.jpg/1280px-Chromatic_aberration_(comparison).jpg)
В оптике хроматическая аберрация ( ХА ), также называемая хроматическим искажением и сферохроматизмом , представляет собой неспособность линзы фокусировать все цвета в одной точке. [1] Это вызвано дисперсией : показатель преломления элементов линзы меняется в зависимости от длины волны света . Показатель преломления большинства прозрачных материалов уменьшается с увеличением длины волны. [2] Поскольку фокусное расстояние линзы зависит от показателя преломления, изменение показателя преломления влияет на фокусировку. [3] Хроматическая аберрация проявляется в виде «бахромы» цвета вдоль границ, разделяющих темные и светлые части изображения.
Различают два типа хроматических аберраций: осевую ( продольную ) и поперечную ( латеральную ). Осевая аберрация возникает, когда световые волны разной длины фокусируются на разных расстояниях от линзы ( смещение фокуса ). Продольная аберрация типична для длинных фокусных расстояний. Поперечная аберрация возникает, когда волны разной длины фокусируются в разных положениях фокальной плоскости , поскольку увеличение и/или искажение линзы также зависит от длины волны. Поперечная аберрация характерна для коротких фокусных расстояний. Неоднозначная аббревиатура LCA иногда используется для обозначения продольной или боковой хроматической аберрации. [2]
Два типа хроматических аберраций имеют разные характеристики и могут возникать вместе. Осевая ХА возникает по всему изображению и определяется инженерами-оптиками, оптометристами и учеными-зрителями в диоптриях . [4] Его можно уменьшить, уменьшив диафрагму , что увеличивает глубину резкости, так что, хотя волны разной длины фокусируются на разных расстояниях, они все равно остаются в приемлемом фокусе. Поперечная ХА возникает не в центре изображения и увеличивается к краям. На это не влияет остановка.
В цифровых датчиках осевой КА приводит к расфокусировке красной и синей плоскостей (при условии, что зеленая плоскость находится в фокусе), что относительно сложно исправить при постобработке, тогда как поперечный КА приводит к расфокусировке красной, зеленой и синей плоскостей. находятся при разном увеличении (увеличение меняется по радиусам, как в случае геометрического искажения ), и его можно исправить путем соответствующего радиального масштабирования плоскостей, чтобы они выровнялись.
В самых ранних версиях линз хроматическая аберрация уменьшалась за счет увеличения фокусного расстояния линзы, где это было возможно. Например, это может привести к созданию чрезвычайно длинных телескопов , таких как очень длинные воздушные телескопы 17 века. Теории Исаака Ньютона о том, что белый свет состоит из спектра цветов, привели его к выводу, что неравномерное преломление света вызывает хроматическую аберрацию (что привело его к созданию первого телескопа-рефлектора , его Ньютоновского телескопа , в 1668 году. [5] ).
В современных телескопах, а также в других катоптрических и катадиоптрических системах продолжают использоваться зеркала, не имеющие хроматической аберрации.
Существует точка, называемая кругом наименьшего замешательства , где хроматические аберрации можно свести к минимуму. [6] Его можно еще больше свести к минимуму, используя ахроматическую линзу или ахромат , в которых материалы с различной дисперсией собираются вместе, образуя составную линзу. Самый распространенный тип — ахроматический дублет с элементами из кроны и бесцветного стекла . Это уменьшает количество хроматических аберраций в определенном диапазоне длин волн, хотя и не обеспечивает идеальной коррекции. Комбинируя более двух линз разного состава, степень коррекции можно еще больше увеличить, как это видно в апохроматической линзе или апохромате . «Ахромат» и «апохромат» относятся к типу коррекции (правильно сфокусированные 2 или 3 длины волны), а не к степени (насколько расфокусированы другие длины волн), и ахромат, изготовленный из стекла с достаточно низкой дисперсией, может дать значительно лучшую коррекцию, чем ахромат. ахромат, сделанный из более обычного стекла. Точно так же преимущество апохроматов заключается не только в том, что они четко фокусируют три длины волны, но и в том, что их ошибка на других длинах волн также весьма мала. [7]
Многие типы стекол были разработаны для уменьшения хроматических аберраций. Это низкодисперсные стекла , в первую очередь стекла, содержащие флюорит . Эти гибридизированные стекла имеют очень низкий уровень оптической дисперсии; только две составленные линзы из этих веществ могут дать высокий уровень коррекции. [8]
Использование ахроматов явилось важным шагом в развитии оптических микроскопов и телескопов .
Альтернативой ахроматическим дублетам является использование дифракционных оптических элементов. Дифракционные оптические элементы способны генерировать произвольные сложные волновые фронты из образца оптического материала, который по существу является плоским. [9] Дифракционные оптические элементы имеют отрицательные дисперсионные характеристики, дополняющие положительные числа Аббе оптических стекол и пластмасс. В частности, в видимой части спектра дифракционные вещества имеют отрицательное число Аббе -3,5. Дифракционные оптические элементы могут быть изготовлены с использованием технологий алмазного точения . [10]
Телеобъективы, в которых используются дифракционные элементы для минимизации хроматической аберрации, коммерчески доступны от Canon и Nikon для камер со сменными объективами; к ним относятся модели 800 мм f/6,3, 500 мм f/5,6 и 300 мм f/4 от Nikon (под торговой маркой «фазовый Френель» или PF), а также модели 800 мм f/11, 600 мм f/11 и 400 мм f/4 от Canon. (под торговой маркой «дифракционная оптика» или ДО). Они создают четкие изображения с уменьшенной хроматической аберрацией, имеют меньший вес и размер, чем традиционная оптика с аналогичными характеристиками, и, как правило, пользуются большим уважением у фотографов дикой природы. [11]
Для дублета, состоящего из двух тонких линз, находящихся в контакте, число Аббе материалов линз используется для расчета правильного фокусного расстояния линз, обеспечивающего коррекцию хроматической аберрации. [12] Если фокусные расстояния двух линз для света желтой D-линии Фраунгофера (589,2 нм) равны f 1 и f 2 , то наилучшая коррекция происходит при условии:
где V 1 и V 2 - числа Аббе материалов первой и второй линз соответственно. Поскольку числа Аббе положительны, для выполнения условия одно из фокусных расстояний должно быть отрицательным, т. е. рассеивающей линзой.
Общее фокусное расстояние дублета f определяется стандартной формулой для тонких контактирующих линз:
и вышеуказанное условие гарантирует, что это будет фокусное расстояние дублета для света синих и красных линий Фраунгофера F и C (486,1 нм и 656,3 нм соответственно). Фокусное расстояние для света других видимых длин волн будет аналогичным, но не совсем равным этому.
Хроматическая аберрация используется во время проверки зрения дуохромом , чтобы убедиться, что выбрана правильная оптическая сила линзы. Пациенту предлагают красные и зеленые изображения и спрашивают, какое из них резче. Если рецепт правильный, то роговица, хрусталик и назначенная линза будут фокусировать красные и зеленые волны прямо перед сетчаткой и за ней, создавая одинаковую резкость. Если объектив слишком мощный или слабый, то один будет фокусироваться на сетчатке, а другой по сравнению с ним будет гораздо более размытым. [13]
В некоторых случаях можно исправить некоторые эффекты хроматической аберрации при цифровой постобработке. Однако в реальных условиях хроматическая аберрация приводит к необратимой потере некоторых деталей изображения. Детальное знание оптической системы, используемой для создания изображения, может позволить внести некоторую полезную корректировку. [14] В идеальной ситуации постобработка для удаления или исправления боковой хроматической аберрации будет включать масштабирование цветовых каналов с бахромой или вычитание некоторых масштабированных версий каналов с бахромой, чтобы в конечном итоге все каналы правильно пространственно перекрывали друг друга. изображение. [15]
Поскольку хроматическая аберрация сложна (из-за ее зависимости от фокусного расстояния и т. Д.), Некоторые производители фотоаппаратов используют методы минимизации появления хроматической аберрации для конкретных объективов. Почти каждый крупный производитель камер допускает ту или иную форму коррекции хроматических аберраций как внутри камеры, так и с помощью собственного программного обеспечения. Программные инструменты сторонних производителей, такие как PTLens, также способны выполнять сложную минимизацию появления хроматических аберраций с помощью своей большой базы данных камер и объективов.
В действительности, даже теоретически совершенные системы уменьшения-устранения-коррекции хроматических аберраций на основе постобработки не увеличивают детализацию изображения так, как объектив, который оптически хорошо корректирует хроматические аберрации, мог бы это сделать по следующим причинам:
Вышеупомянутое тесно связано с конкретной снимаемой сценой, поэтому никакое программирование и знание оборудования для съемки (например, данных камеры и объектива) не могут преодолеть эти ограничения.
Термин « фиолетовая окантовка » обычно используется в фотографии , хотя не всю фиолетовую окантовку можно отнести к хроматической аберрации. Подобная цветная окантовка вокруг светлых участков также может быть вызвана бликами объектива . Цветная окантовка вокруг светлых или темных областей может быть связана с тем, что рецепторы разных цветов имеют разный динамический диапазон или чувствительность , поэтому детали сохраняются в одном или двух цветовых каналах, но при этом «затухают» или не регистрируются в другом канале или каналах. На цифровых камерах конкретный алгоритм демозаики может повлиять на очевидную степень этой проблемы. Другой причиной этой окантовки является хроматическая аберрация в очень маленьких микролинзах , используемых для сбора большего количества света для каждого пикселя ПЗС; поскольку эти линзы настроены на правильную фокусировку зеленого света, неправильная фокусировка красного и синего приводит к появлению фиолетовой окантовки вокруг ярких участков. Это единая проблема для всего кадра, и она больше характерна для ПЗС-матриц с очень маленьким шагом пикселя , например, тех, которые используются в компактных камерах. Некоторые камеры, такие как серия Panasonic Lumix и новые зеркальные фотокамеры Nikon и Sony , имеют этап обработки, специально предназначенный для его удаления.
На фотографиях, сделанных цифровой камерой, очень маленькие блики часто могут иметь хроматическую аберрацию, хотя на самом деле эффект заключается в том, что изображение блика слишком маленькое, чтобы стимулировать все три цветных пикселя, и поэтому записывается с неправильным цветом. Это может произойти не со всеми типами сенсоров цифровых камер. Опять же, алгоритм демозаики может повлиять на видимую степень проблемы.
Хроматическая аберрация также влияет на черно-белую фотографию. Хотя на фотографии нет цветов, хроматическая аберрация размывает изображение. Его можно уменьшить, используя узкополосный цветовой фильтр или преобразуя один цветовой канал в черно-белый. Однако для этого потребуется более длительная выдержка (и изменение полученного изображения). (Это справедливо только для панхроматической черно-белой пленки, поскольку ортохроматическая пленка уже чувствительна только к ограниченному спектру.)
Хроматическая аберрация также влияет на электронную микроскопию , хотя вместо разных цветов, имеющих разные фокусные точки, электроны разной энергии могут иметь разные фокусные точки. [16]
