Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Оптическая аберрация
Расфокусированное изображение мишени со спицами..svg Расфокусировать

HartmannShack 1lenslet.svg Наклон Сферическая аберрация Астигматизм Кома Искажение Кривизна поля Петцваля Хроматическая аберрация
Сферическая аберрация 3.svg
Astigmatism.svg
Объектив coma.svg
Barrel distortion.svg
Кривизна поля.svg
Диаграмма линз хроматической аберрации.svg

Фотографический пример, показывающий высококачественный объектив (вверху) по сравнению с моделью более низкого качества, демонстрирующей поперечную хроматическую аберрацию (видимую как размытие и радужный край в областях контраста).

В оптике , хроматические аберрации ( CA ), называемые также хроматические искажениями и spherochromatism , является выходом из строя линзы , чтобы сосредоточить все цвета в ту же точку. [1] Это обусловлено дисперсией : преломления из линзовых элементов изменяется в зависимости от длины волны от света . Показатель преломления большинства прозрачных материалов уменьшается с увеличением длины волны. [2] Поскольку фокусное расстояниелинзы зависит от показателя преломления, это изменение показателя преломления влияет на фокусировку. [3] Хроматическая аберрация проявляется в виде «полос» цвета вдоль границ, разделяющих темные и яркие части изображения.

Типы [ править ]

Сравнение идеального изображения кольца (1) и изображений только с осевой (2) и только поперечной (3) хроматической аберрацией

Существует два типа хроматической аберрации: осевая ( продольная ) и поперечная ( боковая ). Осевая аберрация возникает, когда свет разных длин волн фокусируется на разном расстоянии от линзы ( смещение фокуса ). Продольная аберрация типична при больших фокусных расстояниях. Поперечная аберрация возникает, когда разные длины волн фокусируются в разных положениях в фокальной плоскости , потому что увеличение и / или искажение линзы также зависит от длины волны. Поперечная аберрация характерна для коротких фокусных расстояний. Неоднозначный акроним LCA иногда используется для обозначения продольного илибоковая хроматическая аберрация. [2]

Два типа хроматической аберрации имеют разные характеристики и могут возникать вместе. Осевые КА возникают на всем изображении и указываются инженерами-оптиками, оптометристами и учеными в диоптриях . [4] Его можно уменьшить, остановившись , что увеличивает глубину резкости, так что, хотя разные длины волн фокусируются на разных расстояниях, они все еще находятся в приемлемом фокусе. Поперечная СА не возникает в центре изображения и увеличивается к краю. На него не влияет остановка.

В цифровых датчиках аксиальный СА 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 поперечный СА приводит к красной, зеленой и синей плоскостям. находятся при разном увеличении (увеличение меняется по радиусу, как при геометрическом искажении ), и его можно исправить, соответствующим образом масштабируя плоскости радиально, чтобы они выровнялись.

Минимизация [ править ]

Хроматическая коррекция видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Горизонтальная ось показывает степень аберрации, 0 - отсутствие аберрации. Линзы: 1: простой, 2: ахроматический дублет, 3: апохроматический и 4: суперахроматический.

На ранних этапах использования линз хроматическая аберрация уменьшалась за счет увеличения фокусного расстояния линзы, где это было возможно. Например, это может привести к созданию очень 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] ).

Существует точка, называемая кругом наименьшей путаницы , в которой хроматическая аберрация может быть минимизирована. [6] Его можно дополнительно минимизировать, используя ахроматическую линзу или ахромат , в котором материалы с разной дисперсией собираются вместе, образуя составную линзу. Самый распространенный вид - ахроматический дублет с элементами из короны и бесцветного стекла . Это уменьшает количество хроматических аберраций в определенном диапазоне длин волн, хотя и не дает идеальной коррекции. Комбинируя более двух линз разного состава, степень коррекции может быть дополнительно увеличена, как это видно на апохроматической линзе илиапохромат . Обратите внимание, что «ахромат» и «апохромат» относятся к типу коррекции (2 или 3 длины волны правильно сфокусированы), а не к степени (насколько расфокусированы другие длины волн), и ахромат, сделанный из стекла с достаточно низкой дисперсией, может дать значительно лучшую коррекцию чем 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 довольно мала. [7]

Многие типы стекла были разработаны для уменьшения хроматической аберрации. Это стекло с низкой дисперсией , в первую очередь, стекла, содержащие флюорит . Эти гибридизированные стекла имеют очень низкий уровень оптической дисперсии; только две составные линзы из этих веществ могут дать высокий уровень коррекции. [8]

Использование ахроматов было важным шагом в развитии оптических микроскопов и телескопов .

Альтернативой ахроматическим дублетам является использование дифракционных оптических элементов. Дифракционные оптические элементы могут 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 элементы имеют отрицательное число Аббе -3,5. Дифракционные оптические элементы могут быть изготовлены методом алмазного точения . [10]

Дифракционный оптический элемент с дополнительными дисперсионными свойствами по сравнению со стеклом может использоваться для коррекции цветовой аберрации.
Для ахроматического дублета видимые длины волн имеют примерно одинаковое фокусное расстояние

Математика минимизации хроматической аберрации [ править ]

Для дублета, состоящего из двух соприкасающихся тонких линз, число Аббе материалов линз используется для расчета правильного фокусного расстояния линз для обеспечения коррекции хроматической аберрации. [11] Если фокусные расстояния двух линз для света на желтой линии D Фраунгофера (589,2 нм) равны f 1 и f 2 , то наилучшая коррекция выполняется 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. Расходящаяся линза.

Общее фокусное расстояние дублета f определяется по стандартной формуле для контактных тонких 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 с другими видимыми длинами волн будет таким же, но не в точности равным этому.

Хроматическая аберрация используется во время теста дуохромного зрения, чтобы убедиться, что была 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 волны только спереди и сзади сетчатки, что будет иметь одинаковую резкость. Если хрусталик слишком мощный или слабый, тогда один будет фокусироваться на сетчатке, а другой будет гораздо более размытым по сравнению с ним. [12]

Обработка изображений для уменьшения появления боковой хроматической аберрации [ править ]

В некоторых случаях можно исправить некоторые эффекты хроматической аберрации при цифровой постобработке. Однако в реальных условиях хроматическая аберрация приводит к безвозвратной потере некоторых деталей изображения. Детальное знание оптической системы, используемой для создания изображения, может позволить внести некоторую полезную коррекцию. [13] В идеальной ситуации постобработка для удаления или исправления боковой хроматической аберрации будет включать масштабирование цветных каналов с окаймлением или вычитание некоторых масштабированных версий каналов с окантовкой, чтобы все каналы пространственно правильно перекрывали друг друга в окончательном варианте. изображение. [14]

Поскольку хроматическая аберрация сложна (из-за ее связи с фокусным расстоянием и т. Д.), Некоторые производители камер используют методы минимизации появления хроматических аберраций для конкретных объективов. Почти каждый крупный производитель камер допускает ту или иную форму коррекции хроматической аберрации как в самой камере, так и с помощью собственного программного обеспечения. Программные инструменты сторонних производителей, такие как PTLens, также способны выполнять комплексную минимизацию появления хроматических аберраций с помощью своей большой базы данных камер и объективов.

В действительности, даже теоретически совершенные системы уменьшения-удаления-коррекции хроматических аберраций на основе постобработки не увеличивают детализацию изображения, как линзы, которые оптически хорошо корректируют хроматические аберрации, по следующим причинам:

  • Изменение масштаба применимо только к поперечной хроматической аберрации, но есть также продольная хроматическая аберрация.
  • Изменение масштаба отдельных цветовых каналов приводит к потере разрешения исходного изображения
  • Большинство датчиков камеры улавливают только несколько дискретных (например, RGB) цветовых каналов, но хроматическая аберрация не является дискретной и возникает во всем спектре света.
  • Красители, используемые в датчиках цифровой камеры для захвата цвета, не очень эффективны, поэтому перекрестное 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 сценой, которая снимается, поэтому никакое количество программирования и знаний об оборудовании для съемки (например, данных камеры и объектива) не может преодолеть эти ограничения.

Фотография [ править ]

Термин « пурпурная окантовка » обычно используется в фотографии , хотя не всю пурпурную окантовку можно отнести к хроматической аберрации. Подобная цветная окантовка вокруг бликов также может быть вызвана бликами линз . Цветная окантовка вокруг светлых или темных участков может быть связана с рецепторами разных цветов, имеющими разный динамический диапазон или чувствительность, поэтому детали в одном или двух цветовых каналах сохраняются, в то время как в другом канале или каналах они «размываются» или не регистрируются. В цифровых камерах конкретный алгоритм демозаики может повлиять на очевидную степень этой проблемы. Еще одна причина такой окантовки - хроматическая аберрация в очень мелкихмикролинзы, используемые для сбора большего количества света на каждый пиксель ПЗС; поскольку эти линзы настроены для правильной фокусировки зеленого света, неправильная фокусировка красного и синего цветов приводит к появлению фиолетовой окантовки вокруг светлых участков. Это одинаковая проблема по всему кадру, и она больше проблема ПЗС-матриц с очень маленьким шагом пикселей, таких как те, которые используются в компактных камерах. Некоторые камеры, такие как серия Panasonic Lumix и более новые зеркалки Nikon и Sony , имеют этап обработки, специально разработанный для его удаления.

На фотографиях, сделанных с помощью цифровой камеры, очень маленькие блики могут часто выглядеть с хроматической аберрацией, тогда как на самом деле эффект возникает из-за того, что яркое изображение слишком маленькое, 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 устранения мозаики может повлиять на очевидную степень проблемы.

  • Смещение цвета через уголки очков.

  • По краям чуба, гривы и ушей лошади видна сильная пурпурная окантовка .

  • Эта фотография сделана с широко открытой диафрагмой объектива, что дает узкую глубину резкости и сильное осевое CA. Кулон имеет фиолетовую окантовку в ближней зоне вне фокуса и зеленую окантовку вдали. Снято на камеру Nikon D7000 и объектив AF-S Nikkor 50mm f / 1.8G.

  • Сильная хроматическая аберрация

Черно-белая фотография [ править ]

Хроматическая аберрация также влияет на черно-белую фотографию. Хотя на фотографии нет цветов, хроматическая аберрация размывает изображение. Его можно уменьшить с помощью узкополосного цветного фильтра или путем преобразования одного цветового канала в черно-белый. Однако это потребует более длительной выдержки (и изменит получившееся изображение). (Это верно 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, разные энергии электронов могут иметь разные фокусные точки. [15]

См. Также [ править ]

  • Аберрация в оптических системах
  • Ахроматическая линза - исправление хроматической аберрации
  • Ахроматический телескоп
  • Апохроматическая линза
  • Кук триплет
  • Суперахромат
  • Хромостереопсис - стерео визуальные эффекты из-за хроматической аберрации
  • Теория цвета

Ссылки [ править ]

  1. ^ Маримон, DH; Ванделл, BA (1994). «Соответствие цветных изображений: эффекты осевой хроматической аберрации» (PDF) . Журнал Оптического общества Америки A . 11 (12): 3113. Bibcode : 1994JOSAA..11.3113M . DOI : 10.1364 / JOSAA.11.003113 .
  2. ^ a b Thibos, LN; Брэдли, А; Тем не менее, DL; Чжан, X; Ховарт, Пенсильвания (1990). «Теория и измерение хроматической аберрации глаза». Исследование зрения . 30 (1): 33–49. DOI : 10.1016 / 0042-6989 (90) 90126-6 . PMID 2321365 . 
  3. ^ Крюгер, ПБ; Мэтьюз, S; Аггарвала, КР; Санчес, Н. (1993). «Хроматическая аберрация и окулярный фокус: новый взгляд на Финчема». Исследование зрения . 33 (10): 1397–411. DOI : 10.1016 / 0042-6989 (93) 90046-Y . PMID 8333161 . 
  4. ^ Aggarwala, КР; Крюгер, ES; Мэтьюз, S; Крюгер, ПБ (1995). «Спектральная полоса пропускания и аккомодация глаза» . Журнал Оптического общества Америки A . 12 (3): 450–5. Bibcode : 1995JOSAA..12..450A . CiteSeerX 10.1.1.134.6573 . DOI : 10.1364 / JOSAA.12.000450 . PMID 7891213 .  
  5. ^ Холл, А. Руперт (1996). Исаак Ньютон: авантюрист в мыслях . Издательство Кембриджского университета. п. 67 . ISBN 978-0-521-56669-8.
  6. ^ Hosken, RW (2007). «Круг наименьшего смешения сферического отражателя». Прикладная оптика . 46 (16): 3107–17. Bibcode : 2007ApOpt..46.3107H . DOI : 10,1364 / AO.46.003107 . PMID 17514263 . 
  7. ^ «Хроматическая аберрация» . hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  8. ^ Элерт, Гленн. «Аберрация». - Гипертекст по физике.
  9. ^ Zoric N.Dj .; Лившиц И.Л .; Соколова Е.А. (2015). «Преимущества применения дифракционных оптических элементов в простых оптических системах визуализации» . Научно-технический журнал информационных технологий, механики и оптики . 15 (1): 6–13. DOI : 10.17586 / 2226-1494-2015-15-1-6-13 .
  10. ^ Амако, J; Нагасака, К; Казухиро, Н. (2002). «Компенсация хроматических искажений при расщеплении и фокусировке фемтосекундных импульсов с помощью пары дифракционных оптических элементов». Письма об оптике . 27 (11): 969–71. Bibcode : 2002OptL ... 27..969A . DOI : 10.1364 / OL.27.000969 . PMID 18026340 . 
  11. ^ Sacek, Владмир. «9.3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДВОЙНОГО АХРОМАТА.» telescope-optics.net
  12. ^ Colligon-Брэдли, Р (1992). «Красно-зеленый дуохромный тест». Журнал офтальмологического ухода и технологий . 11 (5): 220–2. PMID 1469739 . 
  13. Перейти ↑ Hecht, Eugene (2002). Оптика . 4. изд. Ридинг, штат Массачусетс, Эддисон-Уэсли
  14. ^ Кюн, Дж; Коломб, Т; Montfort, F; Charrière, F; Эмери, Y; Cuche, E; Marquet, P; Деперсинг, С. (2007). «Двухволновая цифровая голографическая микроскопия в реальном времени с получением одной голограммы» . Оптика Экспресс . 15 (12): 7231–42. Bibcode : 2007OExpr..15.7231K . DOI : 10,1364 / OE.15.007231 . PMID 19547044 . 
  15. ^ Мизелл, DL; Крик, РА (1971). «Оценка эффекта хроматической аберрации в электронной микроскопии». Журнал физики D: Прикладная физика . 4 (11): 1668–1674. Bibcode : 1971JPhD .... 4.1668M . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 4/11/308 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Методы исправления хроматических аберраций в конструкции линз
  • Объяснение хроматической аберрации Пол ван Вальри
  • Статья PanoTools Wiki о хроматической аберрации