Сообщение об ошибке

  • Невозможно создать файл.
  • Невозможно создать файл.

Хроматические аберрации (ХА). Что это?

04/09/2016 - 15:32
Хроматические аберрации (ХА)

Когда разные цвета света распространяются с различной скоростью в среде, показатель преломления зависит от длины волны. Это явление известно как дисперсия. Известным примером является стеклянная призма, которая рассеивает падающий луч белого света на цвета радуги.

Фотографические объективы сделаны из различных дисперсионных и  диэлектрических сортов стекла. Это стекло преломляет попадающий свет не под одним и тем же углом и разработать хорошо скорректированный объектив, чтобы он сводил все цвета вместе в одну точку требует больших усилий.

Хроматическими аберрациями (ХА) называются отклонения от идеального изображения, вызванные дисперсией. Если рассмотреть аберрации Зейделя, то они рассматривают отклонения в монохроме, т.е. в одном цвете. В то время как хроматические аберрации замечены только при рассмотрении полихроматического (цветного) света.

 

Продольная и поперечная хроматические аберрации

Выделяют два типа хроматических аберраций. Продольная хроматическая аберрация, также известная как хроматизм положения, это неспособность объектива свести различные цвета в одной фокальной плоскости.

Для точки, находящейся на оптической оси фокусы для различных цветов также будут на оптической оси, но со смещением в продольном направлении (т.е. вдоль оси). Это явление для удаленного источника света показано на Рис. 1. На нем видно, что только зеленый цвет будет проецироваться на сенсор резким. Синий и красный цвета будут проецироваться на сенсор не как точки а как диски размытия, т.е. они будут нерезкими.

Продольная хроматическая аберрация

Рис. 1. Происхождение продольной хроматической аберрации. Фокальные планы различных цветов не совпадают.

 

Свет, который падает под углом, приводит к поперечной хроматической аберрации, также известной как хроматизм увеличения. Это происходит от бокового смещения фокусов разных цветов. При отсутствии хроматизма увеличения, все цвета находятся в фокусе в той же плоскости, но увеличение изображения зависит от длины волны. Это явление показано на Рис. 2.

Поперечная хроматическая аберрация зависит от длинны волны и на нее влияет фокусное расстояние объектива, в то время как на появление продольной хроматической аберрации, фокусное расстояние не настолько влияет.

Это, кажется, нелогичным, но в объективе с исправленной продольной хроматической аберрацией не требуется совпадения фокальных планов для всех цветов. Так как фокусное расстояние определяется расстоянием от задней главной плоскости к плоскости сенсора, фокусное расстояние может зависеть от длины волны, даже если все изображения находятся в одной плоскости.

поперечная хроматическая аберрация

Рис. 2. Происхождение поперечной хроматической аберрации. Размер изображения изменяется от одного цвета к другому.

 

На рисунках 1 и 2 проиллюстрированы два упрощенных случая, но в реальности продольная и поперечная хроматические аберрации проявляются в тандеме. Цветной объект съемки, заполняющий пространство кадра состоит из различных монохроматических изображений различных размеров и позиций.

Поперечная ХА особенно явно проявляется у ретрофокусных телеобъективов (стандартных или перевернутых). Хроматические аберрации часто ухудшают качество изображения телеобъективов, которые имеют очень хорошо скорректированные оптические схемы. Именно хроматизм увеличения, а не астигматизм является причиной разделения на сагиттальную и меридиональную кривые в их функции передачи модуляции.

 

Примеры хроматических аберраций

В качестве объекта съемки рассмотрим крест, сделанный из двух черных спичек и вставленный в пробку. Фото сделаны объективом Canon EF 85/1.2 L USM на расстоянии около метра. Крест находится в самом центре кадра, на ярко белом фоне.

Контрастный переход и открытая диафрагма f/1.2 явились причиной появления продольной хроматической аберрации, показанной на Рис. 3. Несмотря на то, что автофокус навелся точно на крест, вокруг него наблюдается пурпурная окантовка (фрижинг). но крест еще четко различим. После легкой расфокусировки объектива вручную цвет окантовки стал зеленым.

Возможно зеленый фрижинг в отличие от пурпурного менее режет глаз, но все же еще четко виден. Так как человеческий глаз и система автофокуса частично чувствительны к зеленому цвету, то и ручная фокусировка и автофокусировка, как правило, делают в фокусе зеленый спектр, а другие цвета остаются расфокусированными и дают пурпурную кайму. По этой причине пурпурный фрижинг чаще проявляется чем зеленый.

пример продольной хроматической аберрации

Рис. 3. Примеры хроматизма положения (продольной хроматической аберрации). Пример снят объективом Canon EF 85/1.2 L USM. A — автофокусировка по кресту. B — легкий ручной расфокус. Диафрагма f/ 1.2, камера Canon 5D.

 

Тот же самый крест был сфотографирован тремя ретрофокусными широкоугольными объективами (Рис. 4). Крест был размещен по диагонали и наклонен таким образом, чтобы разместить длинную сторону в радиальном направлении. Такая компоновка размещает поперечину креста в тангенциальном направлении.

Для первых двух объективов Cosina 3.5-4.5/19-35 (рис. A) и Cosina 3.8/20 (рис. B) окантовка проявилась на поперечной линии креста, в то время как на продольной аберрации отсутствуют.

Пурпурный и зеленый фрижинг на разных сторонах тангенциально повернутой палке (рис. А) характерен для поперечной хроматической аберрации. Синий и желтый фрижинг, заметный на рис. B, проявился немного меньше. А рис. C (объектив Carl Zeiss Distagon 2.8/21) показывает хорошо скорректированные хроматические аберрации для широкоугольного объектива ретрофокусного типа. Здесь замечена только легкая подсветка пурпурного и зеленого цвета.

пример поперечной хроматической аберрации

Рис. 4. Примеры хроматизма увеличения (поперечной хроматической аберрации), снятые объективами: A — Cosina 3.5-4.5/19-35 @ 20 mm, B — Cosina 3.8/20, C — Carl Zeiss Distagon 2.8/21. Во всех примерах используется диафрагма f/11, фотоаппарат Canon 5D.

 

И продольная и поперечная хроматические аберрации приводят к подкрашиванию краев, но с разными свойствами. Продольная ХА дает фрижинг вокруг объекта, а поперечная проявляется только на сторонах тангенциально повернутых деталей.

Продольная аберрация влияет на любое положения объекта, в то время как поперечная присутствует в центре кадра и увеличивается к краям. Продольная ХА лечится прикрытием диафрагмы, а поперечная ХА присутствует на всех значениях диафрагмы.

Хроматические аберрации проявляют себя как смесь продольной и поперечной ХА, и соответственно лишь частично исправляются прикрытием диафрагмы. Продольная ХА проявляется каймой одного цвета на объекте, находящимся в фокусе (Рис. 3). А поперечная хроматическая аберрация проявляется двумя окантовками разных цветов на разных сторонах объекта, тангенциально повернутого в кадре (Рис. 4).

Окантовки, происходящие от продольной хроматической аберрации особенно ясно проявляются при наложении двух объектов разных цветов, при наведении фокуса на один из  них, например объект пурпурного цвета в резкости, а на заднем плане зеленый объект не в резкости или наоборот.

Хотя цветные окантовки наблюдаются только в местах с высоким контрастом, как продольных так и в поперечных хроматических аберрациях, в целом они ухудшают общее разрешение объектива.

Продольная хроматическая аберрация часто проявляется в тандеме со сферической аберрацией и влияет на формирование боке на открытых диафрагмах объективов. Комбинированный эффект от продольной хроматической и сферической аберраций называют сферохроматизмом.

 

Вторичный спектр и апохроматические объективы

Поперечная хроматическая аберрация является проблемой в основном в объективах с ретрофокусной схемой и телеобъективах, которые заметно асимметричны, а продольная хроматическая аберрация чаще всего проявляется в светосильных объективах.

Оптическая схема у которой нескорректированы хроматические аберрации называется хроматической. Человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому свету и когда хроматический объектив сфокусирован на зеленую часть видимого спектра, синий и красный края получаются вне фокуса (см. Рис. 5).

Применение в оптической схеме простых ахроматических дублетов весьма эффективно в борьбе с хроматическими аберрациями. Известный пример такого дублета это комбинация выпуклого элемента из стекла «крон» и вогнутого элемента
из стекла «флинт».

Ахроматическая коррекция фотообъективов относится к двум типам волн ближе к концам синего и красного спектров. Рис. 5 показывает типичную схему ахроматической коррекции. Пересечение нулевой точки происходит для двух совместных типов волн, а остаточное смещение фокуса для других типов волн называется вторичным спектром.

Принципы коррекции хроматических аберраций

Рис. 5. Принципы коррекции хроматических аберраций. Цветные участки называют вторичным спектром

 

Появление экзотических стекол, имеющих низкую или аномальную дисперсию обеспечили значительный прогресс в коррекции хроматических аберраций в фотообъективах. Оптическая схема, которая обеспечивает сведение всех трех типов цветов в одну точку называется апохроматической. Супер ахроматический объектив корректирует четыре или более длины волн и практически исключает ошибки цвета.

Другими словами это не число пересечений волнами нулевой отметки, которое влияет на качество изображения, а выходы в промежутках между длинами волн (вторичный спектр).

Приставка АРО (АПО) в названиях объективов используется многими производителями и означает что объектив имеет уменьшенный вторичный спектр. Но идеальный апохроматизм  в оптических схемах фотографических объективах явление редкое.

Типичные кривые коррекции, показанные на рис. 5 обычно имеют "сдвиг фокуса" вдоль оси ординат, а иногда и со сдвигом "фокусного расстояния". Это можно посчитать неважным, но это имеет значение, поскольку в первом случае подразумевает коррекцию продольной ХА а во втором — поперечной ХА.

Аналогично, термин «вторичный спектр» наиболее часто встречается в отношении продольной хроматической аберрации. Тем не менее некоторые авторы используют этот термин также и для описания поперечной хроматической аберрации.

 

Ахроматические объективы

Ахроматическая коррекция, показанная на Рис. 5 является наиболее распространенной коррекции в фотообъективах и относится к коррекции фиолетовых и зеленых смещений, наблюдаемых на рис. 3.

Когда зеленый свет находится в фокусе на сенсоре, красный и синий будут расфокусированными и проявятся пурпурной каймой. И наоборот, когда синий свет находится в фокусе красный свет также находится в фокусе, оставляя только зеленый свет расфокусированным.

Если заменить «смещение фокуса» на «фокусное расстояние» вдоль оси ординат на рис. 5, ахроматическая схема будет иметь полосы такие как показано на рис. 4 (А) с пурпурной каймой на стороне ближе к центру кадра и с зеленой на стороне ближе к углу кадра.

Для случая с поперечной хроматической аберрацией, то чем больше фокусное расстояние объектива, тем крупнее будет фрагмент увеличения изображения. Это значит, что для ахроматической диаграммы на рис 5, синие и красные изображения одноосной детали смещены немного наружу от центра изображения, чем зеленые изображения.

На рис. 6 показан крест, где синие и красные изображения смещены вверх по отношению к зеленому. слитие этих трех монохроматических изображений приводит к изображению креста с аберрациями. Наложение синего, зеленого и красного дают белый цвет, наложение синего и красного дают фиолетовый цвет.

 

Происхождение цветной окантовки из-за поперечной хроматической аберрации

Рис. 6 Происхождение цветной окантовки из-за поперечной хроматической аберрации. Наложение составляющих цветов приводит к окантовке в объединенном изображении справа

 

Конечно, рис. 6 представляет собой упрощенную схему чистой поперечной хроматической аберрации, только с тремя цветами, и служит лишь в качестве наглядного примера. В реальности же, эти полосы находятся как внутри креста, так и за его пределами. Поперечина расширяется, но в то же время часть его продольной линии съедается аберрацией.

 

Хроматические аберрации в литературе

Типичным проявлением хроматических аберраций является цвет окантовки вдоль границ, разделяющих темные и светлые участки изображения. При этом, описания возникающих эффектов хроматических аберраций в литературе различаются.

Можно прочитать что поперечная ХА является более серьезной аберрацией чем продольная ХА потому что первый приводит к появлению цветных окантовок, в то время как второй просто ухудшает резкость.

Carl Zeiss Oberkochen придерживается иной точки зрения и считает продольную ХА наиболее заметной цветовой аберрацией.

Eugene Hecht описывает кумулятивный эффект хроматических аберраций как беловато-синее размытие или дымка наложения.

Warren J. Smith и Bruce H. Walker утверждают что остаточные цветовые ошибки оптической системы с неисправленной продольной ХА приводят к ореолам пурпурного цвета или размытости вокруг каждой точки изображения.

 

Автор: © Paul van Walree 2001–2015

Источник: http://toothwalker.org/optics/chromatic.html


Понравилась статья? Поделись с друзьями.




Аватар пользователя daser
Ничего не понял но звучит неплохо. Я так понял что абберация присуща всем стеклам.
Аватар пользователя Иван К
Да аберрации проявляются у всех объективов в той или иной мере. Различают несколько видов аберраций можно посмотреть здесь https://periscope.com.ua/osnovy-fotografii/chto-takoe-aberracii-obektiva, хроматические это одни из них.
Добавить комментарий