この驚くべき科学現象は、ニュートンでさえも間違えた

はるか昔、古代エジプト人やメソポタミア人は水晶を磨いてレンズを作る方法を知っていました。それは画像を拡大したり太陽光を集中させたりするのに使われていたかもしれません。

17 世紀半ば、科学界は光の性質に関する議論、つまり光の波動説と光の粒子説の間の議論を始めました。この議論は19世紀半ばまで続いた。

オランダの物理学者ホイヘンスは光の波動理論の創始者です。偉大なイギリスの科学者ニュートンは光の粒子説を提唱した。

光学の発展の歴史の中で200年以上続いたこの論争は、光学を発展の道へと導き、人類が光学の何層ものベールを剥ぎ取り、その本質を認識することを可能にしました。

討論の最中に、ニュートンは実験を行った。

太陽光をプリズムに通すと、プリズムの後ろのスクリーン上で太陽光 (白色光) が屈折して、赤、オレンジ、黄色、緑、シアン、青、紫などの色の光帯の連続スペクトルになることがわかります。これは有名なニュートンの分散実験です。

ニュートンの分散実験の本質は光の屈折です。光の屈折とは、光がある媒体から別の媒体に伝わるときに光の伝搬方向が変化する現象です。

下の写真のように、私たちの日常生活でコップの中に入っている「折れた」鉛筆や、漁師が銛で魚を釣るときに目に入った魚の底を狙うのは、すべて光の屈折によるものです。光の屈折が発生すると、同じ媒体が異なる色の光を屈折させる能力を持ち、その結果、色の付いた光の帯が現れます。

ニュートンはプリズム分散実験を通じて、ガラスレンズでは色収差を除去できないという誤った結論に急いで達しました。この結論は今では間違っているようです。

光の屈折。画像出典: ウィキメディア

では、色収差とは一体何なのでしょうか?

下の図に示すように、ほとんどの光学ガラスは赤色光を偏向する能力が弱く、青紫色光を偏向する能力が強い、つまり赤色光に対する屈折率は低く、青紫色光に対する屈折率は高いという特徴があります。色収差のある顕微鏡で細胞を観察すると、観察された細胞は外側の円では赤く、中央では青緑色に見えます。これを色収差といいます。

単一レンズによって生じる色収差。画像出典: ウィキメディア

光学ガラスで構成された透過光学系（レンズ）に色収差があると、画像品質が大幅に低下します。下の白い花の写真に示されているように、レンズの色収差により、花びらの端に明らかな「虹の帯」現象が現れます。

科学者が色収差を発見し、理解し、修正するまでに何百年もかかりましたが、色収差は今日でも光学分野の研究テーマであり、いくつかの古典的な物語を生み出しています。

色収差が画像効果に与える影響。画像出典: ウィキメディア

望遠鏡は最も古い光学機器の 1 つであり、その発展は光学分野の発展を通じて行われ、当然のことながら色収差に関する研究も含まれます。

17 世紀から 18 世紀初頭の望遠鏡では、単一レンズの屈折特性が不均一であったため、色収差がよく見られました。

当時の望遠鏡メーカーは、焦点距離の長い物体の方が画質が良いことを発見したため、望遠鏡開発の初期には、メーカーは常にレンズの焦点距離を可能な限り長くしていました。しかし、長焦点距離の望遠鏡の方が画質が良いのは、色収差が低減するためだと明確に指摘できた人はいません。

初期の屈折望遠鏡。画像出典: ウィキメディア

ニュートンは1666年のプリズム分散実験の後、白色光が複数の色の光で構成されていることを発見し、異なる色の光の異なる屈折率が色収差の原因であると結論付けました。これは光学理論における根本的な進歩であっただけでなく、色収差に対する正しい説明も提供しました。

しかし、ニュートンは、すべてのガラス材料の屈折と分散は同じ線形関数によって関連していると性急に結論付け、レンズの色収差は補正できないという誤った結論に達しました。対照的に、反射鏡は異なる波長の光に対して異なる屈折率を持つという問題がなく、当時は色収差を避ける唯一の方法と考えられていました。

ニュートンの間違いにより、当時の屈折望遠鏡の性能に匹敵する最初の反射望遠鏡が誕生しました。

ニュートンが 1672 年に使用した 6 インチ反射望遠鏡のレプリカ。画像出典: Wikimedia

ニュートンの業績と科学界における名声にもかかわらず、彼の誤った結論は、18 世紀に色消し対物レンズが発明されるまでの 50 年間、屈折望遠鏡のさらなる発展を妨げました。

アクロマートレンズの誕生を紹介するには、まず2種類の光学ガラスを紹介する必要があります。最も初期の光学ガラスは、酸化鉛の含有量に応じてクラウンガラスとフリントガラスに分けられました。含有量が 3% 未満のものはクラウンガラス、含有量が 3% を超えるものはフリントガラスでした。

その後、ガラスの種類が増えるにつれて、屈折率と分散係数が分類に使われるようになりました。クラウンガラスの屈折率は通常 1.6 未満で、分散係数 (アッベ数とも呼ばれ、値が大きいほど分散が小さくなります) は 50 より大きくなります。フリントガラスの場合はその逆になります。

ガラスのアッベ図。画像出典: ウィキメディア

1695年、数学者ジェームズ・グレゴリーの甥であるデイビッド・グレゴリーは、人間の目で観察する際には色収差がないこと、人間の目の構造はレンズの構造に似ているという事実に基づいてニュートンの理論に疑問を呈しました。

1729年、イギリスの弁護士であり発明家であったチェスター・ムーア・ホールが、色消しダブレットレンズの基本理論を提唱しました。彼は、工芸品に使用されるフリントガラスとレンズに使用されるクラウンガラスは、光に対する屈折特性が異なることを発見しました。クラウンガラスを凸レンズとして使用して光を収束させ、フリントガラスを凹レンズとして使用して光を発散させることで、特定の波長範囲内で色収差を効果的に低減できます。原理は以下の図に示されています。

ホールはロンドンの眼鏡技師事務所でこれらのレンズをいくつか作り、1733年に直径65 mm、焦点距離500 mmの最初のアクロマート透過望遠鏡を発売しました。

1750 年、イギリスの光学技師ジョン・ドロンドは色消しレンズ群の可能性に気づき、一連の実験を行い、1758 年にロンドン王立協会からコプリーメダルを受賞しました。

アクロマートレンズ。画像出典: ウィキメディア

色消しレンズの使用は、光学顕微鏡や望遠鏡の開発において重要な進歩でした。

現在、一般的に使用されているさまざまな写真機器のレンズ設計プロセスでは、色収差補正の完璧さが重要な評価指標となっており、色収差性能によってレンズの価格もある程度決まります。

最も一般的な例としては、一部のレンズの製品紹介に、蛍石 (CaF₂) レンズ設計を採用しており、色収差補正品質が優れていると記載されていることがあります。これは、蛍石の分散が比較的低く、他の物理的パラメータによっても、この材料で作られたレンズが色収差補正に適していることが決まるためです。蛍石は比較的高価なので、このアクロマートレンズの価格も高くなります。

無彩色カメラレンズを使用して取得した画像と比較した無彩色画像。画像出典: ウィキメディア

収差理論の発展と改良、光学ガラスの種類の豊富化、コンピュータ支援設計技術の普及により、色消し光学系の設計と実装は大きく進歩しました。アクロマートレンズは、携帯電話のレンズ、カメラのレンズ、プロジェクター、携帯用望遠鏡から天体望遠鏡まで、あらゆるところで見かけるようになりました。

現在、アクロマティック技術はアクロマティックレンズグループに限定されなくなりました。バイナリ光学素子やスーパーレンズなどの新技術も色収差補正においてその威力を発揮しています。

バイナリ光学素子は光の回折の原理に基づいて動作します。コンピュータ支援設計と超大規模集積回路製造技術を用いて、光学素子の表面に異なる段差深さのレリーフ構造をエッチングし、極めて高い回折効率を持つ回折光学素子を形成します。

通常のレンズとは異なり、バイナリ光学レンズの焦点距離は波長に反比例し、分散によって得られる色帯域の順序も同じ材料で作られたレンズとは逆になります。したがって、光学系はバイナリ光学素子を導入することで色収差を除去することができます。

フレネルレンズの概略図。画像出典: ウィキメディア

スーパーレンズは、2 次元平面上に特定の方法で配置された多数のマイクロユニットで構成された 2 次元平面レンズ構造です。非常に小型、軽量で、統合も簡単です。入射光線のさまざまな特性を柔軟に制御し、色消しの目的を達成します。

図スーパーレンズの概略図（Opt. Express 28, 26041-26055 (2020)）

色収差理論の発展は多くの紆余曲折を経てきましたが、その発展のおかげで、今日の一般的なニーズ向けの画像は色収差に悩まされることがなくなり、私たちが撮影する画像もより豊かでリアルなものになりました。

上記の内容を読んで、色の違いがわかりましたか？

著者: Meng Qingyu、中国科学院長春光学・精密機械・物理研究所;斉雲生、中国科学院長春光学精密機械物理研究所、修士課程学生

査読者：Jiao Shuming Pengcheng Laboratory