本記事では、昨今出回っている「可変赤外線フィルター」とでも言うべき製品をテストして、物理的な直感では実現不可能であるように思われるこの製品の機能を検証し、その上でどのような原理で動作しているのかについても推測する。
とはいえ、専門的な赤外線対応の分光測定器のような機材は持っていないため、手元にある機材を用いて調査を行うこととする。
今回の目次
- 昨今の赤外線フィルター事情と謎の可変赤外線フィルター
- 可変赤外線フィルターのファーストインプレッション
- 可変赤外線フィルターを通常の赤外線フィルターと比較する
- 可変赤外線フィルターの実際の機能と動作原理の推定
- この商品は「買い」か？
- しかし世の中には「使える」という評価もあるぞ？（2024年12月12日追記）
- ズームレンズでXムラの変化をチェックしてみる（2024年12月15日追記）
- 余談：赤外線写真とピント合わせ
注：記事中のAmazonへのリンクは、アソシエイトプログラムで収益化しています。
昨今の赤外線フィルター事情と謎の可変赤外線フィルター
さて、先日の「秋葉原電影区域」に行ってきた影響で、赤外線写真の撮影を再開しようと思ったのだけれども、久々に赤外線フィルターを検索していると、自分がひところはまっていた頃にほぼ唯一の選択肢であった富士フイルムの角形フィルター以外にも、現在は色々な選択肢があることがわかってきた。
以前使っていたのはこういう角形フィルター。薄いプラスチック製なので、簡単にカッターで切ったりすることもできて、工作には便利だ。
上のフィルターは、波長760nm以上の赤外線を通す（≒ 760nm以下の赤外線、可視光、紫外線を通さない）IR76というフィルターだが、同様のフィルターが20nmごとという非常に小刻みな単位で、760nmから960nmまで、IR（InfraRed sharp cut）フィルターというシリーズとしてラインナップされている。ちなみに740nm以下は単純にSC（Sharp Cut）フィルターと言う名前になり、紫外線に入る390nmまで用意されている（390nmは紫外線カット目的の、いわゆるUVフィルターと同等である）。
ところが最近、amazonとかを検索してみると、やたらとたくさん検索結果に出てくるのが「可変赤外線フィルター」とでもいうべきものだ。
おそらく検索して出てくる商品全てが、（フィルター径などの違いはあるものの）基本的に同じものだと思うのだが、具体的なリンクは示さないことにする。共通する特徴は以下の通り。
- 530nmから720nmまで、可変NDフィルターのようなリングを回すことで、波長を調整可能
しかしだ。理屈がどうにも納得がいかない。よく似た製品でいうと、広く販売されている可変NDフィルターは、2枚の偏光板を重ねて、片方を回転枠に入れれば概ね実現するであろうことは理解できる。理屈も単純だ。
だが、回転枠を回すことで透過波長を連続で変化させるようなことが果たして可能なのだろうか。自分が知っている限りの物理的・光学的な理屈では、ちょっと方法が思いつかない。
可変赤外線フィルターのファーストインプレッション
ということで早速この「可変赤外線フィルター」を購入してみたのだ。まあこれで何万円もするとアレだが、せいぜい数千円なのでまあ、仮にインチキであったとしても面白そうだから許すというゆるい感じで。
テストには、ローパス未改造のFUJIFILM X-T30と、フルサイズ35mm相当の広角レンズXF23mmF1.4 Rの組み合わせを利用した。
XF23mmF1.4 Rは、マニュアルでのピント操作がクラシックレンズのような操作性で非常に使いやすいので、手動ピント調整が必要となる赤外線写真には便利そうである。
まずは、このフィルターの530nmと750nmと書いてある間の11個の目盛りのところで1枚ずつ写真を撮ってみた。露出は全てオート。
これを見るだけで、なんか雲行きが怪しそうであることがわかる。なぜなら可変幅の下端である530nmは、ケンコーのオレンジ色のフィルターYA3の560nmよりも黄色に近く、黄色フィルターのY2との480nmの中間ややオレンジ色寄り、ということなので、少なくとも赤フィルターR1の600nmよりちょい上までは普通に可視光である。
ちなみにY2, YA3, R1はこんなフィルターだ。
つまり、本当に連続的にシャープカットの波長を動かせるのであれば、530nmから650nmあたりまでは普通にオレンジから赤色、そして濃い赤色への色の変化が見えないとおかしい。だが上の11枚の連続写真には全くそのような気配は見えない。
そもそもそんなことが技術的に可能であれば、Y2→YA3→R1を1枚で実現するようなフィルターが出てきてもおかしくないはずだ。だが自分の知る限りそんなフィルターは存在しない。
上の11枚の写真の撮影データは以下の通り。
- f2.8, 1/240s, ISO160
- f2.8, 1/220s, ISO160
- f2.8, 1/200s, ISO160
- f2.5, 1/210s, ISO160
- f2.5, 1/160s, ISO160
- f2.2, 1/160s, ISO160
- f2, 1/125s, ISO160
- f1.8, 1/90s, ISO160
- f1.4, 1/60s, ISO160
- f1.4, 1/34s, ISO320
- f1.4, 1/34s, ISO4000
これら11枚の写真を比較した結果として、次のような傾向が見てとれる。
- 最後の2枚を除き、ほとんど最終的な写真の差は見られない（厳密にいうと、7枚目あたりから周辺部の減光が目立ってきている）
- 最後の方に行くにしたがって、露出は増えていく
- 露出の増え方はリニアではなく、最初はゆっくり、最後に一気に進む
- 最後の2枚では、可変NDフィルターを広角レンズで利用した場合に出やすい「Xムラ」に類似する模様が出ている（特に最後の1枚で顕著）
- ほとんど全ての写真のオレンジ色に見える部分は、赤外線写真に見えない（赤外線を強く反射するはずの植物の葉が暗すぎる）
- 最後の写真のXムラの中心部だけは、赤外線写真であるように見える
ここで5.と6.の「赤外線写真に見えない・見える」というのはどういうことかを、サンプルで説明する（この写真は翌週の2回目のテスト時に撮影したものである）。この可変フィルターでオレンジ色の写真が撮れる状態で撮影した写真が左、通常の（シャープカット波長固定の）760nmの赤外線フィルターで撮影した写真が右である。
わかりやすくするために色を抜いてモノクロにして比較してみよう。
左の写真は、なんか普通のモノクロ写真である。より正確にいうとYA3フィルターをつけて撮ったモノクロ写真っぽく、緑の植物の明度も落ちているように見える。それに対して右の写真は、赤外線を強く反射する植物の葉が輝くような白さになっており、赤外線のあまり出ていない空はより黒くなっているため、明らかに普通のモノクロ写真とは異なる。
そして重要なことは、右の写真の撮影には760nmのフィルターを使っているため、この可変フィルターの謳っている530nmから750nmの波長最大値である750nmに非常に近く、本来であればこういう写真が750nmの部分で撮れていないとおかしいのである。
では6.はどういうことかというと、最後のXムラ写真の中央部を拡大するとこの様になっている。この紫色は赤外線デジタル写真の偽色であるように見える。
これをモノクロームに落として焼きを調整すると次の様になる。これは植物や空の色から判断して、赤外線写真の可能性が高いように見えている。
また、ピンぼけになっている様に見えるのもポイントである。この写真は周辺部のオレンジの部分はピントが合っているが、中央部の赤外写真に見えるところのピントが合っていない。実はカメラのレンズは可視光に合わせて設計されており、同じピントで赤外線で撮影するとピントがボケてしまうのだ。しかもこの写真は開放のf1.4での撮影であり、焦点深度は非常に狭い。このような理由で、ピントがボケているということも、赤外線写真である傍証になっている様に思える。
ということで、正直この時点では、オレンジ色のフィルターに可変NDを被せたインチキ商品ではないか、ともと思っていたのだが、その場合6.だけが納得いかない。
この疑問を解決するため、翌週またテストをしてみることにした。
可変赤外線フィルターを通常の赤外線フィルターと比較する
さて、通常時は赤外線写真とは思えない普通の写真が撮影され、一方でXムラの中央部には赤外線写真としか思えない写真が撮影されるというこの状況はかなり謎である。ということで、比較対象として通常の赤外線フィルターを購入してみることにした。とりあえず、こちらの4枚セット（720nm, 760nm, 850nm, 950nm）のフィルターを選んでみた。
まずはiPhoneで撮影した可視光の写真。上の4枚のフィルターが通常の赤外線フィルター（左から950nm, 850nm, 760nm, 720nm）で、下の1枚が可変赤外線フィルターである。通常の赤外線フィルターは全て、真っ黒な板のように見えるが、可変赤外線フィルターは濃いオレンジ色のフィルターであるように見えている。
では、IR76（760mm）のフィルターをつけた赤外線カメラ（Yashica EZ Digital F537IR、IR LED除去改造済み）で撮影するとこのようになる。
760nmのフィルターを通して撮影しているので、720nmと760nmの見かけの差がほとんど出ず、素通しのフィルターのように見えるのは当然。そして850nm, 950nmは順番に暗くなっていくのもわかる。どうやらこれらの固定波長の赤外線フィルターは、謳い文句通りの機能を発揮しているようである。
では、問題の可変赤外線フィルターの枠を回しながら、この赤外線カメラの動画機能で撮影してみよう。
ちょっと予想外の結果となった。ほとんど何の変化も見られないのだ。ということで、ファーストインプレッションの時に思った「オレンジ色のフィルターと可変NDフィルターを組み合わせただけのインチキ商品」という可能性は否定される。もしそのようなインチキ商品であるならば、この枠を回したときにも透過度の顕著な変化が見られるはずだからだ。
では、この通常タイプの4枚のフィルターと、可変フィルターの作例を比較してみよう。今回は比較を容易にするために、すべての写真で絞りと感度を固定し、シャッタースピードのみを可変としてみた。通常フィルターはバルブの長時間露出を含むため、何段階かマニュアルで露出をテストし、適正露出と思われるものを選んだ。可変フィルターではオートでシャッタースピードを決めている。
通常フィルター（720nm）, f2.8, 1/8s, ISO1600
通常フィルター（760nm）, f2.8, 1/2s, ISO1600
通常フィルター（850nm）, f2.8, 2s, ISO1600
通常フィルター（950nm）, f2.8, 8s, ISO1600
f2.8, 左1/3000s, 右1/2500s, ISO1600
f2.8, 左1/1700s, 右1/900s, ISO1600
f2.8, 左1/250s, 右1/5s, ISO1600
まず、通常型のフィルターでは、720nm, 760nm, 850nm, 950nmの各フィルターで全く異なる様相である。特に、可変フィルターのほぼ範囲内に含まれる720nmと760nmを取っても全く異なる作例となっている。特に植物の色が全く違っており、720nmではまだ通常写真の雰囲気を残しているが、760nmでは完全に赤外線写真における植物の輝きとなっている。
これに対して可変フィルターでは、やはりほとんど色調が変化することなく露出時間が穏やかに長くなっていき、750nmのところでは、530nmの目盛のところの露出時間のなんと600倍にいきなり変化し、Xムラの中心部では赤外線写真っぽい映像になっている。通常フィルターの写真と比較すると、色合いや植物の明るさなどは、760nmの写真に近く見える。
ということで、これらの実験結果から、このフィルターの本当の機能と動作原理が見えてきたぞ。
可変赤外線フィルターの実際の機能と動作原理の推定
このフィルターは、おそらく530nm「と」750nmの2つの波長のシャープカットフィルターとして動作するフィルターであると思われる。つまりスムーズにシャープカットの波長が移動するわけではなく、おそらく回転枠の90度ごとに、530nm→750nm→530nm→750nmと変化するフィルターなのだと考える。750nmに合わせたときは、Xムラの出ない望遠気味のレンズでは、おそらく本当に750nmの赤外フィルターとして利用できる可能性が高い。
まあ、530nmと750nmを変えられるフィルターということであれば、530nmと750nmの可変フィルターと呼んでも（まあ）間違いではないだろう。感心はしないがとりあえず嘘ではない。こうして考えると、フィルター枠に530nmと750nmの文字だけが記録されており、間の目盛には何も数字が振られていないのも、そのような理由ではないだろうか。
もし本当にこれならば、動作原理も推定できる。おそらく、530nmのオレンジ色のシャープカットフィルターのベースに、750nmのシャープカットの特性を持った染料で細かい縞模様を作ったフィルムを貼り付けた偏光板を作る。
このフィルターはおそらく以下の特性を持つ。
- 波長530nm以下の光は通さない
- 波長530nm〜750nmの光は直線偏光となって透過する
- 波長750nm以上の光は素通しになる（偏光もしない）
この偏光板を2枚重ね、片方を回転枠にして角度を調整できるようにすると、次のように動作すると考えられる。
- 縞模様が同じ方向を向いている角度：530nm以上の光が透過する
- 縞模様が直交している角度：750nm以上の光が透過する（ただし広角レンズで使うとXムラができ、オレンジ色に見える部分ができてしまう）
これだと、テストした結果をすべて説明可能である。おそらくこの原理で動作しているのではないだろうか。
この商品は「買い」か？
結論。「買い」ではない。
赤外線フィルターが欲しいのであればオレンジ色のフィルターとか不要なので赤外線だけをフィルターする機能があればいい。
また、連続的にシャープカット波長を動かせるのであれば意味があるが、そうでないのであれば複数枚のフィルターを用意した方がいい。また、750nmが上限では表現が限られる。800nm以上のフィルターも必要だろう。
そもそも広角レンズで使えないというのも考えものだ。風景の赤外線写真とか、広角で撮りたい場合が多いに決まってる。
ということで、今回比較対象として購入したこちらの通常型フィルターセットの方がずっとずっと「買い」である。
フィルター径のバリエーションが限られる（しかも時々在庫が切れるようだ）が、ステップアップリングで補完すれば良いだろう。
しかし世の中には「使える」という評価もあるぞ？（2024年12月12日追記）
自分としては、このフィルターは使い物にならない、という評価だったのだが、改めて検索してみると世の中には「使える」という評価もあるようだ。ということで、もう一度考えてみる。
おそらく、この動画の人と今回の自分のテストとの違いは、カメラ本体のローパスフィルター除去改造を行っているかどうか、ということなのではないかと思った。
話をわかりやすくするため、この530nmと750nmで作ったフィルターを、仮に480nm（Y2相当、黄色）と600nm（R1相当、赤）で作ったとしよう。
そうすると、2枚の偏光板が並行な場合、このフィルターはいかにもオレンジ色に見えることだろうし、直交方向に回していくと、600nmの赤色フィルターに近づくだろう。しかし、仮に平行時にオレンジ色に見えたとしても、それはオレンジ色のシャープカットフィルター（YA3に近い）とは異なり、赤色のシャープカットフィルターと黄色のシャープカットフィルターの組み合わせになるはずだ。
図に表すと次のようになる。目にはどちらも同じようにオレンジ色に見えるはずだが、スペクトル的には全く異なっている（カラー液晶画面が白く表示されていても、スペクトル的には赤と緑と青の3つの波長の山になっており、自然の白のように連続したスペクトルではないのと似ているかもしれない）。
この偏光板を2枚重ねると、うち1枚の回転に合わせて、透過度は次のように変化すると思われる。
まとめると次のようになる。
- おそらく、回転枠を回転させると、あたかもオレンジ色から赤に連続的に変化しているように見えるはず
- だが、それはオレンジ色と赤の間のショートカット波長が連続的に移動しているわけではなく、赤色と黄色の間の波長の光がまとめて暗くなっているだけである
この説明を今回の商品の仮説に当てはめてみると次の図のようになる。カメラ側のローパスフィルターの有無である。通常のデジカメはセンサー前にローパスフィルターという赤外線カットのフィルターが入っているが、これを除去しないと赤外線の感度が著しく低くなる。こちらの記事で使ったカメラは未改造であり、ローパスフィルターがある状態である。一方でうまく使えているかのように見えているケースでは、カメラはローパスフィルター除去改造を行なっているようだ。
この可変フィルターの角度を変えることで、可視光エリアを含む530nmから750nmの光は減っていく一方で、相対的に赤外線が目立つようになる。ところがローパスフィルターがある場合はこの赤外線がカットされるため、同じオレンジ色のまま光量が減っていくように見えるのだ。そして最後に一気に可視光部分を含む530nmから750nmがほぼゼロになった時に、ローパスフィルターがある場合（今回の実験）は、広角レンズゆえに発生したXムラの中心部に暗い赤外線写真が写るようになり、ローパスフィルターがない場合（うまくいっているように見える例）では、750nmフィルターで撮影した赤外線写真が撮影できるのだ。
だが、これは先ほどのオレンジと赤の連続変化フィルターのところで話した通り、決して530nmと750nmの間をシャープカット波長が連続的に移動していくわけではなく、750nmで撮影する赤外線写真に、530nmで撮影した画像をどれだけ混ぜるかを調整しているだけなのである。
これはこれで赤外線写真の「加減」を調整することにはなるため、一定の意味はあるのかもしれない。でもそれは530nmから750nmにシャープカット波長が移動しているわけではないことに注意するべきではあると思う。
ズームレンズでXムラの変化をチェックしてみる（2024年12月15日追記）
さて、Xムラは広角レンズで出やすいということだったので、では広角〜中望遠のズームレンズに取り付けて、750nmのところに目盛りを合わせてXムラの変化を観察してみた。利用したのはレンズはXF18-55mmF2.8-4 R LM OIS（フルサイズ換算28〜83mm相当）。
18mm（フルサイズ換算28mm）
23mm（フルサイズ換算35mm）
37mm（フルサイズ換算55mm）
55mm（フルサイズ換算83mm）
もしかすると750nmのところから少しずれていたのかも知れない。しかしこうしてみると、55mmでも周辺部にXムラの端が見えており、レンズの相性や、取り付けに使った58→62mmのステップアップリングが問題だった可能性もあるが、望遠域に至ってもXムラの影響が見えるというのはちょっと辛いと言えるだろう。
余談：赤外線写真とピント合わせ
実はデジタル一眼で赤外線写真を撮影したのは初めてなのだが（前回色々とハマっていた頃はコンデジで撮影していた）、ピント合わせに関してはなかなか面白いことがわかってきた。
カメラのレンズは、可視光での撮影を前提として設計されており、屈折率が大きく異なる赤外線の場合は可視光とだいぶピントがズレる。これは無限遠も同様なので、無限遠のフォーカスもずらす必要があるのである。今回、720nmのフィルターで、EVFを拡大して、少なくとも数十メートルは離れていると思われる場所にピント合わせをした結果がこちらだ。
数十メートル以上離れていれば、まあ無限遠に近いと思われるが、無限遠マークはピント合わせの中央から大きく外れている。昔のレンズは、この補正を行うための赤色の点のマークがレンズについていたものだが、現在のレンズにはないものがほとんどであろう。そもそもEVFがないと赤外写真の手動ピント合わせはまず無理なのだが、EVFがあれば画像を見ながら赤外線写真のピントを合わせられる。便利な時代になったものだ。
さらに気がついたことがある。720nmの時にピントを合わせたまま950nmまで撮影していったのだが、720nm（上）の時は合っていたはずのピントが950nm（下）では微妙にボケているような気もする。
もしかすると850nmや950nmでは、さらにもう少しピントを補正する必要があるのかもしれない（流石にEVFでも8秒露出とかいうレベルでは、暗すぎてピントを合わせられないのだ）。もう少し色々試してみたいな。
