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回折限界
エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社

回折限界

本ページはイメージングリソースガイドセクション3.1です

Diffraction Limit

 どのレンズにも、物理学的法則に支配された絶対的な上限性能限界があります。この限界は、レンズの有効Fナンバーやレンズを通過する光の波長に依存します。回折限界として知られるこの上限限界は、1mm当たりの空間周波数 (本/mm)を単位に用いて表わされ、理論的なレンズの最大分解能を決定付けます。設計上何も制限を受けていない完璧なレンズであっても、回折限界は存在します。この限界は、2つのエアリーパターン (解像力とコントラストに関する限界: エアリーディスクを参照)が互いに区別できなくなる時の両者の間隔に相当します。回折限界を算出するのに、レンズのFナンバー (f/#)と光の波長 (λ)をファクターにした単純な公式を用いることができます。Fナンバーに関する更なる情報は、Fナンバー(レンズの絞り/開口の設定)をご覧ください。

 (1)

 回折限界に到達した後、レンズはそれ以上の周波数で解像することはできなくなります。コントラストが0%になる時の周波数をTable 1に紹介します。表の数字はかなり高いようにも見えますが、厳密な理論値であり、これより数字を悪くする数多くの現実的ファクターを考慮しなければなりません。はじめに一般ルールとして、イメージセンサーはコントラストが0%に近い時、そのコントラストを再現することはできません。標準的イメージセンサーの場合、その固有ノイズが原因で、光を安定して検出するには少なくとも10%以上のコントラストが必要になります。但しイメージングの複雑性を回避するため、アプリケーション上重要な周波数 (解像度)では、少なくとも20%以上のコントラストが推奨されます。これに加え、レンズの収差や製造上の公差に起因するバラツキも性能を低下させます。変調伝達関数 (MTF)曲線は、レンズがセンサーの性能をフルに活用し、所定のアプリケーションニーズに対処できるかを見極めるのにも用いられます。

Fナンバーλ=0.520μmでの0% コントラスト限界 (本/mm)
1.4 1374
2 962
2.8 687
4 481
5.6 343
8 240
11 175
16 120

Table 1: 波長 520nm (緑色の光)におけるFナンバー別回折限界値 (計算値)

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