Хроматическая аберрация
В оптике , хроматическая аберрация ( ХА также называемая хроматической дисторсией , цветовой аберрацией одной и той же цветовой окантовкой или фиолетовой окантовкой , представляет собой неспособность линзы сфокусировать все ) , цвета в точке. [1] [2] Это вызвано дисперсией : показатель преломления элементов линзы меняется в зависимости от волны света длины . Показатель преломления большинства прозрачных материалов уменьшается с увеличением длины волны. [3] Поскольку фокусное расстояние линзы зависит от показателя преломления, изменение показателя преломления влияет на фокусировку. [4] Поскольку фокусное расстояние линзы меняется в зависимости от цвета света, разные цвета света фокусируются на разных расстояниях от линзы или при разных уровнях увеличения. Хроматическая аберрация проявляется в виде «бахромы» цвета вдоль границ, разделяющих темные и светлые части изображения.
Типы [ править ]
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. [3]
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 . [5] 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. Поперечное ХА не возникает на оптической оси оптической системы (которая обычно является центром изображения) и увеличивается по мере удаления от оптической оси. На него не влияет остановка, поскольку это вызвано разным увеличением линзы в зависимости от цвета света.
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.
Минимизация [ править ]
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. Исаака Ньютона Теории 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. [6] )
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. [7] Его можно еще больше свести к минимуму, используя ахроматическую линзу или ахромат , в которых материалы с разной дисперсией собираются вместе, образуя сложную 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 сфокусированы 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. [8]
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. [9]
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. [10] Дифракционные оптические элементы имеют отрицательные дисперсионные характеристики, дополняющие положительные числа Аббе оптических стекол и пластиков. 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 . [11]
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. [12]
Математика хроматических минимизации аберраций
Для дублета, состоящего из двух контактирующих тонких линз, число Аббе материалов линз используется для расчета правильного фокусного расстояния линз, обеспечивающего коррекцию хроматической аберрации. [13] Если фокусные расстояния двух линз для света желтой D-линии Фраунгофера (589,2 нм) равны f 1 и f 2 , то наилучшая коррекция происходит для условия:
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. [14]
проявления боковой хроматической аберрации изображений для уменьшения Обработка
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. [15] 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 все каналы правильно пространственно перекрывали друг друга в конечном изображении. [16]
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 фотоаппаратов допускает ту или иную форму коррекции хроматических аберраций как внутри камеры, так и с помощью своего 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:
- Изменение масштаба применимо только к боковой хроматической аберрации, но существует также продольная хроматическая аберрация.
- Изменение масштаба отдельных цветовых каналов приводит к потере разрешения исходного изображения.
- Большинство датчиков камер фиксируют только несколько дискретных (например, RGB) цветовых каналов, но хроматическая аберрация не является дискретной и возникает во всем спектре света.
- Красители, используемые в сенсорах цифровых камер для захвата цвета, не очень эффективны, поэтому межканальное загрязнение цвета неизбежно и приводит, например, к тому, что хроматическая аберрация в красном канале также смешивается с зеленым каналом вместе с любой зеленой хроматической аберрацией. .
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.
Фотография [ править ]
Термин « фиолетовая окантовка » широко 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, используемых в компактных камерах. Некоторые камеры, например Panasonic Lumix Серия Nikon и Sony и более новые зеркальные фотокамеры 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.
Изменение цвета через уголок очков
яркую фиолетовую бахрому . По краям чуба, гривы и ушей лошади можно увидеть
Эта фотография сделана с широко открытой диафрагмой объектива, что приводит к узкой глубине резкости и сильной осевой CA. Кулон имеет фиолетовую окантовку в ближней зоне нерезкости и зеленую вдали. Снято камерой Nikon D7000 и объективом AF-S Nikkor 50mm f/1.8G.
Черно-белая фотография [ править ]
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.)
Электронная микроскопия [ править ]
Хроматическая аберрация также влияет на электронную микроскопию , хотя вместо разных цветов, имеющих разные фокусные точки, электроны разной энергии могут иметь разные фокусные точки. [17]
См. также [ править ]
| Оптическая аберрация |
|---|
- Ахроматический телескоп
- Тройка Кука
- Суперахромат
- Хромостереопсис - стереовизуальные эффекты из-за хроматической аберрации.
- Теория цвета
Ссылки [ править ]
- ^ Маримонт, ДХ; Ванделл, бакалавр (1994). «Сопоставление цветных изображений: эффекты осевой хроматической аберрации» (PDF) . Журнал Оптического общества Америки А. 11 (12): 3113. Бибкод : 1994JOSAA..11.3113M . дои : 10.1364/JOSAA.11.003113 . Архивировано из оригинала (PDF) 5 марта 2016 г. Проверено 28 августа 2015 г.
- ^ «Вторичный спектр и сферохроматизм» . телескоп-оптика.net . Проверено 6 июня 2024 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Тибос, Л.Н.; Брэдли, А; Тем не менее, ДЛ; Чжан, X; Ховарт, Пенсильвания (1990). «Теория и измерение глазной хроматической аберрации». Исследование зрения . 30 (1): 33–49. дои : 10.1016/0042-6989(90)90126-6 . ПМИД 2321365 . S2CID 11345463 .
- ^ Крюгер, ПБ; Мэтьюз, С; Аггарвала, КР; Санчес, Н. (1993). «Хроматическая аберрация и фокус глаза: возвращение к Финчему». Исследование зрения . 33 (10): 1397–411. дои : 10.1016/0042-6989(93)90046-Y . ПМИД 8333161 . S2CID 32381745 .
- ^ Аггарвала, КР; Крюгер, Э.С.; Мэтьюз, С; Крюгер, П.Б. (1995). «Спектральная полоса пропускания и аккомодация глаза» . Журнал Оптического общества Америки А. 12 (3): 450–5. Бибкод : 1995JOSAA..12..450A . CiteSeerX 10.1.1.134.6573 . дои : 10.1364/JOSAA.12.000450 . ПМИД 7891213 .
- ^ Холл, А. Руперт (1996). Исаак Ньютон: авантюрист в мысли . Издательство Кембриджского университета. п. 67 . ISBN 978-0-521-56669-8 .
- ^ Хоскен, RW (2007). «Круг наименьшего запутывания сферического рефлектора». Прикладная оптика . 46 (16): 3107–17. Бибкод : 2007ApOpt..46.3107H . дои : 10.1364/AO.46.003107 . ПМИД 17514263 .
- ^ «Хроматическая аберрация» . гиперфизика.phy-astr.gsu.edu
- ^ Элерт, Гленн. «Аберрация». – Гиперучебник по физике.
- ^ Зорич Н.Д.; Лившиц И.Л.; Соколова Е.А. (2015). «Преимущества применения дифракционных оптических элементов в простых системах оптического изображения» . Научно-технический журнал информационных технологий, механики и оптики . 15 (1): 6–13. дои : 10.17586/2226-1494-2015-15-1-6-13 .
- ^ Амако, Дж; Нагасака, К; Казухиро, Н. (2002). «Компенсация хроматических искажений при расщеплении и фокусировке фемтосекундных импульсов с помощью пары дифракционных оптических элементов». Оптические письма . 27 (11): 969–71. Бибкод : 2002OptL...27..969A . дои : 10.1364/OL.27.000969 . ПМИД 18026340 .
- ^ Хоган, Том. «Обзор объектива Nikon 500mm f/5.6E PF» . автор: Том . Проверено 10 октября 2022 г.
- ^ Сачек, Владимир. «9.3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДУБЛЕТНОГО АХРОМАТА». телескоп-оптика.net
- ^ Коллигон-Брэдли, П. (1992). «Красно-зеленый дуохромный тест». Журнал офтальмологического ухода и технологий . 11 (5): 220–2. ПМИД 1469739 .
- ^ Хехт, Юджин (2002). Оптика . 4. изд. Ридинг, Массачусетс, Аддисон-Уэсли
- ^ Кюн, Дж; Коломб, Т; Монфор, Ф; Шарьер, Ф; Эмери, Ю; Куш, Э; Марке, П; Деперсинж, К. (2007). «Двуволновая цифровая голографическая микроскопия в реальном времени с получением одной голограммы» . Оптика Экспресс . 15 (12): 7231–42. Бибкод : 2007OExpr..15.7231K . дои : 10.1364/OE.15.007231 . ПМИД 19547044 .
- ^ Миселл, Д.Л.; Крик, Р.А. (1971). «Оценка эффекта хроматической аберрации в электронной микроскопии». Журнал физики D: Прикладная физика . 4 (11): 1668–1674. Бибкод : 1971JPhD....4.1668M . дои : 10.1088/0022-3727/4/11/308 . S2CID 250810329 .
Внешние ссылки [ править ]
- Методы исправления хроматических аберраций в конструкции объективов
- Объяснение хроматической аберрации Пола ван Уолри
- Статья PanoTools Wiki о хроматической аберрации
- Использование в видеоиграх
Фотография |
|---|
