색수차

섬네일|렌즈의 초점거리는 빛의 색에 따라 달라진다
섬네일|오른쪽|색수차를 보이는 품질이 낮은 렌즈(아래)와 비교한 고품질 렌즈(위)의 사진 예시(대비 영역에서 흐림과 무지개 가장자리로 보임)
색수차(色收差, Chromatic aberration, CA)는 렌즈가 모든 색을 같은 점으로 초점을 맞추는 데 실패하는 것을 말한다. 이는 분산에 의해 발생한다. 렌즈 요소의 굴절률은 빛의 파장에 따라 달라진다. 대부분의 투명한 물질의 굴절률은 파장이 증가함에 따라 감소한다. 렌즈의 초점거리는 굴절률에 따라 달라지기 때문에 이러한 굴절률의 변화는 초점 조절에 영향을 미친다. 렌즈의 초점거리가 빛의 색에 따라 달라지기 때문에 다른 색의 빛은 렌즈에서 다른 거리에 초점이 맞춰지거나 다른 배율로 초점이 맞춰진다. 색수차는 이미지의 어둡고 밝은 부분을 구분하는 경계를 따라 색의 "테두리"로 나타난다.

 유형 
색수차에는 축(종방향)과 횡(횡방향)의 두 가지 유형이 있다. 축 수차는 서로 다른 빛의 파장이 렌즈와 다른 거리에 초점이 맞춰질 때 발생한다(초점 이동). 종방향 수차는 긴 초점 거리에서 일반적이다. 횡방향 수차는 렌즈의 배율 및 왜곡 또한 파장에 따라 달라지기 때문에 초점 평면의 다른 위치에 다른 파장이 집중될 때 발생한다. 횡방향 수차는 짧은 초점 거리에서 일반적이다. LCA라는 모호한 머리글자는 종방향 또는 횡방향 색수차에 사용되기도 한다.

두 종류의 색수차는 서로 다른 특성을 가지고 있으며 함께 발생할 수 있다. 축 CA는 영상 전체에 걸쳐 발생하며 광학 엔지니어, 검안사 및 시력 과학자에 의해 디옵터로 지정된다. 이는 피사계 심도를 증가시키는 조리개를 조여(stopping down) 줄일 수 있다. 서로 다른 파장이 서로 다른 거리에서 초점을 맞추더라도 여전히 수용 가능한 초점에 있도록 피사계 심도를 증가시키는 것이다. 횡단 색수차(TCA)는 광학 시스템의 광축(일반적으로 이미지의 중심)에서는 발생하지 않으며 광축에서 멀어질수록 증가한다. 각 색의 빛에 대한 렌즈의 배율이 다르기 때문에 조리개 조절에 영향을 받지 않는다.

디지털 카메라에서 축 CA는 빨간색과 파란색 평면이 역초점화(녹색 평면이 초점에 있다고 가정)되는 결과를 초래하는데 이는 후처리에서 상대적으로 개선하기 어려운 반면, 횡단 CA는 빨간색, 녹색 및 파란색 평면이 다른 배율로 변화한다(기하학적 왜곡에서와 같이 반경을 따라 배율이 변화한다.) 평면이 정렬되도록 적절히 방사상으로 스케일링하여 보정할 수 있다.

 최소화 
섬네일|위쪽=1.2|alt=다양한 렌즈와 렌즈 시스템에 의한 보정 정도를 보여주는 그래프|가시 및 근적외선 파장의 색 보정. 가로축은 수차 정도를 나타내며, 0은 수차가 없음을 의미한다. 렌즈: 1: 단순, 2: 색지움 더블렛, 3: 아포크로매틱, 4: 슈퍼아크로매트.

렌즈의 초기 사용에서는 가능한 한 렌즈의 초점거리를 늘려 색수차를 줄였다. 예를 들어, 17세기의 매우 긴 공중 망원경과 같은 매우 긴 망원경이 그 결과였다. 아이작 뉴턴의 백색광이 색의 스펙트럼으로 구성되어 있다는 이론은 빛의 고르지 않은 굴절이 색수차를 일으킨다는 결론으로 이어졌다(그는 1668년에 최초의 반사 망원경, 즉 뉴턴식 망원경을 만들었다).

현대 망원경뿐만 아니라 다른 반사-굴절 망원경 시스템도 색수차가 없는 거울을 계속 사용하고 있다.

색수차를 최소화할 수 있는 최소 착란원이라는 점이 존재한다. 색지움 렌즈 또는 아크로매트를 사용하여 더욱 최소화할 수 있는데, 이 렌즈에서는 분산이 다른 재료를 함께 조립하여 복합 렌즈를 형성한다. 가장 일반적인 유형은 크라운 및 플린트 유리로 만들어진 요소가 있는 색지움 더블렛이다. 이는 두 파장에서 수차를 완벽하게 보정하고 인근 파장 범위에서 색수차의 양을 줄인다. 서로 다른 구성의 두 개 이상의 렌즈를 결합하면 아포크로매틱 렌즈 또는 아포크로매트에서 볼 수 있듯이 보정 정도를 더욱 높일 수 있으며, 이는 세 파장에서 완벽한 보정을 제공한다. 일반적으로 세 파장에서 보정하면 다른 파장에서의 오차가 상당히 작아지지만, 저분산 유리로 만든 아크로매트는 더 일반적인 유리로 만든 아포크로매트보다 더 나은 보정을 제공할 수도 있다.

색수차를 줄이기 위해 많은 종류의 유리가 개발되었다. 이들은 저분산 유리이며, 가장 두드러지게는 형석을 포함하는 유리이다. 이러한 하이브리드 유리는 광학 분산 수준이 매우 낮다. 이러한 물질로 구성된 두 개의 컴파일된 렌즈만으로 높은 수준의 보정을 얻을 수 있다.

아크로매트의 사용은 광학 현미경 및 망원경 개발에서 중요한 단계였다.

색지움 더블렛의 대안은 회절 광학 요소를 사용하는 것이다. 회절 광학 요소는 본질적으로 평평한 광학 재료 샘플에서 임의의 복잡한 파면을 생성할 수 있다. 회절 광학 요소는 광학 유리 및 플라스틱의 양의 아베수와 상보적인 음의 분산 특성을 가지고 있다. 특히 가시 스펙트럼 부분에서 회절 광학 요소는 -3.5의 음의 아베수를 갖는다. 회절 광학 요소는 다이아몬드 터닝 기술을 사용하여 제작할 수 있다.

회절 요소를 사용하여 색수차를 최소화한 망원 렌즈는 캐논과 니콘에서 교환식 렌즈 카메라용으로 상업적으로 출시되어 있다. 여기에는 니콘의 800mm f/6.3, 500mm f/5.6, 300mm f/4 모델("위상 프레넬" 또는 PF로 브랜드화)과 캐논의 800mm f/11, 600mm f/11, 400mm f/4 모델("회절 광학" 또는 DO로 브랜드화)이 포함된다. 이 렌즈들은 유사한 사양의 전통적인 광학 장치보다 가볍고 크기가 작으면서도 색수차가 감소된 선명한 이미지를 생성하며, 일반적으로 야생사진가들에게 좋은 평가를 받는다.

 색수차 최소화의 수학적 원리 

두 개의 얇은 렌즈가 접촉해 있는 더블렛의 경우, 렌즈 재료의 아베수는 색수차 보정을 보장하기 위해 렌즈의 올바른 초점거리를 계산하는 데 사용된다. 노란색 프라운호퍼선 D-선(589.2 nm)의 빛에 대한 두 렌즈의 초점거리가 f1과 f2라면, 최상의 보정은 다음 조건에서 발생한다.

여기서 V1과 V2는 각각 첫 번째 및 두 번째 렌즈 재료의 아베수이다. 아베수가 양수이므로, 이 조건을 충족시키기 위해서는 초점거리 중 하나가 음수, 즉 발산 렌즈여야 한다.

더블렛의 전체 초점거리 f는 접촉하는 얇은 렌즈에 대한 표준 공식으로 주어진다.

그리고 위의 조건은 이것이 파란색 및 빨간색 프라운호퍼 F 및 C-선(각각 486.1 nm 및 656.3 nm)의 빛에 대한 더블렛의 초점거리가 되도록 보장한다. 다른 가시 파장의 빛에 대한 초점거리는 이와 유사하지만 정확히 같지는 않을 것이다.

색수차는 듀오크롬 검사 동안 올바른 렌즈 도수가 선택되었는지 확인하는 데 사용된다. 환자는 빨간색과 녹색 이미지에 직면하여 어떤 것이 더 선명한지 질문받는다. 처방이 정확하면 각막, 렌즈 및 처방된 렌즈가 망막 바로 앞뒤에 빨간색과 녹색 파장을 초점 맞춰 동일한 선명도로 나타난다. 렌즈가 너무 강하거나 약하면 하나는 망막에 초점 맞춰지고 다른 하나는 상대적으로 훨씬 더 흐려진다.

 횡단 색수차의 외관을 줄이는 이미지 처리 

어떤 상황에서는 디지털 후처리에서 색수차의 일부 효과를 보정하는 것이 가능하다. 그러나 실제 상황에서는 색수차로 인해 일부 이미지 디테일이 영구적으로 손실된다. 이미지를 생성하는 데 사용된 광학 시스템에 대한 자세한 지식은 일부 유용한 보정을 허용할 수 있다. 이상적인 상황에서 횡단 색수차를 제거하거나 보정하기 위한 후처리는 가장자리 색상 채널의 크기를 조정하거나, 가장자리 색상 채널의 크기가 조정된 버전의 일부를 빼서 최종 이미지에서 모든 채널이 공간적으로 올바르게 겹치도록 하는 것을 포함한다.

색수차는 복잡하기 때문에(초점거리 등과의 관계 때문) 일부 카메라 제조업체는 렌즈별 색수차 외관 최소화 기술을 사용한다. 거의 모든 주요 카메라 제조업체는 카메라 내 및 자체 소프트웨어를 통해 어떤 형태의 색수차 보정을 가능하게 한다. PTLens와 같은 타사 소프트웨어 도구도 방대한 카메라 및 렌즈 데이터베이스를 통해 복잡한 색수차 외관 최소화를 수행할 수 있다.

실제로, 이론적으로 완벽한 후처리 기반 색수차 감소-제거-보정 시스템조차도 다음과 같은 이유로 색수차에 대해 광학적으로 잘 보정된 렌즈만큼 이미지 디테일을 증가시키지는 못한다.
 크기 조정은 횡단 색수차에만 적용 가능하지만 종방향 색수차도 존재한다.
 개별 색상 채널의 크기를 조정하면 원본 이미지의 해상도 손실이 발생한다.
 대부분의 카메라 센서는 몇 개의 불연속적인(예: RGB) 색상 채널만 캡처하지만 색수차는 불연속적이지 않고 전체 스펙트럼에서 발생한다.
 디지털 카메라 센서에 사용되는 색상 캡처 염료는 효율적이지 않으므로 교차 채널 색상 오염은 피할 수 없으며, 예를 들어 빨간색 채널의 색수차가 녹색 채널과 함께 녹색 색수차와 혼합되게 한다.

위의 사항들은 캡처된 특정 장면과 밀접하게 관련되어 있으므로 아무리 많은 프로그래밍과 캡처 장비(예: 카메라 및 렌즈 데이터)에 대한 지식도 이러한 한계를 극복할 수 없다.

 사진술 
보라색 테두리라는 용어는 사진술에서 일반적으로 사용되지만 모든 보라색 테두리가 색수차에 기인하는 것은 아니다.
하이라이트 주변의 유사한 색상의 테두리도 렌즈 플레어에 의해 발생할 수 있다. 하이라이트 또는 어두운 영역 주변의 색상 테두리는 다른 색의 수용기가 다른 동적 범위 또는 감도를 가질 수 있기 때문에 발생할 수 있다. 따라서 한 개 또는 두 개의 색상 채널에서 세부 사항을 보존하는 동시에 다른 채널 또는 채널에서 "소멸"되거나 등록에 실패할 수 있다. 디지털 카메라에서 특정 디모자이싱 알고리즘은 이 문제의 명백한 정도에 영향을 미칠 가능성이 있다. 이 테두리의 또 다른 원인은 각 CCD 픽셀에 대해 더 많은 빛을 모으는 데 사용되는 매우 작은 마이크로 렌즈의 색수차이다. 이 렌즈는 녹색 빛의 초점을 올바르게 맞추도록 조정되므로 빨간색과 파란색의 초점이 잘못 맞춰지면 하이라이트 주변에 보라색 테두리가 생긴다. 이것은 프레임 전체에 걸쳐 균일한 문제이며, 콤팩트 카메라에 사용되는 것과 같이 픽셀 피치가 매우 작은 CCD에서 더욱 문제가 된다. 파나소닉홀딩스의 루믹스 시리즈 및 최신 니콘 및 소니 DSLR과 같은 일부 카메라에는 이를 제거하기 위해 특별히 설계된 처리 단계가 있다.

디지털 카메라를 사용하여 촬영한 사진에서 매우 작은 하이라이트는 종종 색수차로 나타날 수 있는데 사실 하이라이트 이미지가 너무 작아서 세 가지 색 픽셀을 모두 자극할 수 없기 때문에 잘못된 색으로 기록된다. 일부 유형의 디지털 카메라 센서에서는 이러한 현상이 발생하지 않을 수 있다. 다시 디모자이싱 알고리즘은 문제의 명백한 정도에 영향을 미칠 수 있다.

 흑백 사진술 

색수차는 흑백 사진술에도 영향을 미친다. 사진에는 색상이 없지만 색수차로 인해 이미지가 흐려진다. 협대역 컬러 필터를 사용하거나 단일 컬러 채널을 흑백으로 변환하여 줄일 수 있다. 그러나 이렇게 하려면 노출 시간이 길어져야 하며 결과적인 이미지가 변경된다.(이는 팬크로매틱 필름 흑백 필름의 경우에만 해당된다. 왜냐하면 정색 필름은 이미 제한된 스펙트럼에만 민감하기 때문이다.)

 전자현미경 
색수차는 전자현미경 검사에도 영향을 미치지만 다른 색이 다른 초점을 갖는 대신 다른 전자 에너지는 다른 초점을 가질 수 있다.

 같이 보기 
 무채색망원경
 쿡 삼중렌즈
 슈퍼아크로매트
 색수차 입체시 – 색수차로 인한 스테레오 시각 효과
 색채론

 각주 

 외부 링크 

 렌즈 설계에서 색수차를 보정하는 방법
 폴 반 발레르의 색수차 설명
 색수차에 대한 파노툴 위키 문서
 비디오 게임에서의 사용

분류:기하광학