レンズの性能指標である収差を概念的に説明するシリーズ記事です。
収差の中でも本項では「軸上色収差」について図やシミュレーションを使い簡単でわかりやすく紹介します。
なお、他の収差に関する解説記事をお探しの場合は、以下をご参照ください。
収差と軸上色収差
まず、収差とはレンズの性能指標を表す言葉で、理想的な結像関係とのズレ、すなわち「光の集まり具合」を示す指標です。
カメラのレンズは、「被写体」から放たれる光を正確に撮像面(フィルムやCMOS)へ「集光」させることを目的としています。
しかし、正確に集光させることは難しく、どうしてもズレるそのわずかな量を「収差」と呼びます。
この収差は、特徴ごとに分類されそれぞれに名称が付けられています。
初回の記事では球面収差について紹介しましたが、今回は「色収差」についての解説になります。
色収差とは、写真を拡大すると見えてくる「色のにじみの事だ」と体感的にご存じの方も多いのではないでしょうか。
さらに詳しく色収差は「軸上色収差」と「倍率色収差」に分けて表現されます。
本項では、できるだけ簡単な概念として理解できるようにまずは「軸上色収差」について解説したいと思います。
まずは想像してみましょう
あなたが、天気の良い昼間に散歩していると「真っ黒な壁に点」が白いペンキで描かれていました。
あなたはこの真っ黒な壁を写真に撮ってみました。
撮影後、改めて写真をよく見てみると、画面中心の白点には、赤や青のリング状のにじみが出ています。
画面隅の点に至っては、もはや丸でもないような不思議な形のにじみができています。
上図は、ちょっと誇張しすぎたかもしれませんが…
軸上色収差と倍率色収差
先ほどの事例で紹介した”画面ど真ん中の色のにじみ”が「軸上色収差」です。
画面の隅に現れる”周辺のいびつな色にじみ”は「倍率色収差」と言われます。
実際に写真の中央部分を拡大し、軸上色収差を確認したのがこちらです。
この写真のレンズに刻印されている白文字に着目してください。
「OM-SYSTEM~」と刻印された銘版部の白文字の周囲には赤紫の輪郭が付いています。
実際の製品は真っ白い文字なので、この赤紫の色味は軸上色収差による物です。
本項ではまず「軸上色収差」の説明を行います。
光の色ってなんだろう
深く考えると難しい問題なのですが、最初に「光の色」から説明します。
光には種類があり、人の目(脳)はその種類の違いを「色」と言う概念で感じています。
では、具体的に光の何によって人の脳が様々な色を感じる(反応する)のでしょうか。
物理的に光の種類を分類するには「波長(振動)の違い」として表現します。
この、波長(振動)の違いが「刺激の違い」となり、結果として「色の違い」と言う脳の反応に繋がっています。
この波長(振動)とは何か？を概念的に表現すると、「光と言うものは粒状で”ぶるぶる振動”しており、振動が細かい(プルプル)な物もあれば、振動が荒い(ブルンブルン)な物もある」とイメージすれば良いでしょう。
波長が短く細かく振動するプルプルな光は「青」に見え、波長が長く荒く振動する光はブルンブルンな光は「赤」に見えます。
余談ですが、こんな表現をするのは日本で私だけですから、もしも物理の試験で回答に利用すると不合格とされるかもしれませんね。
では、光の波長(振動)と色の関係を図で表現してみます。
上図では、光と色の関係を概念的に理解するために模式図で表しています。
光の波長(振動)はナノメートル[nm]と言う単位で表現され、振動の細かい側である450nmあたりは青く見えます。
400nmあたりは紫に見え、さらに小さくなると人の目では見えなくなり、紫よりも外側の意味で「紫外線」と言われる波長領域になります。聞いただけでなんだかお肌に悪そうですね。
一方の振動が荒い側の700nmあたりは赤く見えます。さらに図の右750nmを超えると一般の人には見えなくなります。赤よりも外側の意味で「赤外線」と言われる領域です。聞いただけでなんだかホカホカしてきますね。
太陽光のような「白い色の光」にはあらゆる種類の振動(波長)が含まれています。
また、特定のいくつかの波長には名前が付いており、例えば「波長588nmの光にはd線」と言う名前が付いています。
なお、慣例としてカメラ用レンズの収差図は、d線、g線、C線、F線と言う名の4種で表現するのが一般的です。この4種の波長も合わせて図に記載しておきました。
まずは１枚のレンズで考える
簡単のため1枚のレンズによるシミュレーションによって軸上色収差を見てみましょう。
上図は、まったく同じレンズに波長の異なる2種の光を通した時の光路図です。
レンズの仕様は焦点距離100mm、FnoはF5.0としました。
2つの波長の光は、400nm(青)と750nm(赤)になります。人目で見える赤と青の限界点付近です。
レンズを通過する光は、波長が異なると屈折する量(角度)が変わる特性があるため、結果的にピントの位置がずれます。
なお、光路図の基礎については別記事を準備してあります。そちらの解説も合わせてお読みいただけると理解がより深まるでしょう。
関連記事：光路図を図解
縦収差図で表現する
続いていつものレンズ分析記事へ記載している収差図で軸上色収差が、どう表現されるのか確認してみましょう。
縦収差
レンズ分析記事では「縦収差」の中のひとつとして球面収差のグラフを示しています。
この中で軸上色収差は、一番左の球面収差図の中に一緒に記載されています。
一般的なカメラレンズの球面収差図にはd線(黄)、g線(青)、C線(赤)、F線(水色)の4色の波長を記載するのが慣例です。
この球面収差の根本部分の「色ごとのズレ」が軸上色収差に相当します。
以下の図では、よりわかりやすく補助線や解説を付けました。
軸上色収差の収差図上での表現について、ご理解いただけたでしょうか？
この軸上色収差のバランスによってにじみが赤や青、紫など色味が変わります。
なお、いつのものレンズ分析記事での収差図の横軸スケールは±0.5mmですが、今回の1枚レンズは収差量があまりにも大きく横軸スケールを±10mmとしています。通常の20倍となっていますのでご注意ください。
軸上色収差を補正する
先ほどまでは1枚のレンズでの説明でしたが、現実のレンズはたくさんの枚数で構成されています。
ここでは改めて軸上色収差の補正されたレンズの特性を見てみましょう。
先ほどはたった1枚のレンズ焦点距離100mm F5.0の収差を紹介しました。
同じ球面収差のグラフスケールで変形ダブルガウスタイプの7枚構成レンズの球面収差がどうなるか下図に示します。
光路図
光路図で見る構成は上図のようになっています。
このレンズは、過去に分析したOLYMPUS Zuiko 100mm F2.0です。
縦収差
最初の1枚構成レンズの横軸スケールに合わせ、通常の20倍サイズでグラフを作っています。
最初の1枚構成のレンズは、作図等の関係で100mm F5.0の仕様でした。
比較として準備した7枚構成の変形ダブルガウスレンズであるZuiko100mmはFnoがF2.0と2段以上明るくしていながら、軸上色収差が劇的に小さく補正されていることがおわかりいただけたと思います。
人類の英知の結晶たるダブルガウスタイプレンズ特性を見事に活用し、極めて少数のレンズで収差補正が成されている凄みもご理解いただけるのではないでしょうか？
いつものグラフスケールでご覧になりたい方は元の記事をご確認ください。
関連記事：Zuiko 100mm F2.0
まとめ
わずか一言で説明すれば「軸上色収差とは画面のド真ん中における像の色にじみ具合」です。
きっと軸上色収差をご理解いただけた事で当ブログが20倍楽しめるようになったと思います。
なお、他の収差に関する解説記事をお探しの場合は、以下をご参照ください。
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関連記事：光学設計者がおススメする「光学の入門書」
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関連記事：カメラとレンズの「しくみ」がわかる本
