【カメラ・イメージセンサ】収差とは (ザイデル収差・色収差・パープルフリンジ)

　カメラで撮影した際に，写真が歪んだりボケたりするザイデル収差と，色がずれた色収差が発生することがあります．本記事では画質を低下させる原因となるこの二つの現象について，それぞれ説明します．

収差とは

　カメラはレンズで光を集めていますが，光の入る場所や角度，光の周波数の違いから光が完全には一点に集まらずに画像で歪んだりボケたりします．この現象を収差 (Aberration)といいます．

収差には、光の波長によらずに起こるザイデル収差（単色収差）と、波長による屈折率の違いから生じる色収差があります。通常は複数のレンズや光学設計を組み合わせて、これらの収差を小さくするように設計します。

　ザイデル収差 (単色収差)は光の周波数によらずに起こる収差です．ザイデル収差は球面収差，コマ収差，非点収差，像面湾曲，歪曲収差の5つがあります．

　球面収差は、一点から出た光がレンズの中心付近を通る場合と周辺部を通る場合で同じ位置に結像しないために生じる収差です。球面収差によって像がぼけます。一般に絞りを絞ることで周辺光線を制限し、球面収差を抑えられます。

　コマ収差は光軸にない点からの光が通るレンズの位置により，ずれてしまう収差です．コマ収差によって画像では星のような点の対象物が尾を引いたように歪んで見えます．

　非点収差は光軸にない点からの光が，レンズに対して同心円方向と直径方向でずれてしまう収差です．この非点収差により縦方向や横方向にボケてしまいます．

　像面湾曲は、本来平面である撮像面に対して最良像面が曲面になる収差です。そのため、画像中心でピントを合わせると周辺でピントがずれる、またはその逆が起こります。歪曲収差とは別の収差です。

　歪曲収差は、像高によって倍率が変化するため、直線が樽型や糸巻き型に曲がって見える収差です。樽型と糸巻き型のどちらが必ず好ましいというわけではなく、用途に応じた光学設計や画像処理によって補正します。

色収差は、レンズ材料の屈折率が波長によって異なるため、色ごとに結像位置や倍率がずれる現象です。

光軸方向に結像位置がずれる軸上色収差と、画面周辺で色ごとの倍率がずれる倍率色収差などがあります。

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　通常カメラは光がレンズを通ってイメージセンサに届きます．しかし光の色（波長）によって屈折率が異なります．青色は赤色に比べてより屈折するため，分光によって色ズレが発生してしまいます．

　このレンズによる収差は軸上色収差と倍率色収差があります．軸上色収差は軸に沿って入射する光の結像する位置が光の色によって異なることで色収差が発生し，倍率色収差は斜めから入射した光が光の色によって像の大きさが異なることで色収差が発生します．

　色収差を抑えるためにレンズに加えて，色収差のレンズによる色収差を抑制するための凹レンズを付け加えることで，収差をキャンセルして色収差を抑制することができます．

　また軸上色収差はレンズの端で発生しやすいため絞りを絞ると抑制できます．これらのことで色収差を抑えることはできますが完全になくすことは難しいです．

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　パープルフリンジは上の写真のように明暗の強い箇所などで境界に紫色が発生する現象です．パープルフリンジの大きな原因として，上で説明した色収差があります．他の原因としてはブルーミングや信号処理があります．