もし、光学設計者が「CPLフィルター常時装着」を前提にレンズを作ったら！

はじめに

　この記事は、

のスピンオフ記事です。

　現代のカメラ用レンズは、信じられないほどの進化を遂げています。しかし同時に、あらゆる環境、あらゆる光に対応するために、レンズ枚数は増え、重く、巨大化し続けているのも事実です。

　ここで一つ、狂気的とも言える「思考実験」をしてみましょう。

「もし、最初から『CPL（偏光フィルター）を通した光しか入ってこない』という制限を、設計の絶対前提にしたらどうなるか？」

　「フィルターは後付けするもの」という常識を覆し、グランドデザインの段階からCPLの常時装着を仕様に組み込んだとき、実は現代のレンズが抱える限界を突破した「異次元の化け物レンズ」が誕生します。

　この刺激的なアイデアの背景には、私が愛用している暗室用の引き伸ばしレンズ「EL-Nikkor 50mm f2.8N」にCPLフィルターを組み合わせた、とあるシステムでの気づきがありました。

　今回は、光学設計の視点から「CPL前提レンズ」がもたらす4つのパラダイムシフトについて、ディープに紐解いていきます。

1. 色収差補正のパラダイムシフト 〜ガラスの枚数を劇的に減らせる理由〜

　現代の高性能レンズが重く高価になる最大の理由は、光の「色にじみ（色収差）」を消すために、EDガラス（特殊低分散ガラス）などの高価なレンズを何枚も組み合わせる必要があるからです。光は波長（色）によって屈折率が異なるため、これを1点に集めるのは至難の業なのです。

　しかし、CPLフィルターの常時装着を前提にすると、この設計の難易度が劇的に下がります。

　空気中の微粒子による乱反射（レイリー散乱）で発生する不規則な偏光（特に青色光の散乱成分）や、被写体の表面で発生する微細な雑音光は、写真のコントラストを下げ、色にじみを悪化させる原因になります。CPL前提のレンズでは、これらの「不規則なノイズ成分」が、レンズの第一面に到達する前に物理的にカットされます。

　最初から整流された綺麗な光だけがレンズ内に入ってくるため、光学シミュレーションにおける色収差補正の負荷が大幅に軽減されます。結果として、最小限のレンズ枚数で、現代の最高級レンズに匹敵する圧倒的なシャープネスと色再現性を両立した、極めて軽量コンパクトなレンズが設計可能になります。

2. 反射率0%への近道 〜内部反射・ストレー光の完全遮断〜

　レンズ設計者を最も悩ませる宿命の敵が、太陽などの強い光がレンズ内で跳ね返ってできる「ゴースト」や「フレア」です。これらはレンズ表面や、鏡筒の内部、絞り羽根の金属面で発生する「不要な反射光（ストレー光）」が原因です。

　通常であれば、何層もの高度なマルチコーティングを施すことでこれを抑え込みますが、CPL前提の設計なら、もっとエレガントな解決策が取れます。

　CPLを通過した光は、すべて「電場ベクトルの振動方向が揃った直線偏光」に統一されています。

　つまり、レンズ内部の壁（フレアバッフル）の遮光溝の角度や、絞り羽根の表面テクスチャを、この「特定の振動方向を持つ光を100%吸収・回折させる幾何学構造」として最適化設計するだけで、内部反射をほぼ完全にゼロに抑えることができるのです。

　高コストな多層膜コーティングに頼ることなく、太陽に向かってカメラを構えてもビクともしない、画面の隅々まで「漆黒のシャドウ」が表現できる超高コントラストレンズが実現します。

3. メカニカル設計の宿命 〜「前玉回転」の完全撤廃と内部偏光制御〜

　CPLフィルターは偏光軸の「角度」が命です。そのため、ピント合わせやズーミングによってレンズの先端（フィルター枠）が一緒にクルクルと回転してしまう構造（前玉回転式）は、設計段階で完全に排除されます。

　必然的に、レンズの内部だけでピントを合わせる「インナーフォーカス（IF）」や、フィルター枠が絶対に回転しないギミックが絶対条件となります。

　さらに設計を突き詰めるなら、フィルターをレンズの最前面にネジ込むのではなく、「レンズ群の内部（中間チェックポイント）」にCPLを内蔵（インサート）する設計すら可能になります。

　これにより、CPLフィルター自体の直径を極限まで小さくでき、広角レンズで発生しやすいフィルターの厚みによる「周辺光量落ち（ヴィニエッティング）」の計算も完璧にコントロールできるようになります。

4. 現代における「EL-Nikkor × CPL」という最適解への着地

　ここまでお話しした「CPL前提設計」の理想に、驚くほど近い動きをしているシステムがあります。それが、以前の記事「マイクロフォーサーズ × EL-Nikkor 50mm f2.8N × CPLフィルター」の組み合わせです。

　引き伸ばしレンズ（EL-Nikkor）は、もともと暗室という完全に管理されたフラットな光を前提に、歪曲収差（ディストーション）を極限までゼロにする設計がなされています。この「余計な色付けをしない実直なレンズ」に、光を整流するCPLフィルターを組み合わせるアプローチは、まさに「簡易的なCPL前提設計レンズ」のシミュレーターとして完璧に機能します。

　さらに、マイクロフォーサーズというセンサーサイズによって、レンズ中央の最も美味しい（美味しい）解像度部分だけを贅沢に切り取ることができます。

　歪みゼロのEL-Nikkorと、光を研ぎ澄ますCPLフィルターが交わったとき、現代の高級ズームレンズでは決して真似できない、画面の隅々の直線が一切たるまない「超現実的なデジタルアート」が完成するのです。

【補足】数式で証明する「CPL前提設計」の圧倒的アドバンテージ

　ここまでは直感的なイメージでお伝えしてきましたが、ここからは、この思考実験の正しさを光学物理の数式を使ってよりディープに証明してみましょう。なぜCPLをはじめから前提にするとレンズの設計限界を突破できるのか、2つの物理公式から紐解きます。

① 界面反射を激減させる「フレネルの公式」からのアプローチ

　光が空気（屈折率 n₁ ≈ 1.0）からガラス（屈折率 n₂）に入射するとき、その表面で発生する反射率は、光の振動方向（p偏光・s偏光）によって異なる挙動を示します。これを示したのがフレネルの公式です。

　入射角を θᵢ、屈折角を θₜ とすると、それぞれの反射率 Rs（s偏光成分）、Rp（p偏光成分）は以下の数式で表されます。

$$R_s= \left( \frac{ n_1\cos\theta_i-n_2\cos\theta_t }{ n_1\cos\theta_i+n_2\cos\theta_t } \right)^2$$

$$R_p= \left( \frac{ n_2\cos\theta_i-n_1\cos\theta_t }{ n_2\cos\theta_i+n_1\cos\theta_t } \right)^2$$

　ここで注目すべきは、p偏光（入射面に平行な振動成分）の挙動です。

　分母と分子の関係により、ある特定の角度でRpはゼロになります。この角度をブリュースター角 θB と呼びます。

$$\theta_B= \arctan \left( \frac{n_2}{n_1} \right)$$

このとき、

$$R_p=0$$

となり、理論上は反射率が完全にゼロになります。

　通常のレンズ設計では、あらゆる方向に振動する無偏光を扱うため、光の約半分を占めるs偏光（Rs）の反射にも同時に対処しなければなりません。その結果、複雑な多層ARコーティングが必要になります。

　しかし、CPL常時装着を前提にすると、入射光は特定の偏光方向へ制限されます。思考実験として考えるなら、レンズ設計者は「Rsの影響を減らし、Rpを最小化する方向へ設計を最適化できる」という発想が生まれます。

　これが、コーティング依存を減らしながら内面反射を抑制できる可能性を示す数学的なヒントです。

② 青空のコントラストを高める「レイリー散乱の偏光度」

　フォトウォークで青空のコントラストが向上するメカニズムも数式で説明できます。太陽光が大気中の分子によって散乱される現象はレイリー散乱と呼ばれます。太陽光が空気分子に衝突し、散乱角 θ の方向へ飛んだ光の偏光度 P(θ) は、次の式で表されます。

$$P(\theta)= \frac{ 1-\cos^2\theta }{ 1+\cos^2\theta }$$

ここで太陽と直角方向となる、
θ = 90°
を代入します。
まず、

$$\cos 90^\circ = 0$$

となるため、

$$P(90^\circ)=\frac{1-0}{1+0}=1$$

となります。
　つまり理想的なレイリー散乱モデルでは、太陽から90度方向の散乱光は100％偏光していることになります。
　一方で、排気ガスやチリ、水蒸気などの比較的大きな粒子によって発生するミー散乱は偏光度が低く、ランダムな方向へ乱反射します。
　これが写真の白っぽい霞やコントラスト低下の原因となります。

　CPLを用いて偏光成分を選択的に透過させると、理論上は偏光度の高いレイリー散乱光を優先的に取り込み、偏光度の低い迷光成分を減少させることができます。
　その結果、EL-Nikkorが持つフラットフィールド特性と組み合わさることで、画像処理による過剰なコントラスト強調とは異なる、自然で透明感の高い青空描写へ近づくことになります。

　もちろん実際の大気やレンズ系は理想条件ではありません。しかし物理モデルとして眺めると、CPLによって青空が深く見える理由は、この偏光度の差から非常に合理的に説明できるのです。

結論：制限が生む、究極のミニマリズム

　「何でも撮れる万能なレンズ」を作ろうとするあまり、現代のレンズは肥大化の道を歩んでいます。

　しかし、「CPLの常時装着」という一つの割り切り（制限）を設けるだけで、光学設計はここまでシンプルに、そして鋭く尖ることができます。

　万能さを捨てることで手に入る、圧倒的な軽量さと、狂気的なシャープネス。

　私が今日手にして歩いた風変わりなシステムは、もしかしたら、私たちがまだ見ぬ「未来の光学の姿」を少しだけ先取りしていたのかもしれません。

　皆さんもぜひ、お気に入りのオールドレンズにCPLフィルターを1枚重ねて、光を「整流」する快感を味わってみませんか？

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