カメラにおけるナイキスト周波数とは？

カメラにおけるナイキスト周波数とは？

ナイキスト周波数とは何か？

-ナイキスト周波数とは何か？-

ナイキスト周波数とは、サンプリングレートの半分という重要な概念です。サンプリングレートとは、アナログ信号をデジタル信号に変換する際の、サンプル数を時間あたりの単位で表したものです。ナイキスト周波数は、それより高い周波数の情報をデジタル信号として正確に表現することができない上限値を表しています。つまり、サンプリングレートよりも低い周波数の情報のみが、デジタル化後に忠実に再現できるということです。

デジタルカメラにおけるナイキスト周波数の計算

–デジタルカメラにおけるナイキスト周波数の計算–

デジタルカメラでは、ナイキスト周波数は、シャノンサンプリング定理に基づいて計算されます。この定理によると、連続信号をデジタル化するには、元の信号の最高周波数の少なくとも 2 倍のサンプリング周波数が必要です。

デジタルカメラでは、ナイキスト周波数は次の式を使用して計算されます。

-ナイキスト周波数 = センサーのピクセルピッチ × カメラの有効ピクセル数 / 2-

* -センサーのピクセルピッチ- センサー上の隣接するピクセル間の距離です。
* -カメラの有効ピクセル数- 画像を形成するために使用されるピクセルの合計数です。

例えば、ピクセルピッチが 3μm、有効ピクセル数が 2400万ピクセルのカメラの場合、ナイキスト周波数は次のようになります。

-ナイキスト周波数 = 3μm × 2400万ピクセル / 2 = 36,000サイクル/mm-

この周波数は、カメラが正確にキャプチャできる最大空間周波数に対応します。ナイキスト周波数を超える周波数はエイリアシングを引き起こし、画像にモアレやジャギーが発生します。そのため、カメラがエイリアシングのない高品質な画像をキャプチャするには、ナイキスト周波数を超えないようにすることが重要です。

デジカメの解像力とナイキスト周波数の関係

-デジカメの解像力とナイキスト周波数の関係-

ナイキスト周波数は、サンプリング周波数を指し、それ以上の周波数は正確に複製することができません。デジカメにおいて、この原理は画像の解像力に適用されます。ナイキスト周波数は、センサーの感光素子が記録できる空間周波数の最大値を決定します。センサーの画素密度が高いほど、ナイキスト周波数も高くなり、より細かいディテールをキャプチャできます。

したがって、特定のレンズと絞りで撮影した場合、デジカメの解像力はセンサーのナイキスト周波数によって制限されます。ナイキスト周波数を超える空間周波数は、エイリアシングと呼ばれるモアレパターンを引き起こします。つまり、細かいディテールが階段状またはレンガ状の模様で表示されます。このエイリアシングを防ぐためには、ナイキスト周波数よりも低い周波数のみをキャプチャする必要があります。これを実現するには、レンズを絞ったり、より高密度なセンサーを搭載したデジカメを使用したりします。

小型カメラにおけるナイキスト周波数とレンズ性能

小型カメラにおけるナイキスト周波数とレンズ性能

小型カメラでは、限られたイメージセンサのサイズによって、ナイキスト周波数が相対的に高くなります。これにより、レンズの解像力がより重要な要素となります。イメージセンサのピクセルサイズが小さくなるほど、レンズはより高い空間周波数を捉える必要があり、そのためにはレンズの光学性能が優れている必要があります。つまり、小型カメラでは、レンズの解像力と収差補正能力が、ナイキスト周波数に近い画像情報を適切に捉えるために重要な役割を果たします。

実用例：高解像度カメラのレンズ選びの目安

高解像度カメラのレンズ選びの目安として、ナイキスト周波数が役立ちます。この周波数は、特定のセンサー解像度で捉えることができる画像の空間周波数の上限を表します。ナイキスト周波数を超える画像は、エイリアシング（ギザギザ）という歪みが発生するため、実際のシーンの細部を正しく再現できません。

レンズの解像力を表す指標であるMTF（モジュレーション伝達関数）がナイキスト周波数と一致するように設計されたレンズを選択することで、カメラがそのセンサー解像度をフル活用できます。つまり、センサーのピクセルサイズに適した解像力を持つレンズを使用することが、高解像度画像の撮影に不可欠です。