Хроматическая аберрация: причины и способы коррекции

Введение

Неспособность линзы сфокусировать все цвета в одной точке.

В оптике хроматическая аберрация (ХА), также называемая хроматическим искажением и сферохроматизмом, представляет собой неспособность линзы сфокусировать все цвета в одной точке. Она вызвана дисперсией: показатель преломления элементов линзы изменяется в зависимости от длины волны света. Показатель преломления большинства прозрачных материалов уменьшается с увеличением длины волны. Поскольку фокусное расстояние линзы зависит от показателя преломления, это изменение показателя преломления влияет на фокусировку. Хроматическая аберрация проявляется в виде цветных "ореолов" вдоль границ, разделяющих темные и светлые участки изображения.

Типы

Существует два типа хроматической аберрации: осевая (продольная) и поперечная (боковая). Осевая аберрация возникает, когда различные длины волн света фокусируются на разных расстояниях от линзы (смещение фокуса). Продольная аберрация характерна для больших фокусных расстояний. Поперечная аберрация возникает, когда разные длины волн фокусируются в разных точках в фокальной плоскости, поскольку увеличение и/или искажение линзы также изменяются в зависимости от длины волны. Поперечная аберрация характерна для коротких фокусных расстояний. Неоднозначная аббревиатура LCA иногда используется для обозначения как продольной, так и боковой хроматической аберрации. Её можно уменьшить, прикрыв диафрагму, что увеличивает глубину резкости, так что, хотя разные длины волн фокусируются на разных расстояниях, они всё равно остаются в пределах допустимой резкости. Поперечная хроматическая аберрация не возникает в центре изображения и усиливается к краям. Прикрытие диафрагмы на неё не влияет. В цифровых сенсорах осевая хроматическая аберрация приводит к размытию красного и синего каналов (при условии, что зелёный канал находится в фокусе), что относительно сложно исправить при постобработке, в то время как поперечная хроматическая аберрация приводит к тому, что красный, зелёный и синий каналы имеют разное увеличение (изменение увеличения по радиусу, как при геометрическом искажении), и может быть исправлена путём радиального масштабирования каналов для их совмещения.

Минимизация

В самых ранних случаях использования линз хроматическая аберрация уменьшалась за счет увеличения фокусного расстояния линзы, где это было возможно. Например, это могло приводить к созданию чрезвычайно длинных телескопов, таких как очень длинные воздушные телескопы XVII 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 побудило его построить первый отражающий телескоп, его ньютоновский телескоп, в 1668 году). Современные телескопы, а также другие катоптические и катадиоптические системы, продолжают использовать зеркала, которые не имеют хроматической аберрации. Существует точка, называемая кругом наименьшей диффузии, где хроматическая аберрация может быть сведена к минимуму. Её можно еще больше минимизировать, используя ахроматическую линзу или ахромат, в котором материалы с различной дисперсией собираются вместе для формирования составной линзы. Наиболее распространенным типом является ахроматический дублет с элементами из кронового и флинтового стекла. Это уменьшает количество хроматической аберрации в определенном диапазоне длин волн, хотя и не обеспечивает идеальной коррекции. Объединяя более двух линз разного состава, степень коррекции может быть еще больше увеличена, как это видно в апохроматической линзе или апохроматике. "Ахромат" и "апохромат" относятся к типу коррекции (2 или 3 длины волн, сфокусированные правильно), а не к степени (насколько размыты другие длины волн), и ахромат, изготовленный из стекла с достаточно низкой дисперсией, может давать значительно лучшую коррекцию, чем ахромат, изготовленный из более обычного стекла. Аналогично, преимущество апохроматиков заключается не только в том, что они резко фокусируют три длины волн, но и в том, что их погрешность на других длинах волн также довольно мала. Для уменьшения хроматической аберрации было разработано множество типов стекла. Это стекла с низкой дисперсией, в частности, стекла, содержащие фторит. Эти гибридные стекла обладают очень низким уровнем оптической дисперсии; только две линзы, изготовленные из этих материалов, могут обеспечить высокий уровень коррекции. Использование ахроматов стало важным шагом в разработке 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 сути плоский. Дифракционные оптические элементы имеют отрицательные характеристики дисперсии, дополняющие положительные числа Аббе оптических стекол и пластмасс. В частности, в видимой части спектра дифрактивные элементы имеют отрицательное число Аббе −3,5. Дифракционные оптические элементы могут быть изготовлены с использованием методов алмазной обработки. Телефотообъективы, использующие дифракционные элементы для минимизации хроматической аберрации, коммерчески доступны от Canon и Nikon для камер со сменной оптикой; к ним относятся модели 800 мм f/6.3, 500 мм f/5.6 и 300 мм f/4 от Nikon (маркированные как "phase fresnel" или PF) и модели 800 мм f/11, 600 мм f/11 и 400 мм f/4 от Canon (маркированные как "diffractive optics" или DO). Они создают четкие изображения с уменьшенной хроматической аберрацией при меньшем весе и размере, чем традиционная оптика с аналогичными характеристиками, и, как правило, высоко ценятся фотографами дикой природы.

In the earliest uses of lenses, chromatic aberration was reduced by increasing the focal length of the lens where possible. For example, this could result in extremely long telescopes such as the very long aerial telescopes of the 17th century. Isaac Newton's theories about white light being composed of a spectrum of colors led him to the conclusion that uneven refraction of light caused chromatic aberration (leading him to build the first reflecting telescope, his Newtonian telescope, in 1668.) Modern telescopes, as well as other catoptric and catadioptric systems, continue to use mirrors, which have no chromatic aberration. There exists a point called the circle of least confusion, where chromatic aberration can be minimized. It can be further minimized by using an achromatic lens or achromat, in which materials with differing dispersion are assembled together to form a compound lens. The most common type is an achromatic doublet, with elements made of crown and flint glass. This reduces the amount of chromatic aberration over a certain range of wavelengths, though it does not produce perfect correction. By combining more than two lenses of different composition, the degree of correction can be further increased, as seen in an apochromatic lens or apochromat. "Achromat" and "apochromat" refer to the type of correction (2 or 3 wavelengths correctly focused), not the degree (how defocused the other wavelengths are), and an achromat made with sufficiently low dispersion glass can yield significantly better correction than an achromat made with more conventional glass. Similarly, the benefit of apochromats is not simply that they focus three wavelengths sharply, but that their error on other wavelengths is also quite small. Many types of glass have been developed to reduce chromatic aberration. These are low dispersion glass, most notably, glasses containing fluorite. These hybridized glasses have a very low level of optical dispersion; only two compiled lenses made of these substances can yield a high level of correction. The use of achromats was an important step in the development of optical microscopes and telescopes. An alternative to achromatic doublets is the use of diffractive optical elements. Diffractive optical elements are able to generate arbitrary complex wave fronts from a sample of optical material which is essentially flat. Diffractive optical elements have negative dispersion characteristics, complementary to the positive Abbe numbers of optical glasses and plastics. Specifically, in the visible part of the spectrum diffractives have a negative Abbe number of −3.5. Diffractive optical elements can be fabricated using diamond turning techniques. Telephoto lenses using diffractive elements to minimize chromatic aberration are commercially available from Canon and Nikon for interchangeable lens cameras; these include 800mm f/6.3, 500mm f/5.6, and 300mm f/4 models by Nikon (branded as "phase fresnel" or PF), and 800mm f/11, 600mm f/11, and 400mm f/4 models by Canon (branded as "diffractive optics" or DO). They produce sharp images with reduced chromatic aberration at a lower weight and size than traditional optics of similar specifications and are generally well regarded by wildlife photographers.

Фотография

Термин "фиолетовый ореол" обычно используется в фотографии, хотя не каждый фиолетовый ореол можно отнести к хроматической аберрации. Подобные цветные окантовки вокруг ярких участков могут быть вызваны бликами от линзы. Цветные окантовки вокруг светлых или темных областей могут возникать из-за различного динамического диапазона или чувствительности рецепторов для разных цветов, что приводит к сохранению деталей в одном или двух цветовых каналах, в то время как в других каналах происходит "выгорание" или отсутствие регистрации сигнала. На цифровых камерах конкретный алгоритм демозаики, вероятно, повлияет на видимую степень этой проблемы. Другой причиной появления ореола является хроматическая аберрация в очень маленьких микролинзах, используемых для сбора большего количества света для каждого пикселя ПЗС-матрицы; поскольку эти линзы настроены на правильную фокусировку зеленого света, некорректная фокусировка красного и синего приводит к фиолетовому ореолу вокруг ярких участков. Это равномерная проблема по всему кадру и более выражена на ПЗС-матрицах с очень маленьким шагом пикселя, таких как те, что используются в компактных камерах. Некоторые камеры, такие как серия Panasonic Lumix и более новые зеркальные камеры Nikon и Sony, оснащены этапом обработки, специально предназначенным для его устранения. На фотографиях, сделанных цифровой камерой, очень маленькие светлые участки часто могут казаться страдающими от хроматической аберрации, хотя на самом деле эффект заключается в том, что изображение светлого участка слишком мало, чтобы стимулировать все три цветовых пикселя, и поэтому записывается с неверным цветом. Это может не происходить со всеми типами датчиков цифровых камер. Алгоритм демозаики также может влиять на видимую степень проблемы.

Черно-белая фотография

Хроматическая аберрация также влияет на черно-белую фотографию. Несмотря на отсутствие цветов на снимке, хроматическая аберрация приводит к размытию изображения. Уменьшить её можно, используя узкополосный цветной фильтр или преобразовав один цветовой канал в черно-белый. Однако это потребует более длительной выдержки (и изменит итоговое изображение). (Это справедливо только для панхроматической черно-белой пленки, так как ортохроматическая пленка изначально чувствительна только к ограниченному спектру.)

Электронная микроскопия

Хроматическая аберрация также проявляется в электронной микроскопии, однако вместо того, чтобы разные цвета имели разные точки фокусировки, разные энергии электронов могут иметь разные точки фокусировки.