Хроматическая аберрация - Chromatic aberration

Оптическая аберрация
Расфокусированное изображение мишени со спицей..svg Расфокусировать

HartmannShack 1lenslet.svg Наклон
Сферическая аберрация 3.svg Сферическая аберрация
Astigmatism.svg Астигматизм
Объектив coma.svg Кома
Barrel distortion.svg Искажение
Поле curvature.svg Кривизна поля Пецваля
Диаграмма линзы хроматической аберрации.svg Хроматическая аберрация

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 оптика, Хроматическая аберрация (CA), также называемый хроматическое искажение и сферохроматизм, это отказ линза к фокус все цвета в ту же точку.[1] Это вызвано разброс: the показатель преломления элементов объектива зависит от длина волны из свет. Показатель преломления большинства прозрачных материалов уменьшается с увеличением длины волны.[2] Поскольку фокусное расстояние линзы зависит от показателя преломления, это изменение показателя преломления влияет на фокусировку.[3] Хроматический аберрация проявляется как «полосы» цвета вдоль границ, разделяющих темные и яркие части изображения.

Типы

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

Есть два типа хроматической аберрации: осевой (продольный), и поперечный (боковой). Осевая аберрация возникает, когда свет разных длин волн фокусируется на разном расстоянии от линзы (фокус сдвиг). Продольная аберрация типична при больших фокусных расстояниях. Поперечная аберрация возникает, когда волны различной длины фокусируются в разных положениях фокальная плоскость, поскольку увеличение и / или искажение линзы также зависит от длины волны. Поперечная аберрация характерна для коротких фокусных расстояний. Неоднозначный акроним LCA иногда используется для обозначения продольный или же боковой Хроматическая аберрация.[2]

Два типа хроматической аберрации имеют разные характеристики и могут возникать вместе. Осевая КА возникает на всем изображении и определяется инженерами-оптиками, оптометристами и специалистами по зрению. диоптрии.[4] Его можно уменьшить за счет остановка, что увеличивает глубина 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. при разном увеличении (увеличение меняется по радиусам, как в геометрическое искажение ), и это можно исправить, соответствующим образом масштабируя плоскости в радиальном направлении, чтобы они выровнялись.

Минимизация

График показывает степень коррекции различными линзами и системами линз
Хроматическая коррекция видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Горизонтальная ось показывает степень аберрации, 0 - отсутствие аберрации. Линзы: 1: простые, 2: ахроматические дублетные, 3: апохроматические и 4: суперахроматические.

На ранних этапах использования линз хроматическая аберрация уменьшалась за счет увеличения фокусного расстояния линзы, где это было возможно. Например, это может привести к очень долгому телескопы например, очень длинный воздушные телескопы 17 века. Исаак Ньютон теории о белый свет состоит из спектр цветов привели его к выводу, что неравномерное преломление света вызывает хроматическую аберрацию (что привело его к созданию первого отражающий телескоп, его Ньютоновский телескоп, в 1668 г.[5])

Существует точка, называемая круг наименьшего замешательства, где хроматическая аберрация может быть минимизирована.[6] Его можно дополнительно минимизировать, используя ахроматическая линза или же ахромат, в котором материалы с разной дисперсией собраны вместе, чтобы сформировать составную линзу. Самый распространенный тип - ахроматический дублет, с элементами из Корона и бесцветное стекло. 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 показано на апохроматическая линза или же апохромат. Обратите внимание, что «ахромат» и «апохромат» относятся к тип коррекции (2 или 3 правильно сфокусированные волны), а не степень (насколько расфокусированы другие длины волн), а 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 виды стекло были разработаны для уменьшения хроматической аберрации. Это стекло с низкой дисперсией, особенно стаканы, 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 оптические микроскопы и телескопы.

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 дифракторы имеют отрицательную Число Аббе −3,5. Дифракционные оптические элементы могут быть изготовлены из алмазная токарная обработка техники.[10]

Хроматическая аберрация одной линзы приводит к тому, что разные длины волн света имеют разные фокусные расстояния
Хроматическая аберрация одной линзы приводит к тому, что разные длины волн света имеют разные фокусные расстояния
Дифракционный оптический элемент с дополнительными дисперсионными свойствами по сравнению со стеклом может использоваться для коррекции цветовой аберрации.
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
Для ахроматический дублет, видимые длины волн имеют примерно одинаковое фокусное расстояние

Математика минимизации хроматической аберрации

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 желтом Фраунгофер D-линия (589,2 нм) ж1 и ж2, тогда наилучшим образом исправляется условие:

куда V1 и V2 - 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 ж дается по стандартной формуле для тонких контактных 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 дуохромный глазной тест чтобы убедиться, что выбрана правильная сила линзы. Пациент сталкивается с красными и зелеными изображениями и спрашивает, 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

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 некоторые полезные исправления.[13] В идеальной ситуации постобработка для удаления или коррекции боковой хроматической аберрации будет включать в себя масштабирование цветовых каналов с окантовкой или вычитание некоторых масштабированных версий окантованных каналов, чтобы все каналы пространственно правильно перекрывали друг друга в конечном изображении.[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 дискретна и возникает во всем спектре света.
  • Красители, используемые в датчиках цифровой камеры для улавливания цвета, не очень эффективны, поэтому перекрестное загрязнение цвета неизбежно и вызывает, например, хроматическую аберрацию в красном канале, которая 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

Период, термин "фиолетовая окантовка "обычно используется в фотография, хотя не вся пурпурная окантовка может быть отнесена к хроматической аберрации. Подобная цветная окантовка вокруг светлых участков также может быть вызвана отблеск от линз. Цветная окантовка вокруг светлых или темных участков может быть связана с тем, что рецепторы разных цветов имеют разные динамический диапазон или же чувствительность - таким образом, сохраняя детализацию в одном или двух цветовых каналах, в то время как в другом канале или каналах они «размываются» или не регистрируются. На цифровых фотоаппаратах особенно демозаика алгоритм может повлиять на очевидную степень этой проблемы. Еще одна причина такой окантовки - хроматическая аберрация в очень мелких микролинзы используется для сбора большего количества света для каждого пикселя 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 является проблемой для ПЗС-матриц с очень маленьким шаг пикселя например, те, что используются в компактных камерах. Некоторые камеры, например Panasonic Lumix серии и новее Nikon и Sony Зеркалки, содержат этап обработки, специально предназначенный 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.

  • Суровый фиолетовая окантовка можно увидеть по краям чуба, гривы и уха лошади.

  • 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 с Nikon D7000 и объектив AF-S Nikkor 50mm f / 1.8G.

  • Сильная хроматическая аберрация

Черно-белая фотография

Хроматическая аберрация также влияет на черно-белую фотографию. Хотя на фотографии нет цветов, хроматическая аберрация сделает изображение размытым. 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 с панхроматический черно-белая пленка, так как ортохроматический пленка уже чувствительна только к ограниченному спектру.)

Электронная микроскопия

Хроматическая аберрация также влияет на электронная микроскопия, хотя вместо разных цветов, имеющих разные фокусные точки, разные энергии электронов могут иметь разные фокусные точки.[15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Marimont, D. H .; Ванделл, Б.А. (1994). «Соответствие цветных изображений: эффекты осевой хроматической аберрации» (PDF). Журнал Оптического общества Америки A. 11 (12): 3113. Bibcode:1994JOSAA..11.3113M. Дои:10.1364 / JOSAA.11.003113.
  2. ^ а б Thibos, L.N .; Брэдли, А; Тем не менее, D. L .; Чжан, X; Ховарт, П. А. (1990). «Теория и измерение хроматической аберрации глаза». Исследование зрения. 30 (1): 33–49. Дои:10.1016/0042-6989(90)90126-6. PMID  2321365.
  3. ^ Крюгер, П. Б .; Мэтьюз, S; Aggarwala, K. R .; Санчес, Н. (1993). «Хроматическая аберрация и окулярный фокус: новый взгляд на Финчема». Исследование зрения. 33 (10): 1397–411. Дои:10.1016 / 0042-6989 (93) 90046-У. PMID  8333161.
  4. ^ Aggarwala, K. R .; Крюгер, Э. С .; Мэтьюз, S; Крюгер, П. Б. (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. Дои: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. ^ Хоскен, Р. В. (2007). «Круг наименьшего смешения сферического отражателя». Прикладная оптика. 46 (16): 3107–17. Bibcode:2007ApOpt..46.3107H. Дои: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. Дои:10.17586/2226-1494-2015-15-1-6-13.
  10. ^ Амако, Дж; 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. Дои:10.1364 / OL.27.000969. PMID  18026340.
  11. ^ Сацек, Владмир. «9.3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДВОЙНОГО АХРОМАТА.» telescope-optics.net
  12. ^ Коллигон-Брэдли, П. (1992). «Красно-зеленый дуохромный тест». Журнал офтальмологического ухода и технологий. 11 (5): 220–2. PMID  1469739.
  13. ^ Hecht, Юджин (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. Дои:10.1364 / OE.15.007231. PMID  19547044.
  15. ^ Misell, D. L .; Крик, Р. А. (1971). «Оценка эффекта хроматической аберрации в электронной микроскопии». Журнал физики D: Прикладная физика. 4 (11): 1668–1674. Bibcode:1971JPhD .... 4.1668M. Дои:10.1088/0022-3727/4/11/308.

внешняя ссылка