを生成します。例えば、同じ焦点距離3mmのレンズでも、組み合わせる特定のイメージセンサーによって画角や倍率が異なります。このため、焦点距離が特定のイメージサイズを保証するわけではないため、お客様が購入を決定する際に混乱が生じます。この難題を解決するため、VIVOTEKは等価焦点距離の概念を採用し、より容易に、直感的に最適な商品を選べるようにしました。

等価焦点距離の計算方法

HFOV = 120°(W) ~ 46°(T)

VIVOTEKの65シリーズカメラを例にとると、使用されるレンズの焦点距離は4～9mmで、1/2インチのイメージセンサーと組み合わされています。水平画角の実測値は120°(レンズの焦点距離範囲の広角端)と46°（望遠端）です。例えば、1/3インチのイメージセンサーを搭載したカメラで同じ画角を得られるレンズの焦点距離を知りたい場合、これは等価焦点距離が提供する情報です。

センサーの対角線寸法の比率は、1/3インチセンサーと1/2インチセンサーの間で約1.5です。つまり、広角端の等価焦点距離は約2.7mmです。歪曲収差の効果も考慮すると、広角端から望遠端までのズーム比は約4なので、望遠端の等価焦点距離は約12mmとなります。したがって、1/3インチセンサーを搭載した65シリーズのカメラの等価焦点距離は2.7mm～10.8mmと推測できます。

表1.等価焦点距離の例

補足：基本用語の説明

1. センサーサイズ

その名の通り、センサーサイズはセンサーの有効画像領域の大きさで、インチで表されますが、紛らわしいことに、これはセンサーの実際のサイズを指すものではありません。いずれにせよ、1インチのセンサーサイズは、幅12.8mm、高さ9.6mm、対角16mmの有効画像領域を提供します。実際のレンズやセンサーの仕様を説明する場合、「センサーサイズ」は実際のサイズよりもむしろコンポーネントのマッチングに関係します。

2. 焦点距離

カメラで被写体を撮影する場合、被写体に反射された光はレンズに集められた後、イメージセンサーが位置する場所である焦点面にピントが合います。被写体までの距離が無限遠に近づくと、焦点面とレンズの「基準点」の間の距離が焦点距離となります。一般的な光学レンズは複数のレンズ、または複数のレンズモジュールから構成されているため、その構造はかなり複雑です。議論を簡単にするため、レンズの中心を基準点とする1枚の凸レンズがあるとします。焦点距離は、焦点面からレンズの中心までの距離となります。



3. 画角(FOV)

「画角」とは、カメラのイメージセンサーが撮影することのできる、あるシーンの角度的な範囲のことです。画角はさらに、対角画角（ӨD）、水平画角（ӨH）、垂直画角（ӨV）に分けられます。レンズの焦点距離とセンサーサイズを使えば、画角の理論的なサイズを簡単に計算できます。



4. 歪曲収差

歪曲収差は、カメラレンズによって生じる像の歪みの度合いです。計算された値が正か負かによって、歪みは糸巻き型収差（正の場合）と樽型収差（負の場合）に分類されます。光学システムでは、歪曲収差により、実際に測定された画角と理論的な画角との間に違いが生じます。樽型収差はシステムの実際の画角が計算値より大きくなり、一方で糸巻き型収差はシステムの実際の画角が計算値より小さくなります。



光学部品が使用される特定の用途により、歪曲収差の計算方法も異なる場合があります。カメラの場合、最も一般的な計算方法はSMIA歪曲収差とTV歪曲収差で、SMIA歪曲収差はTV歪曲収差の2倍の値になります。

5. ズーム比

ズーム比は、ズームレンズの重要な仕様です。ズーム比は、ズーム範囲の望遠端で撮影した時の被写体の像と、広角端で撮影した時の像の比であり、具体的には像高比として定義されます。下の図は、焦点距離2.8～12mmのカメラレンズを使って説明しています。単純に計算すると、像高比が得られ、これは対応する焦点距離の比に比例します。