Nikon Z9：ローリングシャッター歪み（DXフォーマット編）

2021年。Nikonからミラーレス一眼のフラグシップとしてZ9が発売されました。世間を驚かせたのは、あのNikonが長い一眼レフの歴史でこだわり続けたメカニカルシャッターをあっさりと排除したことです。民生用のフルサイズミラーレスでは世界初のようです。保守的と思われていたNikonにしては思い切った仕様です。

本当にメカニカルシャッターレスで大丈夫か
ローリングシャッター歪みテスト
- 撮影機材
- 方法
ターゲット
SH-06F
総評

本当にメカニカルシャッターレスで大丈夫か

他社ミラーレスもNikonの他の機種も、ミラーレスではあってもメカニカルシャッターレスではありません。ローリングシャッター歪みと呼ばれる問題が発生するため、そう簡単にはメカニカルシャッターをなくすことはできないのです。

撮像素子は数千万個のピクセルで構成されていて、ローリングシャッター方式の撮像素子はそれを同時に読みだすことはできず、テレビの走査線のように順番に読み取って行きます。そのため、読みはじめから読み終わりまでに幾ばくかの時間がかかります。その間に被写体が動くとズレが生じ、変に歪んだ画像になります。
特に高速に左右に動く縦棒や、回転するプロペラなどで顕著に見られます。

解決策として、メカニカルシャッターを使うか、ローリングシャッターのスキャン速度を上げるしかありません。そのほかにもグローバルシャッター方式といって、撮像素子の全ピクセルと一気に読むものが開発されていますが、まだ高価であり、技術的にクリアしなければならない問題がたくさんあります。

Nikonの決断は、スキャン速度を大幅に上げてメカニカルシャッターの幕速度と同等なスキャン速度を持った撮像素子を使い、メカニカルシャッターを完全に排除することでした。

メカニカルシャッターはもはやミラーがなくなったミラーレスカメラの中で絞り機構を除いて唯一機械的な動作をする部品です。機械的な動きは騒音を発生し、また、機械的な動きをするということは壊れやすいということです。信頼性が高いことで定評があったNikonも、一眼レフ時代で一番故障したのがミラーやシャッターなどの機械的に動くユニットでした。機械的な部品には必ず寿命があるのです。特にプロカメラマンは一般の方々より何十倍も何百倍もシャッターを切るので、定期的なシャッターユニット交換が必要でした。
そのため、Z9がメカニカルシャッターレス仕様になるということは、プロカメラマンやハードユーザーには歓迎されたものの、ローリングシャッター歪みがどの程度抑えられているのかが懸念されるポイントでした。

メカニカルシャッターでも、物理的にシャッター幕が縦に走行するので、ローリングシャッター歪みと同様な歪は発生します。しかし、一般的には電子シャッターのスキャン速度よりもメカニカルシャッターの幕速の方が圧倒的に速かったため、問題にはなりませんでした。

NikonがZ9をメカニカルシャッターレス仕様で出して来たということは、おそらく電子シャッターのスキャン速度がメカニカルシャッターの幕速とほぼ同等になったということなのでしょう。

ローリングシャッター歪みテスト

電車や車程度の速度では、Z9のローリングシャッター歪みはほとんど検証できませんでした。ヘリコプターのローターは300 rpm前後、プロペラ機のプロペラの回転数でも2000 rpm程度です。この程度の回転数では、Z9で撮影してもほとんど歪まず、かなりスキャン速度が速そうだ、ということくらいしか分かりません。

撮影機材

もう少しターゲットの回転速度を上げて、様々な仕様のカメラで比較してみようと思います。
比較対象のカメラとして、わが家で作動する以下のちょっと古い機種から最新のZ9までを使用してみました。

一眼レフ代表：D500
Nikon最初のミラーレス：Nikon1 V1
DXフォーマットのZ代表：Z50
Zのフラグシップ代表：Z9
参考：スマートフォン代表：SH-06F

ポイントはメカニカルシャッター搭載のD500の歪にZ9がどのくらい迫れるのかというところと、メカニカルシャッターを搭載しているミラーレスであるZ50との比較です。
D500やZ50と比較するため、Z9はDXフォーマットでテストしました。

方法

バッテリー駆動のモーターではバッテリーの状態によって回転数が変化してしまうので、AC電源で作動する彫金用のリューターを固定して先端に放射状の線を描いた円盤を取り付け、一定速度で回転させたものを各カメラで撮影して画像を比較します。

ターゲット

中心から12本の黒い線を描いた直径8㎝の円盤を自作しました。
中央は黒く塗り、1ヵ所正方形の白抜き部を設けました。これは回転数計測用です。

比較実験をしたい方に、A6（ハガキサイズ）印刷用のPDFデータを設置しておきます。ご興味がある方はダウンロードしてご自由にご利用ください。
自分は厚紙のハガキ用紙に印刷したものを丸く切り抜いて中央に穴を空け、M3のボルトナットで固定したものをリューターのチャックに差し込んで使用しました。

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回転数

プロペラ機のプロペラの回転速度はせいぜい1000～2000 rpm程度です。そのくらいの速度であれば、Z9ではほとんどローリングシャッター歪みは観察されません。

Z9でプロペラ機を撮影した経緯から、2000 rpm程度ではほとんど歪は発生しないことがわかりました。あえて歪を出すためにそれよりも高い回転数で安定した装置を探したところ、手持ちの機材ではリューターが適合することが判明しました。
PROXXONのTYP28510という製品です。仕様書には5000～20000 rpmと書かれています。

回転速度はコントロールできますが、最低速度を計測すると約5600 rpmであり、その状態でテスト撮影するとD500でも十分な歪みが発生することがわりました。このくらいの回転速度であれば、メカニカルシャッターレベルの幕速でも歪みが記録できそうなので、各カメラでも同じ条件で撮影することとしました。

回転数の計測

非接触型回転数計測機（ ‎FCMADE 社製 ‎FMTDT2234C ）を使用し、ターゲット中央近くの白抜き部を狙って回転数を計測しました。リューターの軸にも反射テープを貼り、その数値と比較してほぼ同じであることも検証しています。

FOCUSMART 非接触式レーザー測定タコメーター

非接触型の回転数計測機です。
こんな安価な機械でも立派なタコメーターです。
1回転に1ヵ所他より反射率が高い5mm四方位の部位を設置すると、レーザー光線を当ててその反射明暗を計測して瞬時に回転数をrpmで表示してくれました。
銀色のテープも付属しているので、それを5mmほど切って計測したいものに貼るだけで計測できます。明暗が計測できれば良いので、黒地に適度な大きさの白い四角でも計測できます。
一家に一台タコメーター！（普段は使うことはないと思いますが）

照明

シャッター速度を上げられるよう、至近距離から撮影ライト（SmallRig社製SR3936 [RC-120D COBビデオライト]）を照射しました。

SmallRig社製SR3936 [RC-120D COBビデオライト]

SmallRig社製SR3936 [RC-120D COBビデオライト]
室内撮影でいつも使用しているライトです。
CRIが95以上なので、色の再現性が高いのが特徴です。人物撮影、商品撮影など、あらゆるシーンで活躍しています。
輝度も大変高いので、静止画でも高速シャッターが切れるので、最近はストロボの出番が少なくなって来ました。

撮影

円盤が画面いっぱいに写るように距離または焦点距離を変更して、ISOオートのマニュアル露出モードで撮影しました。基本的には絞り開放で、シャッター速度は適宜変更しました。カメラ機種によって使用可能なシャッター速度は異なります。

結果

D500

DXフォーマットのフラグシップとして君臨したD500を使用し、メカニカルシャッターの1/8000 sで撮影しました。おそらく一眼レフの中でも幕速が速いと思われるD500でも、約5600 rpmで回転する放射状のパターンはこのくらいの歪みが発生します。一眼レフでもこのくらいが限界なのでしょう。

しかし、プロペラ機のプロペラでも2000 rpm程度ですし、プロペラだけを画面いっぱいに写すことはあまりないと思います。事実上一般的な被写体で困ることはないでしょう。今回はいじわるな設定ですが、メカニカルシャッターを有するD500でも歪みが発生するくらいの被写体の回転速度であり、これが他の機種に対する基準となります。

Nikon1 V1

販売終了となってしまいましたが、Nikonのミラーレスカメラの先駆けとなるNikon初のミラーレスカメラです。Nikonは「アドバンスドカメラ」と呼んでいましたが、実質は1インチCCDの小型ミラーレスカメラです。

Nikon１は、初期にV1とJ1という機種が販売になり、V1はメカニカルシャッターと電子シャッターが使えます。J1は電子シャッターのみの仕様です。
2011年発売なので、当時のローリングシャッターのスキャン速度は遅く、高速で動いているものを電子シャッターのみで撮影するのは困難だったのでしょう。そのため、よりマニア向けのV1にはメカニカルシャッターが必要だったのだと思います。

V1でメカニカルシャッターを使って撮影した画像と電子シャッターで撮影した写真の歪みの違いは一目瞭然です。

**V1メカニカルシャッター**
Exposure Time : 1/4000
F Number : 5.0
Exposure Program : Manual
ISO : 800

10年以上前に発売された機種と比較するのは酷かと思いましたが、メカニカルシャッターでの歪みが驚異的に少なく驚かされました。V1のシャッター速度の上限が1/4000 sなのでブレてはいますが、歪みはD500と同等かむしろ少ないように見えます。D500がAPS-Cサイズであり、V1が1インチなのでシャッターの走行距離が短くなるからでしょうか。Nikon社は昔からシャッターにこだわりがあるので、おそらく1インチシリーズのNikon1でも妥協を許さず、通常の一眼レフと同等の性能を求めたのでしょう。見事です。

**V1電子シャッター**
Exposure Time : 1/4000
F Number : 5.0
Exposure Program : Manual
ISO : 800

電子シャッターでも1/4000 sのシャッターが切れますが、ローリングシャッター歪みが顕著に現れます。もはや放射状のパターンだったことは分からないくらい変形して写っています。

Z50

Z50はフルサイズ化されるZシリーズの中で最初に登場したDXフォーマットのミラーレスカメラです。Z50もメカニカルシャッターを持ち、メカニカルシャッターでも電子シャッターでも撮影できます。

**Z50メカニカルシャッター**
Exposure Time : 1/3200
F Number : 6.3
Exposure Program : Manual
ISO : 500

Z50も新世代のNikonミラーレス一眼の唯一のDX版として作られた機種ですから、メカニカルシャッターへのこだわりがあったようで、D500に負けずとも劣らない歪みの少ない写真になりました。

**Z50電子シャッター**
Exposure Time : 1/3200
F Number : 6.3
Exposure Program : Manual
ISO : 500

一方で電子シャッターのスキャン速度はかなり遅いようで、激しく歪みます。使い分けが必要でしょう。高速で動く被写体の撮影ではメカニカルシャッターが必須です。

Z9

いよいよNikonミラーレス一眼のフラグシップZ9です。
2021年末に満を持して登場したZ9は、思いきり良くメカニカルシャッターを廃し、電子シャッターのみの仕様になりました。しかし、Nikonのカメラは昔からスポーツ写真や報道写真など、プロの領域で多用されているカメラです。そのため、たとえ電子シャッターでも一眼レフと遜色ない低歪みでないとフラグシップとして世に出すわけにはいかないでしょう。メカニカルシャッターの幕速と同等かそれ以上のスキャン速度が実現されない限り、動体撮影では使えないカメラになってしまい、それはカメラとしては致命的です。はたして……。

**Z9電子シャッター**
Exposure Time : 1/32000
F Number : 5.6
Exposure Program : Manual
ISO : 2200

素晴らしい結果です。
驚くべきことに、電子シャッターのみでD500と同等の歪みに抑えられています。このレベルの歪みに抑えることができればメカニカルシャッターを廃止することも可能でしょう。
勇気ある決断だったと思いますが、これは大いに歓迎すべき仕様です。ミラーレスなので、もちろんミラーはありませんし、その上メカニカルシャッターもなくなると、実質壊れる箇所がなくなるということになります。仕事としてカメラを使っていると、メーカー公表のシャッターユニットの耐久回数はすぐに超えてしまい、壊れる可能性を常に心配しながら使うことになります。これは精神衛生上良くないことです。Z9になってからはもうその心配とは無縁になります。

ちなみに、歪みとは直接関係ありませんが、Z9は1/32000 sまでのシャッター速度が使えるので、5600 rpmで高速回転しているターゲットもほぼ止まったように写すことができました。

SH-06F

興味本位でスマホでも撮影してみました。

すでに10年以上前のスマホです。
相当ひどいことになるかと思いきや、意外や意外、Z50の電子シャッターと同等の歪みのように見受けられます。800万画素という少ない画素数で1/4インチという小さい撮像素子が、スキャン速度に関しては有利に働いているのでしょう。

総評

一眼レフなどのフォーカルプレーンシャッターには歪みはないと誤解されていることも多いようですが、電子シャッターのスキャン速度よりもメカニカルシャッターの幕速の方が速いので、歪みが「少ない」というだけで、有限の速度で走行する以上、必ず歪んでいます。
ただ、数年前までは、電子シャッターのスキャン速度はメカニカルシャッターの幕速より桁違いに遅かったので、スマホや小型CCDのカメラでしか完全電子化はできませんでした。そんな中、堅実で保守的という企業イメージのNikonからメカニカルシャッターレスのミラーレスフラグシップが登場したことが世界を驚かせました。

メカニカルシャッター走行方向と電子シャッターのスキャン方向

実験するまで知りませんでしたが、メカニカルシャッターと電子シャッターの歪みパターンが逆に出ています。メカニカルシャッターのシャッター幕走行方向と電子シャッターのスキャン方向は逆なようです。

メカニカルシャッターの走行は撮像素子の直前で上から下に走行するものだと思っています。像は倒立像になっているので、像で言うと下から上の走行に相当します。全開速度を超えると先幕が開ききる前に後幕が閉じ始めるので、フィルムや撮像素子の前をスリットが走行するような形になります。

ターゲットの円盤の回転方向は反時計回りなので、今回テスト撮影したメカニカルシャッターによる歪み像は、すべてカメラの上から下、像で言うと下から上に走行していると想定すると納得できる歪みパターンです。

撮影像の6時の方向のターゲットの黒線を想定すると分かりやすいでしょう。下からスリット状のシャッターが走行すると（像は倒立像なので、実際のシャッターは上から下）、スリットの移動とともに黒線は反時計回りに回って行くので、右の方にずれて行きます。走行が中心を超えて上半分の領域では回転とともに左にずれて行くと考えると納得できます。像でいうと下から上（カメラ内では上から下）への走行の場合は、どんなに幕速が速くても、多かれ少なかれこのような歪みパターンになります。

一方、電子シャッターの歪みパターンは、像で言うと上から下、カメラ内部では下から上にスキャンしていると発生する歪みパターンです。

こちらは撮影像の12時の方向の黒線を想定すると分かりやすいでしょう。上からスキャンがはじまり、下に向かうにつれて黒線は反時計回りに回転してしまうので、スキャンラインと黒線が交わる位置は左にずれて行きます。中心を超えて下半分は6時の方向に伸びる黒線で考えると、スキャンに伴って黒線との交点はどんどん右にずれて行きます。そう考えると、電子シャッターは像の上から下、カメラ内部では下から上にスキャンされていると考えるのが順当のようです。

なぜメカニカルシャッターと電子シャッターの方向が逆なのでしょう。電子シャッターのスキャン方向は状況に応じてどちらにも切り替えて使えるのでしょうか。例えば、電子先幕など、メカニカルシャッターと電子シャッターの複合シャッターの場合は、同じ方向に揃えないとうまく行かないように思います。その場合はメカニカルシャッターの方向に合わせているのでしょうか。単に読み取る方向の制御なので、ソフト的にどうにでもなりそうな気もします。純粋に電子シャッターのみの場合に下から上のスキャンになるのかもしれません。
確かに像で考えて上から下へのスキャンの方がイメージ的には自然な感じはします。テレビやモニターなどの表示機器のスキャン方向に合わせているのかもしれません。

いずれにしても、Z9はメカニカルシャッターを排除したので、いかなる状況でも電子シャッターのみで撮影します。スキャン方向はどちらでも良いのでしょうが、他の機種と方向を合わせたのでしょう。

メカニカルシャッターとZ9電子シャッターとの比較

D500
Nikon1 V1
Z50
Z9

メカニカルシャッターで撮影した他機種はすべて歪みは少なく、様々な時代の様々なサイズの撮像素子ですが、一定水準を保っています。そのためにわざわざメカニカルシャッターを付けているので当たり前なのでしょうが、歪みは最小限に抑えられています。
Z9はパターンの方向が逆ですが、電子シャッターのみでも驚くほど歪みは少なく、全開速度1/250 sを誇るD500のメカニカルシャッターと遜色ないスキャン速度を実現しているということが分かります。

他機種電子シャッターとの比較

Nikon1 V1
Z50
SH-06F
Z9

製造年度や撮像素子のサイズが異なるので、単純比較はできませんが、驚異的に歪みが少ないことが分かります。DXで同じサイズはZ50になりますが、一線を画しています。

ここまで実験して、Nikonがあっさりと（実際は簡単ではなかったと思いますが）メカニカルシャッターをなくした決断に納得しました。同社のメカニカルシャッターと同等もしくはそれ以上の性能をたたき出せたということなのでしょう。
歪みが同等であれば、プロやヘビーユーザーにとって、メカニカルシャッターレスの仕様は良いことずくめです。
まずは「壊れない」という安心感は絶大です。何十万回シャッターを切ろうと、劣化する部品がほとんどありません。Z9はどこが最初に壊れるのでしょう。想像もできません。もしかすると、シャッターボタンの接点とか、コマンドダイアルとか、いままで想像していなかった、残された物理的に動くパーツが最初の故障個所になるのかもしれません。
また、シャッターブレが皆無です。特にマクロ撮影や超望遠レンズ使用時はメカニカルシャッターの振動は大きく影響します。ミラーレスになって一番大きなミラーブレがなくなり、Z9からはシャッターブレも排除されました。
昨今の強力な手ブレ補正機構と相まって、今までとは次元が異なる手ブレ補正効果が発揮できています。800mmの超望遠レンズを使った手持ち撮影で、1/100秒以下のシャッター速度が使えるのは、思い切ってメカニカルシャッターレスにした恩恵を大いに受けていると思います。

デジタルカメラは今後、全画素同時読み出しが可能なグローバルシャッターに移行していくのかもしれませんが、一眼レフで特に問題が発生していなかった速度域の被写体に対しては、当面はスキャン速度が速いローリングシャッター方式で十分であると言えるでしょう。ローリングシャッター方式の撮像素子としては、究極の完成域に近付いているのではないでしょうか。
グローバルシャッターで、高速回転のターゲットでも全く歪みのない放射状パターンに写ったらそれなりに感動するとは思いますが、コストや感度などの問題がまだあると思いますので、もう少し待つ必要がありそうです。

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