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光学において、色収差( CA ) は、色歪み、色収差、色フリンジ、紫フリンジとも呼ばれ、レンズがすべての色を同じ点に集束できない現象です。[ 1 ] [ 2 ]これは分散によって引き起こされます。レンズ要素の屈折率は光の波長によって変化します。ほとんどの透明な材料の屈折率は波長が長くなるにつれて減少します。[ 3 ]レンズの焦点距離は屈折率に依存するため、この屈折率の変化は集束に影響を与えます。 [ 4 ]レンズの焦点距離は光の色によって変化するため、異なる色の光はレンズから異なる距離または異なる倍率で集束されます。色収差は、画像の暗い部分と明るい部分を分ける境界に沿って色の「フリンジ」として現れます。
色収差には、軸上（縦方向）色収差と横方向（横方向）色収差の2種類があります。軸上色収差は、異なる波長の光がレンズから異なる距離に集光される（焦点シフト）場合に発生します。軸上色収差は、焦点距離が長い場合に典型的です。横方向色収差は、レンズの倍率や歪みが波長によって変化するため、焦点面上の異なる位置に異なる波長の光が集光される場合に発生します。横方向色収差は、焦点距離が短い場合に典型的です。曖昧な略語LCAは、縦方向色収差と横方向色収差の両方を指す場合に使われることがあります。[ 3 ]
2 種類の色収差は特性が異なり、同時に発生することもあります。軸方向色収差は画像全体に発生し、光学エンジニア、検眼医、視覚科学者によってジオプトリーで指定されます。[ 5 ]絞りを絞る ことで軽減できます。絞りを絞ると被写界深度が増し、異なる波長が異なる距離に焦点を合わせても、許容範囲内の焦点になります。横方向色収差 (TCA) は光学系の光軸 (通常は画像の中心) 上には発生せず、光軸から離れるにつれて増加します。これは、レンズの倍率が光の色ごとに異なることが原因であるため、絞りを絞っても影響を受けません。
デジタルセンサーでは、軸方向色収差（CA）は、赤色と青色の平面が焦点ずれを起こす（緑色の平面が焦点が合っていると仮定した場合）という結果になり、後処理で修正するのは比較的困難です。一方、横方向色収差（CA）は、赤色、緑色、青色の平面の倍率が異なる（幾何学的歪みのように、半径に沿って倍率が変化する）という結果になり、平面を半径方向に適切に拡大縮小して位置を合わせることで修正できます。
レンズの初期の使用では、可能な限りレンズの焦点距離を長くすることで色収差を低減しました。たとえば、これにより17世紀の非常に長い空中望遠鏡のような極めて長い望遠鏡が作られました。アイザック・ニュートンは、白色光が色のスペクトルで構成されているという理論から、光の不均一な屈折が色収差を引き起こすという結論に至りました（そして、1668年に最初の反射望遠鏡であるニュートン式望遠鏡を製作しました。[ 6 ]）。
現代の望遠鏡、およびその他の反射屈折式・反射屈折式望遠鏡システムは、色収差のない鏡を引き続き使用している。
色収差を最小限に抑えることができる最小錯乱円と呼ばれる点が存在します。 [ 7 ]異なる分散特性を持つ材料を組み合わせて複合レンズを形成するアクロマートレンズを使用することで、色収差をさらに最小限に抑えることができます。最も一般的なタイプは、クラウンガラスとフリントガラスで作られた要素からなるアクロマートダブレットです。これにより、2つの波長における収差が完全に補正され、近傍の波長範囲における色収差の量が減少します。異なる組成のレンズを2つ以上組み合わせることで、補正の度合いをさらに高めることができ、3つの波長で完全な補正を提供するアポクロマートレンズに見られます。一般に、3つの波長で補正すると、他の波長での誤差はかなり小さくなりますが、低分散ガラスで作られたアクロマートは、より一般的なガラスで作られたアポクロマートよりも優れた補正を提供する場合があります。[ 8 ]
色収差を低減するために、多くの種類のガラスが開発されてきました。これらは低分散ガラスであり、特に蛍石を含むガラスが有名です。[ 9 ]これらのハイブリッドガラスは光学分散が非常に低く、これらの物質で作られた2つの合成レンズだけが高レベルの補正を実現できます。[ 10 ]
アクロマートレンズの使用は、光学顕微鏡や望遠鏡の開発において重要な一歩であった。
アクロマティックダブレットの代替として、回折光学素子の使用が挙げられます。回折光学素子は、基本的に平坦な光学材料のサンプルから任意の複雑な波面を生成することができます。[ 11 ]回折光学素子は、光学ガラスやプラスチックの正のアッベ数とは相補的な負の分散特性を持っています。具体的には、可視光領域では、回折光学素子は負のアッベ数-3.5 を持ちます。回折光学素子は、ダイヤモンド旋削技術を使用して製造できます。[ 12 ]
色収差を最小限に抑えるために回折素子を使用した望遠レンズは、キヤノンとニコンから交換レンズカメラ用に市販されており、これらには以下が含まれます。800mm f / 6.3 、500mm f / 5.6 、 ニコンの300mm f/4モデル（「フェーズフレネル」またはPFというブランド名）と、800mm f / 11 、600mm f / 11、キヤノン製の400mm f /4モデル（「回折光学」またはDOとして販売）は、同等の仕様の従来の光学系よりも軽量かつ小型で、色収差を低減したシャープな画像を生成するため、野生動物写真家から概ね高く評価されている。[ 13 ]
接触した2枚の薄いレンズからなるダブレットの場合、レンズ材料のアッベ数を使用して、色収差の補正を確実にするためのレンズの正しい焦点距離を計算します。 [ 14 ]黄色のフラウンホーファーD線（589.2 nm ) がf 1とf 2である場合、最適な補正は次の条件で行われます。 ここで、V 1とV 2はそれぞれ第1レンズと第2レンズの材料のアッベ数である。アッベ数は正であるため、条件を満たすには焦点距離のいずれかが負、つまり発散レンズでなければならない。
ダブレットレンズ全体の焦点距離fは、接触している薄レンズの標準式で与えられる。 そして上記の条件により、これが青色と赤色のフラウンホーファーF線とC線の光に対するダブレットの焦点距離となることが保証されます（486.1 nmとそれぞれ656.3 nm）。他の可視光の波長における焦点距離はこれと似ていますが、完全に一致するわけではありません。
色収差は、適切なレンズ度数が選択されていることを確認するために、二色眼検査で使用されます。患者は赤と緑の画像を見せられ、どちらがより鮮明か尋ねられます。処方が正しければ、角膜、水晶体、処方されたレンズは、赤と緑の波長を網膜のすぐ前と後ろに焦点を合わせ、同じ鮮明さで見えます。レンズが強すぎたり弱すぎたりすると、一方は網膜に焦点を合わせますが、もう一方はそれに比べてはるかにぼやけて見えます。[ 15 ]
色収差によって画像の詳細が永久に失われる一方で、デジタル後処理で画像を再構築できる可能性がある。[ 16 ]理想的な状況では、横方向の色収差を除去または補正するための後処理には、フリンジカラーチャネルをスケーリングするか、フリンジチャネルのスケーリングされたバージョンの一部を減算して、最終画像ですべてのチャネルが空間的に正しく重なり合うようにすることが含まれる。[ 17 ]
色収差は焦点距離などとの関連性が複雑なため、一部のカメラメーカーはレンズ固有の色収差補正技術を採用しています。主要なカメラメーカーはほぼすべて、カメラ本体と独自のソフトウェアの両方で何らかの色収差補正機能を提供しています。PTLensなどのサードパーティ製ソフトウェアツールも、膨大なカメラとレンズのデータベースを活用して、複雑な色収差補正を実行できます。
実際には、理論的に完璧な後処理ベースの色収差低減・除去・補正システムであっても、光学的に色収差が適切に補正されたレンズほど画像の詳細度を高めることはできません。その理由は以下のとおりです。
上記は撮影される特定のシーンに密接に関係しているため、プログラミングや撮影機器（カメラやレンズのデータなど）に関する知識をどれだけ駆使しても、これらの制約を克服することはできません。
「パープルフリンジ」という用語は写真でよく使われますが、すべてのパープルフリンジが色収差によるものではありません。ハイライト周辺の同様の色のフリンジは、レンズフレアによっても発生する可能性があります。ハイライトや暗い領域の周りの色のフリンジは、異なる色の受容体のダイナミックレンジや感度が異なるために発生する可能性があります。そのため、1つまたは2つのカラーチャンネルではディテールが保持される一方で、他のチャンネルでは「白飛び」したり、記録されなかったりします。デジタルカメラでは、特定のデモザイキングアルゴリズムがこの問題の見かけ上の程度に影響を与える可能性があります。このフリンジのもう1つの原因は、各センサーピクセルにより多くの光を集めるために使用される非常に小さなマイクロレンズの色収差です。これらのレンズは緑色の光を正しく焦点を合わせるように調整されているため、赤と青の焦点が正しくないと、ハイライト周辺にパープルフリンジが発生します。これはフレーム全体に均一な問題であり、コンパクトカメラやスマートフォンで使用されているような非常に小さなピクセルピッチのセンサーでより顕著になります。パナソニックのLUMIXシリーズや、ソニー、ニコン、キヤノンの最新のデジタル一眼レフカメラやミラーレスカメラなど、一部のカメラには、それを除去するために特化した処理工程が搭載されている。
デジタルカメラで撮影した写真では、非常に小さなハイライト部分に色収差が生じているように見えることがよくありますが、これは実際にはハイライト画像が小さすぎて3色すべてのピクセルを刺激できず、誤った色で記録されているためです。ただし、これはすべての種類のデジタルカメラセンサーで発生するわけではありません。また、デモザイク処理アルゴリズムによって、問題の見え方が変わる場合もあります。
色収差は白黒写真にも影響を与えます。写真には色は含まれていませんが、色収差によって画像がぼやけてしまいます。色収差は、狭帯域カラーフィルターを使用するか、単一のカラーチャンネルを白黒に変換することで軽減できます。ただし、後者の場合は露光時間が長くなり（結果として画像も変化します）。（これはパンクロマチック白黒フィルムの場合のみ当てはまります。オルソクロマチックフィルムは既に限られたスペクトルにしか感度がないため。）
色収差は電子顕微鏡にも影響を及ぼしますが、異なる色が異なる焦点を持つのではなく、異なる電子エネルギーが異なる焦点を持つ場合があります。[ 18 ]
