写真のしくみ ① 光の直進が影とカメラを生んだ

写真の旅の出発点は「光」です。カメラがなくても、レンズがなくても、光のふるまいさえわかれば「写真が写るしくみ」の半分はもう手に入ったようなもの。この第1回では、光がもつとてもシンプルな性質、まっすぐ進む ということだけを手がかりに、影のできかた、そして世界最古のカメラ「ピンホールカメラ」の原理まで一気にたどりつきます。

光はまっすぐ進む

暗い部屋で懐中電灯をつけてみましょう。スイッチを入れた瞬間、光の筋がまっすぐに壁へ届きます。横へ曲がったり、途中でUターンしたりはしません。

これは「光の直進」とよばれる性質で、理科の教科書では最初のほうに出てくるおなじみのルールです。ふだんは意識しないかもしれませんが、この「まっすぐ」という事実が、これから先のレンズの話も、カメラの話も、写真の話も、ぜんぶ支えています。いわば写真の世界の土台中の土台です。

たとえば、夜の校庭で友だちが遠くから懐中電灯をこちらに向けたら、光はまっすぐ飛んできて目に届きます。途中に壁があれば、光はそこで止まります。壁の向こうには届きません。当たり前のようですが、もしも光が壁を回り込んでくるような性質だったら、影というものは存在しませんし、カメラも発明されなかったでしょう。

影ができるのはなぜ？

光がまっすぐにしか進めないなら、途中にものを置けば、その後ろ側に光が届かない場所ができます。これが 影 です。

晴れた日に外に出てみましょう。自分の影が地面にくっきり映っています。太陽から出た光はまっすぐ進んで、きみの体にぶつかる。体の後ろ側には光が届かないから、地面に暗い部分ができる。それが影の正体です。

ここまではとてもシンプル。でも、影をよく観察すると、ちょっと不思議なことに気づきます。

くっきりした影とぼんやりした影

懐中電灯のような 小さな光源 で手を照らすと、壁にできる影は輪郭がくっきりしています。ところが、蛍光灯のような 大きな（広い）光源 で同じことをすると、影のふちがぼんやりとにじみます。

なぜでしょう？

小さな光源の場合、光はほぼ一つの点から出て広がります。手で遮られたら、その後ろにはきっぱりと光が届きません。だから影の境目はシャープになる。この完全に暗い部分を 本影（ほんえい） といいます。

ところが大きな光源は、光を出す場所が広い。光源の右端から出た光は手の左側をすり抜けて壁に届きますし、左端から出た光は手の右側をすり抜けて届きます。だから手の影のまわりに「完全には暗くないけれど、少し暗い」ゾーンが生まれます。これが 半影（はんえい） です。

• 本影 ……光源からの光がまったく届かない、完全に暗い領域
• 半影 ……光源の一部からは光が届いているけれど、一部は遮られている、薄暗い領域

つまり、影のふちが「くっきり」か「ぼんやり」かは、光源の大きさで決まります。写真の世界ではこの違いを「かたい光」と「やわらかい光」と呼んで使い分けています。太陽は巨大ですが、地球からとても遠いので、見かけ上の大きさは小さい。だから晴れた日の影はわりとくっきりしています。一方、曇りの日は空全体が光源のようなものですから、影はほとんど見えなくなります。

2400年前の大発見

さて、光がまっすぐ進むこと、そして影ができるしくみがわかりました。実はここまでの知識だけで、「カメラ」の原型がつくれてしまいます。しかも、それに最初に気づいた人は、なんと 2400年以上前 に生きていました。

紀元前5世紀ごろ、中国の思想家 墨子（ぼくし） は、暗い部屋の壁に小さな穴をあけると、外の景色がその穴を通って反対側の壁に映し出されることに気づきました。しかも映った像は 上下がひっくり返っています。墨子はこの現象を記録し、光が直進する性質から像が倒立する理由まで説明しました。これは現存する世界最古のピンホール現象に関する記録とされています。

紀元前4世紀には、古代ギリシャの哲学者 アリストテレス も似た現象に気づきました。日食のとき、木の下の地面に落ちる木漏れ日が、ふだんの丸い形ではなく、欠けた太陽と同じ 三日月型 をしていることに気づいたのです。木の葉の隙間ひとつひとつが小さな穴の役割をして、太陽の像を地面に投影していました。

このように、小さな穴を通して像を映し出す装置は、のちにラテン語で カメラ・オブスクラ（camera obscura） と呼ばれるようになりました。camera は「部屋」、obscura は「暗い」という意味。つまり「暗い部屋」です。現代の「カメラ」という言葉は、じつはここから来ています。

針穴ひとつで絵が映る

カメラ・オブスクラの原理は、おどろくほどシンプルです。

必要なものは、暗い箱 と 小さな穴 と スクリーン、たったこれだけ。箱の片面に針で穴をあけて、反対側の面に半透明の紙を貼ります。穴の前に明るいものを置くと、紙の上に像が浮かび上がる。これがピンホールカメラです。

しくみはこうです。

たとえば目の前にロウソクの炎があるとしましょう。炎の てっぺん から出た光は、まっすぐ進んで小さな穴を通りぬけ、スクリーンの 下のほう に届きます。反対に、炎の 根もと から出た光は、穴を通ってスクリーンの 上のほう に届く。光はまっすぐにしか進めませんから、穴を通過するときに上下の光が交差するのです。

その結果、スクリーンに映る像は 上下がさかさま になります。左右も同じ理由で反転します。

ここで大事なのは、「穴が像を映しているのではない」ということです。光がまっすぐ進む、ただそれだけで、穴の向こう側に像ができてしまう。穴は、余計な光を遮ってくれる「門番」のような役割をしているにすぎません。

逆さまの像と現代のカメラ

被写体の上から出た光ほどスクリーンの下へ、下から出た光ほど上へ届きます。左右も同じです。この 上下左右が反転する という性質は、光がまっすぐ進むことの直接的な結果にほかなりません。

そして実は、これはピンホールカメラだけの特殊な現象ではありません。レンズを使った現代のカメラでも、撮像素子（センサー）の上には上下左右が反転した像が映っています。ふだん写真が正しい向きに見えるのは、カメラの内部やソフトウェアが自動的にひっくり返してくれているからです。つまり、いまきみが手にしているカメラやスマートフォンの中でも、ピンホールカメラと同じ「逆さまの像」が生まれています。

明るさとシャープさのジレンマ

ピンホールカメラには、ひとつ困った問題があります。

穴が小さいほど像はシャープ（くっきり）になります。穴が小さければ被写体の一点から出た光は細い束のままスクリーンに届くので、像がぼやけにくい。ところが、穴が小さいと通り抜けられる光の量も少なくなるので、像はとても 暗く なってしまいます。

「じゃあ穴を大きくすればいいのでは？」と思うかもしれません。たしかに穴を広げれば光はたくさん入ってきて、像は明るくなります。でも今度は、被写体の一点から来た光が穴の広い範囲を通れてしまうので、スクリーン上で光が広がり、像が ぼやけて しまいます。

まとめるとこうなります。

• 穴を 小さく する → 像は シャープ だけど 暗い
• 穴を 大きく する → 像は 明るい けど ぼやける

これが、ピンホールカメラが抱える根本的なジレンマです。「明るさ」と「シャープさ」はトレードオフの関係にあります。じつはこのトレードオフは、現代のカメラでも「絞り」という形でそっくりそのまま残っています。

では、どうすれば「明るくて、なおかつシャープ」な像を手に入れられるのでしょう？ この問いに対する人類の答えが、レンズ でした。

レンズという解決策

凸レンズ、つまり真ん中がふくらんだガラスには、通過する光を一点に集める性質があります。ピンホールの代わりに凸レンズを取りつければ、大きな開口部からたくさんの光を取り込みながら、その光をスクリーン上のひとつの点に集中させることができます。

つまりレンズは、ピンホールカメラの「明るいとぼやける」問題を鮮やかに解決してくれる道具です。歴史的にも、カメラ・オブスクラの穴にレンズを取りつけるようになったことで、像は劇的に明るくシャープになり、やがて写真の発明へとつながっていきました。

レンズがどうやって光を集めるのか、その詳しいしくみはこのシリーズのもう少し先で解き明かしていきます。楽しみにしていてください。

この回のまとめ

この第1回では、たったひとつのルール、光はまっすぐ進む という性質だけを手がかりに、写真の出発点を旅しました。

• 光はまっすぐ進みます。この光の直進が影をつくり、像をつくり、カメラという装置の大前提になっています。
• 光源が小さいと影はくっきり（本影）、光源が大きいと影のふちがぼんやりにじみます（半影）。
• 暗い部屋に小さな穴をあけると、外の景色が反対側の壁にさかさまに映ります。これがカメラ・オブスクラで、紀元前5世紀の墨子の記録が現存する最古の記述とされています。
• ピンホールカメラは、小さな穴が余計な光を遮ることで、光の直進だけで像を結ぶ装置です。像は上下左右が反転します。
• 穴を小さくすればシャープだが暗く、大きくすれば明るいがぼやける。この明るさとシャープさのジレンマを解決するために、人類はレンズを手に入れました。

光がまっすぐ進むだけで、こんなにたくさんのことが説明できてしまいます。次回はこの「まっすぐ」が何かにぶつかったときに起こる現象、光の 屈折 について見ていきましょう。