.jpg/1280px-Chromatic_aberration_(comparison).jpg)
В оптике хроматическая аберрация ( ХА ), также называемая хроматическим искажением , цветовой аберрацией , цветовой окантовкой или пурпурной окантовкой , представляет собой неспособность объектива сфокусировать все цвета в одной точке. [1] [2] Она вызвана дисперсией : показатель преломления элементов объектива изменяется в зависимости от длины волны света . Показатель преломления большинства прозрачных материалов уменьшается с увеличением длины волны. [ 3] Поскольку фокусное расстояние объектива зависит от показателя преломления, это изменение показателя преломления влияет на фокусировку. [4] Поскольку фокусное расстояние объектива изменяется в зависимости от цвета света, различные цвета света фокусируются на разных расстояниях от объектива или с разной степенью увеличения. Хроматическая аберрация проявляется в виде «бахромы» цвета вдоль границ, которые разделяют темные и яркие части изображения.
Существует два типа хроматической аберрации: осевая ( продольная ) и поперечная ( боковая ). Осевая аберрация возникает, когда разные длины волн света фокусируются на разных расстояниях от линзы ( сдвиг фокуса ). Продольная аберрация типична для больших фокусных расстояний. Поперечная аберрация возникает, когда разные длины волн фокусируются на разных позициях в фокальной плоскости , поскольку увеличение и/или искажение линзы также изменяются в зависимости от длины волны. Поперечная аберрация типична для коротких фокусных расстояний. Неоднозначная аббревиатура LCA иногда используется как для продольной , так и для боковой хроматической аберрации. [3]
Два типа хроматической аберрации имеют разные характеристики и могут возникать вместе. Осевая ХА возникает по всему изображению и определяется инженерами-оптиками, оптометристами и специалистами по зрению в диоптриях . [5] Ее можно уменьшить, закрыв диафрагму , что увеличивает глубину резкости, так что, хотя разные длины волн фокусируются на разных расстояниях, они все еще находятся в приемлемом фокусе. Поперечная ХА не возникает на оптической оси оптической системы (которая обычно является центром изображения) и увеличивается по мере удаления от оптической оси. Закрывание диафрагмы на нее не влияет, поскольку она вызвана разным увеличением линзы для каждого цвета света.
В цифровых датчиках осевая ХА приводит к расфокусировке красной и синей плоскостей (при условии, что зеленая плоскость находится в фокусе), что относительно сложно исправить при постобработке, в то время как поперечная ХА приводит к тому, что красная, зеленая и синяя плоскости имеют разное увеличение (увеличение меняется вдоль радиусов, как при геометрическом искажении ), и это можно исправить путем радиального масштабирования плоскостей таким образом, чтобы они выровнялись.
В самых ранних применениях линз хроматическая аберрация уменьшалась путем увеличения фокусного расстояния линзы, где это было возможно. Например, это могло привести к чрезвычайно длинным телескопам, таким как очень длинные воздушные телескопы 17-го 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 рефлекторного телескопа , его ньютоновского телескопа , в 1668 году. [6] )
Современные телескопы, а также другие катоптрические и катадиоптрические системы продолжают использовать зеркала, не имеющие хроматической аберрации.
Существует точка, называемая окружностью наименьшей нерезкости , где хроматическая аберрация может быть минимизирована. [7] Ее можно дополнительно минимизировать, используя ахроматическую линзу или ахромат , в которой материалы с различной дисперсией собираются вместе, чтобы сформировать составную линзу. Наиболее распространенным типом является ахроматический дублет , с элементами, изготовленными из крон и флинтгласа . Это уменьшает количество хроматической аберрации в определенном диапазоне длин волн, хотя и не дает идеальной коррекции. Объединяя более двух линз разного состава, степень коррекции может быть дополнительно увеличена, как это видно в апохроматической линзе или апохромате . «Ахромат» и «апохромат» относятся к типу коррекции (2 или 3 длины волны, правильно сфокусированные), а не к степени (насколько расфокусированы другие длины волн), и ахромат, изготовленный из стекла с достаточно низкой дисперсией, может обеспечить значительно лучшую коррекцию, чем ахромат, изготовленный из более обычного стекла. Аналогично, 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 довольно мала. [8]
Было разработано много типов стекла для уменьшения хроматической аберрации. Это низкодисперсионное стекло , в частности, стекло, содержащее флюорит . Эти гибридизированные стекла имеют очень низкий уровень оптической дисперсии; только две скомпилированные линзы, изготовленные из этих веществ, могут обеспечить высокий уровень коррекции. [9]
Использование ахроматов стало 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. [10] Дифракционные оптические элементы имеют отрицательные дисперсионные характеристики, дополнительные к положительным числам Аббе оптических стекол и пластиков. В частности, в видимой части спектра дифракционные элементы имеют отрицательное число Аббе , равное −3,5. Дифракционные оптические элементы могут быть изготовлены с использованием методов алмазного точения . [11]
Телеобъективы, использующие 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 (брендированные как «фазовый френель» или PF), а также модели 800 мм f/11, 600 мм f/11 и 400 мм f/4 от Canon (брендированные как «дифракционная оптика» или DO). Они создают резкие изображения с уменьшенной хроматической аберрацией при меньшем весе и размере, чем традиционная оптика с аналогичными характеристиками, и, как правило, хорошо воспринимаются фотографами дикой природы. [12]
Для дублета, состоящего из двух тонких линз, находящихся в контакте, число Аббе материалов линз используется для расчета правильного фокусного расстояния линз, чтобы обеспечить коррекцию хроматической аберрации. [13] Если фокусные расстояния двух линз для света на желтой D-линии Фраунгофера (589,2 нм) равны f 1 и f 2 , то наилучшая коррекция достигается при условии:
где V 1 и V 2 — числа Аббе материалов первой и второй линз соответственно. Поскольку числа Аббе положительны, одно из фокусных расстояний должно быть отрицательным, т. е. рассеивающей линзой, чтобы условие выполнялось.
Общее фокусное расстояние дублета f определяется по стандартной формуле для тонких контактирующих линз:
и вышеуказанное условие гарантирует, что это будет фокусное расстояние дублета для света на синей и красной линиях Фраунгофера F и C (486,1 нм и 656,3 нм соответственно). Фокусное расстояние для света на других видимых длинах волн будет похоже, но не точно равно этому.
Хроматическая аберрация используется во время дуохромного теста на зрение , чтобы убедиться, что выбрана правильная сила линзы. Пациенту показывают красные и зеленые изображения и спрашивают, какое из них резче. Если рецепт правильный, то роговица, линза и предписанная линза будут фокусировать красные и зеленые длины волн прямо перед сетчаткой и за ней, демонстрируя одинаковую резкость. Если линза слишком мощная или слабая, то одна из них будет фокусироваться на сетчатке, а другая будет гораздо более размытой по сравнению с ней. [14]
В некоторых случаях можно исправить некоторые эффекты хроматической аберрации при цифровой постобработке. Однако в реальных условиях хроматическая аберрация приводит к постоянной потере некоторых деталей изображения. Детальное знание оптической системы, используемой для создания изображения, может позволить провести некоторую полезную коррекцию. [15] В идеальной ситуации постобработка для удаления или исправления боковой хроматической аберрации будет включать масштабирование бахромчатых цветовых каналов или вычитание некоторых масштабированных версий бахромчатых каналов, так что все каналы пространственно правильно перекрывают друг друга в конечном изображении. [16]
Поскольку хроматическая аберрация является сложным явлением (из-за ее связи с фокусным расстоянием и т. д.), некоторые производители камер используют методы минимизации проявления хроматической аберрации, характерные для объективов. Почти каждый крупный производитель камер обеспечивает некоторую форму коррекции хроматической аберрации, как в камере, так и с помощью своего фирменного программного обеспечения. Сторонние программные инструменты, такие как PTLens, также способны выполнять минимизацию проявления сложной хроматической аберрации с помощью своей большой базы данных камер и объективов.
В действительности, даже теоретически совершенные системы постобработки, основанные на уменьшении, удалении и коррекции хроматической аберрации, не увеличивают детализацию изображения так же хорошо, как объектив, оптически хорошо скорректированный для хроматической аберрации, по следующим причинам:
Вышеперечисленные ограничения тесно связаны с конкретной сценой, которая снимается, поэтому никакое программирование и знание оборудования для съемки (например, данные о камере и объективе) не смогут преодолеть эти ограничения.
Термин « фиолетовая окантовка » обычно используется в фотографии , хотя не вся фиолетовая окантовка может быть отнесена к хроматической аберрации. Подобная цветная окантовка вокруг светлых участков может быть также вызвана бликами объектива . Цветная окантовка вокруг светлых участков или темных областей может быть вызвана тем, что рецепторы для разных цветов имеют разный динамический диапазон или чувствительность , поэтому детали в одном или двух цветовых каналах сохраняются, а в другом канале или каналах «высвечиваются» или не регистрируются. На цифровых камерах конкретный алгоритм демозаики , вероятно, повлияет на видимую 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 фиолетовой окантовке вокруг светлых участков. Это однородная проблема по всему кадру, и она больше касается ПЗС с очень маленьким шагом пикселя , таких как те, которые используются в компактных камерах. В некоторых камерах, таких как серия Panasonic Lumix и более новых цифровых зеркальных фотокамерах Nikon и Sony , предусмотрен этап обработки, специально предназначенный для его удаления.
На фотографиях, сделанных с помощью цифровой камеры, очень маленькие блики часто могут выглядеть имеющими хроматическую аберрацию, тогда как на самом деле эффект возникает из-за того, что изображение блика слишком мало, чтобы стимулировать все три цветных пикселя, и поэтому записывается с неправильным цветом. Это может происходить не со всеми типами сенсоров цифровых камер. Опять же, алгоритм демозаики может влиять на видимую степень проблемы.
Хроматическая аберрация также влияет на черно-белую фотографию. Хотя на фотографии нет цветов, хроматическая аберрация размывает изображение. Ее можно уменьшить, используя узкополосный цветовой фильтр или преобразуя один цветовой канал в черно-белый. Однако это потребует более длительной экспозиции (и изменит полученное изображение). (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 того, чтобы разные цвета имели разные фокусные точки, разные энергии электронов могут иметь разные фокусные точки. [17]
