Хроматические аберрации: Общие сведения о хроматической аберрации

Хроматические аберрации — хроматические аберрации как убрать, хроматические аберрации объектива – ФотоКто

 

В камерах последнего поколения хроматические аберрации автоматически исправляются процессором на этапе конвертации в JPEG. Поэтому я в RAW никогда не снимаю, моя камера Nikon D700 всё делает за меня и экономит мне массу драгоценного времени, её только надо правильно настроить.

В любом случае, вам лучше думать о том, что вы фотографируете, а не о том, насколько ваша линза подвержена аберрациям. Объектив без заметных аберраций содержит большое количество дорогих низкодисперсных и асферических элементов, поэтому стоит заметно дороже собратьев с аберрациями. Кроме того, конструкция с переменным фокусным расстоянием (зумом) намного сложнее фиксированного, так как аберрации проявляются по-разному на различных фокусных расстояниях. Вот почему «фиксы» качественней и дешевле, чем «зумы».

Наличие низкодисперсных элементов в объективах Nikon отмечает буквами ED. Если в маркировке объектива вы видите ED, то о хроматических аберрациях можете забыть. 

Информация для пользователей Canon:

CaF2 – Fluorite. Линзы, изготовленные из флюорита, обладают малым коэффициентом рассеяния, и, следовательно, снижают выраженность вторичных (пурпурно-зелёных) хроматических аберраций.

UD – Ultra-low Dispersion glass. Низкодисперсионное стекло имеет коэфициент рассеяния значительно меньше, нежели обычное оптическое стекло. Отдельные элементы объектива, изготовленные из UD стекла, призваны уменьшить вторичные хроматические аберрации. В силу меньшей кривизны поверхностей линзы из низкодисперсионного стекла меньше подвержены сферическим аберрациям, чем линзы из флюорита.

S-UD – Super Ultra-low Dispersion glass. Сверхнизкодисперсионное стекло ещё более низкодисперсионно по сравнению с обычным низкодисперсионным стеклом. На самом же деле между UD и S-UD нет практически никакой разницы.

AL – Aspherical Lens. Асферические линзы, включённые в оптическую схему объектива, используются для устранения сферических аберраций.

© Денис Аветисян

 

Смотрите также:

 

Аберрация хроматическая — Справочник химика 21

    Объективы представляют собою сложные многолинзовые системы. Изображение, переданное линзой, искажено вследствие аберрации. Обычно отмечают три вида аберрации хроматическую, сферическую и кривизну поля. [c.15]

    Полностью когерентные и полностью некогерентные пучки — это теоретические идеализации. Отсутствие пространственной и временной когерентности источников света существенно снижает их практическую ценность, так как ставит предел получению высокоинтенсивных пучков вследствие дифракционных расхождений, хроматической аберрации, необходимости существенного увеличения температуры. Например, из формулы Планка (5.5) следует, что в интервале частот 10 Гц с 1 км2 поверхности Солнца на Землю падает всего 0,01 Вт и для получения 100 Вт/см потребовалась бы температура в 10 2 к. В то же время существуют генераторы монохроматического радиоизлучения, дающие 1000 Вт/см и более если им приписать условную температуру, то она превзойдет указанную выше.

 [c.96]

    Щель устанавливают в фокусе объектива. Фокусное расстояние линзы вследствие дисперсии зависит от длины волны. Так для красных лучей показатель преломления любого материала меньше, чем для фиолетовых, поэтому для них фокусное расстояние больше. Это явле-ние называют хроматической аберрацией. Объектив коллиматора необходимо исправить на хроматическую аберрацию, иначе нельзя добиться параллельного хода лучей после коллиматора для разных длин волн. Обычно применяют сложные объективы из двух линз — собирающей и рассеивающей, изготовленных из материалов с разной дисперсией и показателем преломления. В целом объектив является 

[c.94]

    Объектив камеры можно не исправлять на хроматическую аберрацию — все равно лучи с разной длиной волны собираются в разных точках пространства. Фокальная поверхность в этом случае окажется [c.96]

    Если объектив камеры не исправлен на хроматическую аберрацию, то его фокусное расстояние и увеличение заметно растут в области больших длин волн. При одной и той же высоте и ширине щели спектрального аппарата линии, соответствующие большим длинам волн, имеют несколько большую высоту и ширину. [c.102]

    Объектив коллиматора в спектрографах обычно бывает жестко закреплен в своей оправе на основании прибора. В некоторых приборах объектив можно перемещать вдоль оптической оси для фокусировки. В тех случаях, когда объектив не исправлен на хроматическую аберрацию при переходе от одной области спектра к другой, его также приходится перемещать вдоль оптической оси. 

[c.130]

    Объектив камеры сделан из двух кварцевых линз. Фокальная поверхность объектива плоская для всего рабочего диапазона. Это позволяет совместить сразу весь спектр со светочувствительной поверхностью фотографической пластинки. Объектив камеры не исправлен на хроматическую аберрацию, поэтому фокальная поверхность спектрографа наклонена к оптической оси камеры под углом около 42°. [c.133]

    Первые два конденсора трехлинзовой осветительной системы изготовлены из кварца и флюорита для уменьшения хроматической аберрации. Поэтому при одном и том же положении конденсоров можно работать во всей рабочей области спектра. [c.133]

    Кварцевые спектрографы средней дисперсии ИСП-28 и ИСП-30. Отличительной чертой этих спектрографов является то, что коллиматором служит не объектив, а вогнутое алюминированное зеркало, благодаря которому устранена хроматическая аберрация входного коллиматора. На рис. 30.5 и 30.6 приведены оптические схемы этих приборов. 

[c.656]

    При исследовании технологического процесса изготовления микроотверстий выяснены зависимости их размеров от режимов обработки, изучены точностные характеристики лазерной микрообработки, оценено влияние хроматической аберрации фокусирующей оптики на стабильность и точность размеров обрабатываемых микроотверстий. Разработанная технология обработки микроотверстий внедрена на ряде предприятий. [c.34]

    Следуя [1], можно определить диаметр с з электронного зонда с током 1. Плотность тока в сфокусированном зонде приблизительно распределена по закону Гаусса, и поэтому можно определить размер зонда с з. Для практических целей диаметр зонда определяется как величина, внутри которой содержится некоторая определенная доля полного тока ( 85%). При расчете тока 3 обычно предполагается, что все значительные аберрации вызываются конечной линзой. Учитываются хроматическая II сферическая аберрации, а также дифракционная ошибка. Способ расчета состоит в вычислении отдельных диаметров зонда (1, хр, сф и йд, которые рассматриваются как функции ошибок, а эффективный размер пятна йз равняется корню квадратному из суммы квадратов отдельных диаметров  

[c.12]

    Назначение оптической системы — направлять излучение по нужному пути. Использование отражательных зеркал с наружным покрытием предпочтительнее, чем линз, так как последние имеют хроматическую аберрацию и преломляющая оптическая система должна постоянно перестраиваться с изменением длины волны.  [c.19]

    Предпочтительно производить пересъемку на просвет, что дает контрастность на порядок величины более высокую, чем при освещении фотооригинала на отражение. В обоих случаях применяют монохромное освещение, например — зеленое, что устраняет мешающую фокусировке хроматическую аберрацию. [c.166]

    Первые два конденсора трехлинзовой осветительной системы изготовлены из кварца и флюорита для уменьшения хроматической аберрации. Поэтому при одном и том же положении конденсоров можно работать по всей рабочей области спектра. Фокусировку спектрографа осуществляют перемещением щели вдоль оптической осн с помощью микрометрического винта. Правильное положение этого винта указывается в аттестате прибора. Угол наклона кассеты точно устанавливается на заводе. [c.245]

    Объективы, исправленные в отношении хроматической аберрации и для вторичного спектра, называются апохроматами. Линзы их для лучшей коррекции вторичного спектра делают из плавикового шпата, каменной соли, квасцов и других материалов.

Апохроматы дают возможность устранить окрашивание объекта и получить одинаково резкое изображение от лучей разного цвета. Максимального эффекта при работе с апохроматами можно достичь только при одновременном использовании компенсационных окуляров, возмещающих оптические недостатки объективов. В компенсационных окулярах хроматическая ошибка обратна хроматической ошибке объектива, и в результате хроматическая аберрация микроскопа оказывается почти полностью скомпенсированной. [c.7]

    В качестве примера цветов, имеющих постоянное значение, можно привести цвета, выбранные для сигнализации на транспорте [98]. Пределы цветности определяются прямыми линиями на цветовом графике (х, у) МКО 1931 г. (рис. 2.88). Местоположение этих пределов диктуется главным образом тем фактом, что светофильтры должны использоваться в совокупности с источниками света, имеющими значительный интервал цветовой температуры (от керосинового пламени до газополных ламп накаливания). Границы цветности устанавливаются для сигнальных огней красного, желтого, зеленого, синего и белого цвета.

Для сигнализации на большом расстоянии редко используются сигнальные огни синего цвета, так как часто синие стеклянные светофильтры пропускают некоторую часть длинноволнового (красного) излучения лампы. Вследствие хроматической аберрации глаза [33] сигнальный огонь синего цвета будет восприниматься в виде красной точки, окруженной несфокусированным синим светом. По этой причине избегают также использования пурпурного цвета для сигнализации на большом расстоянии. [c.388]

    Изображение, получаемое на выходе оптической системы, относительно изображения объекта имеет различные искажения, называемые аберрациями. Аберрации могут быть геометрическими и хроматическими, обусловленными неодинаковым прохождением света различных длин волн. 

[c.229]

    Хроматические аберрации проявляются при изменении длины волны монохроматического света или при использовании света сложного спектрального состава, например белого. Причина хроматических аберраций — дисперсия света, т. е. зависимость оптических свойств материала (показателя преломления вещества, затухания и др.) элементов оптической системы от длины волны света. В результате хроматических аберраций изображение размывается и в плоскости изображений образуются радужные полоски (рис. 6.2, г). [c.230]

    Призмой называют оптический элемент, выполненный из однородного материала в виде фигуры, ограниченной несколькими пересекающимися плоскостями, в частности, имеющей две параллельные грани (основания), представляющие собой равные многоугольники, а остальные грани (боковые)—параллелограммы. Призмы используются для изменения направления хода лучей и могут создавать хроматические аберрации. [c.231]

    Действие линзы заключается в преломлении света и собирании преломленных лучей в определенной точке. Однако, как отмечалось выше, излучения с неодинаковой длиной волны испытывают преломление в различной степени. Это неодинаковое преломление для лучей разного цвета означает, что каждая линза имеет несколько различное фокусное расстояние для лучей каждого цвета. Если объект, освещенный белым цветом, увеличивается двояковыпуклой линзой, края изображения будут окрашены в разные цвета. Этот эффект, называемый хроматической аберрацией, можно уменьшить, поместив перед линзой диафрагму так, чтобы фактически использовалась лишь небольшая центральная часть пучка. Можно также использовать линзу из материала, имеющего низкую преломляющую способность. Лучший способ получить для лучей различных цветов одно и то же фокусное расстояние заключается в использовании специальной комбинации линз. [c.227]

    Интересно оценить важность вкладов различных аберраций хр, сф и д в величину размера конечного пятна электронного зонда. В качестве примера можно рассчитать различные диаметры зонда , сф, д, которые, согласно уравнению (2.1), дают значение мин, равное 5 нм (50 А). Для РЭМ с вольфрамовым катодом (7о = 4,1 А/см ), работающего при 30 кВ, коэффициент сферической аберрации равен 20 мм, и в пренебрежении хроматической аберрацией получаем, согласно уравнениям (2. 8) и (2.9), макс = 1,64-10 А, а аопт=0,63-10 рад. Из уравнений (2.2), (2.3) и (2.5) получаем, что различные вклады в конечный диаметр размером 50 нм (500 А) составляют = 4,2 нм (42 А), сф = 2,5 нм (25 А), а д=1,4 нм (14 А). [c.18]

    Эти расчеты предполагают, что хроматическая аберрация не влияет на конечный размер пучка ( хр 0). Для микроскопии высокого разрешения при низких ускоряющих напряжениях, когда используются вольфрамовые шпильковые катоды, влияние хроматической аберрации становится нетривиальным. Вклад хроматической аберрации может быть рассчитан по уравнению (2А) 1хр= (АЕ1Е)1Схр а при Ссф = 0,8 см [2]. Для термокатода величина АЕ составляет 2—3 зВ. Используя эти значения для зонда размером 5 нм (50 А) при ускоряющем напряжении 30 кВ для указанного выше а = 0,63-рад, получим, что величина хр составляет 4 нм (40 А). Это существенный вклад, и, согласно уравнению (2.1), он приведет к эффекту возрастания з от 5 нм (50 А) до 6,5 нм (65 А). [c.19]

    Влияние хроматической аберрации для вольфрамового шпилькового катода становится более важным при низких ускоряющих напряжениях. Так, при использовании описанной выше схемы расчета для зонда размером 5 нм (50 А) величина хр составляет 8 нм при 15 кВ. Действие хроматической аберрации приводит к увеличению размера зонда до 9,5 нм (95 А). Так как разброс эмиттированных электронов по энергиям АЕ в пушке с катодом из ЬаВе почти такой же, как для вольфрамового катода [6], для нее нельзя ожидать существенного уменьшения влияния хроматической аберрации. Яркость пушки с катода из ЬаВе, однако, значительно выше, и здесь можно ожидать получения меньших значений мии. Тем не менее учет действия хроматической аберрации весьма важен при расчете предельного разрешения электронного пучка и при использовании такой электронной пушки. Интересно отметить, что разброс по энергии в автоэмиссионной пушке 0,2—0,5 эВ [7] намного меньше, чем в термоэлектронных пушках, о которых говорилось выше. [c.19]

    Как и всяким другим линзам, линзам объективов свойственны дефекты сферической и хроматической аберрации. Сферическая аберрация связана со свойством линз неравномерно преломлять периферические и центральные лучи. Первые обычно преломляются в большей степени, чем вторые, и поэтому пересекаются на более близком расстоянии к линэе. В результате изображение точки, рассматриваемой через оптическую систему, распределяется в пространстве между местами пересечения краевых и центральных лучей и приобретает вид расплывчатого пятна. [c.6]

    Явление хроматической аберрации возникает при прохождении через линзу пучка лучей с различной длиной волны. Преломляясь по-разному, лучи пересекаются не в одной точке. Сине-фиолетовые лучи с короткой длиной волны преломляются сильнее, чем красные с большей длиной волны. Вследствие этсу-о у бесцветного объекта появляется окраска. Для устранения дефектов сферической и ароматической аберрации применяют коррекционные (исправляющие) объективы ахроматы, апохроматы, планахроматы. Апохроматы используют для изучения окрашенных объектов. [c.6]

    Ахроматы устраняют практически полностью дефект сферической и частично хроматической аберрации. Они хорошо скоррегированы для первичного спектра (в частности, для желто-зеленой части спектра), но не устраняют вторичного спектра. Изображение, получаемое с помощью ахроматов, не окрашено, но края имеют красный или синеватый ореол. В современных ахроматах этот недостаток практически неуловим. Лучший материал для линз ахроматов — флинтгласы — старые сорта стекла с высоким содержанием окиси свинца. [c.6]

    Хрусталик. Хрусталик удерживается на месте радиальными мышцами, стремящимися растянуть его, а также сфинктерной мышцей, расположенной вокруг основания радиальных мышц. Сфинктерная мышца снимает напряжение с хрусталика, представляющего собой полутвердое упругое тело, и позволяет ему вновь вернуться в исходное выпуклое состояние. Для того чтобы видеть близлежащие объекты с достаточно высокой резкостью, сфинктерная мышца при аккомодации глаза должна сократиться, позволяя хрусталику принять естественную выпуклую форму. При рассматривании удаленных объектов сфинктерная мышца при аккомодации глаза расслабляется и позволяет радиальным мышцам сделать поверхность хрусталика почти плоской. С возрастом вещество хрусталика постепенно теряет свою упругость, так что растягивающие радиальные мышцы на него не действуют. Так наступает время, когда нам для работы необходимы очки. Кроме того, с возрастом хрусталик желтеет, а иногда и столь сильно изменяется, что совершенно теряет свою прозрачность — наступает катаракта. Ее появление может быть вызвано и продолжительным облучением инфракрасными излучениями при работе у нагревательных или иных печей. По мере того как хрусталик мутнеет, все предметы в поле зрения воспринимаются как сквозь туман, и так до тех пор, пока глаз не перестает различать какие бы то ни было детали, а опознает предметы лишь по их цвету. Хирургическое удаление хрусталика возвращает возможность различения деталей, но для фокусировки изображения на сетчатке в этом случае требуются очень сильные очки илп контактные линзы. При этом, конечно, теряется аккомодация зрения. Как уже упоминалось, для оптической системы хрусталика глаза характерны два дефекта, известные под названием сферической и хроматической аберраций. Вследствие хроматической аберрации синие и фиолетовые лучи фокусируются в точке, расположенной ближе к хрусталику, чем точки, где собираются в фокус зеленые, желтые и красные лучи. [c.18]

    Наличие защитных пленок и газа над объектом приводит к увеличению общей толщины слоя, через который проходят электроны, формирующие изображение, и, следовательно, к ухудшению разрешения за счет хроматической аберрации. Исследования Стояновой [36] показали, что две углеродно-коллодиевые пленки микрокамеры рассеивают до 30% падающих электронов за пределы апертурного угла 8-10 радиана при напряжении 80 кв. Японские исследователи также пришли к заключению, что для целей ограничения пространства газовой камеры весьма пригодны коллодиевые пленки, покрытые слоем углерода [40]. Хорошие результаты дают также комбинированные пленки из коллодия, алюминия и кварца [41]. Увеличение давления газа в камере почти до атмосферного вызывает снижение яркости изображения на 70% при толщине газового слоя 0,1 мм и на 20% при толщине [c. 38]

    Как и любой другой метод препарирования, метод тонких срезов имеет свои преимущества и недостатки. Достоинством его является возможность непосредственно наблюдать структуру не только поверхностных, но и внутренних слоев препаратов, если последовательно изучать срезы различных по глубине участков. При этом удается различать детали структуры, размеры которых составляют не менее /ю толщины среза. Это давно установленное эмпирическое правило было теоретически объяснено Косслеттом [174], принявшим во внимание потерю энергии электронами, рассеянными в образце, и хроматическую аберрацию объективных линз. Автор указывает, что невысокое разрешение в этом случае объясняется недостаточным контрастом. [c.120]

---

Что такое хроматическая аберрация?

Хроматическая аберрация — это проблема, которая возникает, когда линзе не удается сфокусировать все длины волн цвета в одной точке. Это может происходить с линзами в камерах, микроскопах и оптических устройствах, таких как бинокль, и это также может быть проблемой для человеческого глаза. При возникновении хроматической аберрации объекты могут выглядеть размытыми, а на изображении могут появляться ореолы и цветные полосы. Существует два типа хроматической аберрации: продольная и боковая, также известные как поперечные.

Эта проблема возникает из-за различных длин волн визуального света. Когда разные длины проходят через линзу, они преломляются по-разному, вызывая размытие, потому что линза не приводит их в одну точку фокусировки. Например, край объекта может казаться окаймленным цветом в результате боковой хроматической аберрации, а продольные хроматические аберрации могут затруднить отслеживание объектов и удержание их в фокусе.

Люди распознавали эту проблему при работе с линзами в течение сотен лет. Когда люди узнали больше о природе видимого света, они начали предпринимать шаги по снижению хроматической аберрации, включая разработку ахроматических линз, которые исправляли бы ошибки рефракции, чтобы сохранить фокусировку. Такие линзы могут состоять из нескольких линз в комплекте или одной линзы, которая специально подрезана для решения проблем с фокусировкой цвета. Внутри глаза структура глаза отчасти предназначена для коррекции хроматической аберрации, чтобы люди могли ясно видеть.

Хроматическая аберрация является ошибкой многих фотографов. Это может быть большой проблемой с широкоугольными объективами, и это может произойти вблизи краев изображения, даже с объективами очень высокого качества. Многие программы для редактирования фотографий оснащены инструментами, которые можно использовать для исправления хроматической аберрации в постпроизводстве, что показывает, насколько распространена эта проблема. Следует помнить одну вещь: хотя хроматическая аберрация может быть неочевидной при просмотре изображения небольшого размера, она может быть очень заметна при увеличении, поэтому рекомендуется увеличить изображение, чтобы убедиться, что оно четкое прежде чем делать увеличенные отпечатки.

Проблемы с регистрацией цвета и фокусировкой не всегда вызваны хроматической аберрацией. Могут быть и другие проблемы, такие как засветка объектива или проблемы со способом хранения, будь то пленка или карта памяти.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Хроматические аберрации в фотографии

Хроматические аберрации – это разновидность искажений изображения, возникающих в связи с неидеальностью оптики. Это явление обусловлено дисперсией света при прохождении его сквозь линзу объектива. Оно связано с тем, что лучи, имеющие разную длину волны (разные цвета) имеют разный коэффициент преломления. Белый луч раскладывается на спектр всех цветов радуги, а цвета преломляются под разными углами и фокусируются на разных плоскостях.

Хроматические аберрации нередко приводят к появлению цветных контуров, пятен и полос, которые снижают четкость изображения и особенно заметны на переходе контрастных объектов. Наглядным примером может служить снимок дерева или здания на фоне солнечного неба. Наиболее сильно этот дефект проявляется при открытой диафрагме.

В современных объективах (а именно объективы дают хроматические аберрации) используются низкодисперсные элементы, которые дают меньшее преломление и более четкую картинку. У фирмы Nikon такие объективы обозначаются знаком ED (Extra-Low Dispersion). Для этой же цели применяются асферические линзы, позволяющие получить изображение с меньшим количеством подобных дефектов. Существуют также камеры с автоматическим контролем аберраций.

Но если уже имеющийся объектив все же дает эти искажения, есть множество способов борьбы с ними. Можно применять светофильтры, править фотографии в одном из редакторов или использовать плагин, подавляющий хроматические аберрации. Как убрать эти артефакты с помощью программы Adobe Fhotoshop быстро и просто? Один из вариантов приведен ниже.

Открываем RAW файл  в Photoshop, он подхватывается Adobe Camera Raw. Далее переходим к закладке Lens Corrections. В параметре Defringe указываем All Edges, после чего каемки становятся менее яркими. Теперь начинаем двигать ползунки – сперва Red/Cyan до тех пор, пока не поблекнет синяя кайма, потом Blue/Yellow до того момента, когда исчезнут цветные ареолы. Все, снимок готов. 

Фотографии в формате JPEG можно редактировать при помощи такого фильтра как Distort – Lens Correction. Несложно избавиться от хроматических аберраций и с помощью программы Adobe Lightroom. Преимущество последней в том, что, обработав один снимок, можно использовать те же настройки для всей серии при помощи функции Синхронизации.

Самый простой, но не всегда корректный способ убрать эти досадные артефакты – перевести снимок в черно-белый формат или изначально снимать в черно-белом режиме. Кроме того, зная, что объектив страдает таким недостатком, нужно избегать снимков на открытой диафрагме. 

Наиболее часто хроматические аберрации возникают в объективах, имеющих большую кратность зумирования. Все дело в том, что на различных фокусных расстояниях эти искажения проявляются по-разному, в связи с чем просчитать и компенсировать все возможные дефекты в такой сложной схеме бывает крайне непросто. Именно поэтому объективы, имеющие фиксированное фокусное расстояние, дают более качественную картинку и стоят, как правило, гораздо дороже, чем «зумы».

Существуют и другие аберрации оптических систем. При использовании сферических объективов возникают сферические аберрации, связанные с разницей в распределении освещенности в середине линзы и по краям. Выражается этот дефект в смазывании, напоминающем ореол. К размытию изображения приводят и такие аберрации как кома и астигматизм. Еще один распространенный дефект, особенно характерный для широкоугольных и телеобъективов – оптическая дисторсия, которая существенно преувеличивает ощущение глубины кадра. Она выражается в искривлении прямых линий  и может быть выпуклой и вогнутой.

Большинство аберраций в настоящее время нетрудно исправить в графических редакторах. Но иногда, зная особенности своей техники, проще учесть их при съемке и по возможности избежать неудачных ракурсов.

Хроматическая аберрация — Ignite Pro

Хроматическая аберрация разделяет отдельные цветовые каналы изображения и немного смещает их для создания несовершенного цветового совмещения. Это эффективно для воспроизведения призматического эффекта, часто создаваемого источниками света на камере, или для создания цветного искажения или гранжа.

• Расстояние: Регулирует расстояние между исходным местоположением и аберрацией. Положительные значения перемещают аберрацию в направлении угла, указанного ниже.Отрицательные значения перемещают аберрацию в противоположном направлении.
• Strength: Управляет интенсивностью аберрации. При 100% используется полное значение аномального канала. При более низких значениях эффект уменьшается.
• Использовать линзу: Включение этого параметра открывает круговой элемент управления в средстве просмотра. Перетащите радиус круга, чтобы отрегулировать аберрацию.
• Угол: Задает направление смещения аберрации.
• Каналы: Выберите каналы для смещения.Канал, не внесенный в список, остается в исходном положении.
  • Красный и синий: Смещение красного и синего каналов в противоположных направлениях.
  • Красный и зеленый: Смещение красного и зеленого каналов в противоположных направлениях.
  • Зеленый и синий: Смещение зеленого и синего каналов в противоположных направлениях.

Радиус

Каждый канал можно размыть независимо. Эти элементы управления определяют радиус размытия, применяемого к каждому каналу.

• Красный: Укажите радиус размытия, применяемого к красному каналу.
• Зеленый: Укажите радиус размытия, применяемого к зеленому каналу.
• Синий: Укажите радиус размытия, применяемого к синему каналу.
• Альфа: Укажите радиус размытия, применяемого к альфа-каналу.

Размер

Выберите размер, в котором применяется размытие. Размер можно настроить для каждого канала или для всех каналов сразу.

• Переключить все размеры: Синхронизирует все каналы с одной и той же настройкой, затем изменяет настройку, применяемую ко всем каналам вместе, для их синхронизации.
• Красный: Регулирует размер размытия красного канала.
• Зеленый: Регулирует размер размытия зеленого канала.
• Синий: Регулирует размер размытия синего канала.
• Alpha: Регулирует размер размытия на альфа-канале.
  • По горизонтали и вертикали: Выбор этого параметра для любого канала размывает канал в обоих измерениях.
  • По горизонтали: Выбор этого параметра для любого канала размывает канал слева направо по оси X.
  • По вертикали: Выбор этого параметра для любого канала размывает канал сверху вниз по оси Y.

Хроматическая аберрация — Вселенная сегодня

[/ caption]

Некоторые цвета просто не поспевают за другими! Что ж, это, наверное, самый простой способ выразиться.Но когда ученые говорят о характеристиках света, правильнее было бы сказать, что разные цвета света распространяются с разной скоростью или имеют разные длины волн и, следовательно, по-разному преломляются. Хорошо известным примером этого является эффект призмы, когда луч белого света разбивается на цвета радуги. В результате, когда объекты просматриваются через простую линзу, свет будет преломляться (изгибаться) под разными углами, а это означает, что он не будет отображать все в одном и том же месте.Искажение приводит к появлению «полос» цвета вдоль границ, разделяющих темные и светлые части изображения. Этот эффект, известный как хроматическая аберрация, может стать настоящей проблемой для астрономов, геодезистов, фотографов или почти любого, кто хочет рассмотреть объект (или объекты) через объектив и должен делать это четко!

Сэр Исаак Ньютон был первым, кто продемонстрировал этот эффект около двухсот лет назад, когда он обнаружил, что свет состоит из нескольких длин волн.Эти цвета преломляются неравномерно: синий свет преломляется на более коротких длинах волн, а красный свет преломляется на более длинных, а зеленый преломляется в середине. С тех пор ученые, астрономы и оптики пришли к выводу, что два основных вида аберраций. Первый — осевой (или продольный), когда разные длины волн фокусируются на разном расстоянии, потому что линза не может фокусировать разные цвета в одной и той же фокальной плоскости. Вторая — это поперечная (или боковая) аберрация, когда разные длины волн фокусируются в разных положениях в фокальной плоскости, а эффект заключается в боковом смещении изображения.В первом случае искажение происходит по всему изображению, тогда как во втором искажение отсутствует от центра, но увеличивается к краю.

Есть много способов исправить хроматическую аберрацию. В 17 веке телескопы должны были быть очень длинными, чтобы исправлять искажения цвета. Сэр Исаак Ньютон решил эту проблему, создав в 1668 году сравнительно компактный телескоп-рефлектор, в котором для решения этой проблемы использовались изогнутые зеркала. Другой — ахроматический объектив (или ахроматический дублет); двойная линза, в которой используются два вида стекла, которые фокусируют весь белый свет, попадающий в одну и ту же точку с другой стороны линзы. Многие типы стекла, известные как стекла с низкой дисперсией, были разработаны для уменьшения хроматической аберрации, наиболее заметными из которых являются стекла, содержащие флюорит.

Открытие хроматической аберрации и разработка корректирующих линз были важными шагами в развитии оптического микроскопа, телескопа; что, в свою очередь, стало благом для астрономов и биологов, которые в результате смогли лучше понять Вселенную и мир природы.

Мы написали много статей о хроматической аберрации для Universe Today.Вот статья об оптической аберрации, а вот статья об ахроматическом объективе.

Если вам нужна дополнительная информация о хроматической аберрации, загляните в Hyperphysics, чтобы найти отличную статью о хроматической аберрации, а вот ссылку на обсуждение хроматической аберрации Мудрым Гиком.

Мы также записали целый эпизод Astronomy Cast, посвященный выбору и использованию телескопа. Послушайте, Эпизод 33: ​​Выбор и использование телескопа.

Источники:
http: // en. wikipedia.org/wiki/Chromatic_aberration
http://toothwalker.org/optics/chromatic.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/geoopt/aber2.html
http: // www. yorku.ca/eye/chroaber.htm
http://www.yorku.ca/eye/achromat.htm

Как это:

Нравится Загрузка …

Дифракционные линзы с коррекцией хроматической аберрации для сверхширокополосной фокусировки

Недавняя работа предложила использование металин для широкополосной ахроматической фокусировки ¹ .Здесь мы показываем, что нет необходимости использовать концепции метаповерхностей или метаповерхностей, чтобы обеспечить такую ​​фокусировку. Скалярная дифракционная оптика при соответствующей конструкции может легко обеспечить сверхширокополосную ахроматическую фокусировку. Такая дифракционная оптика может быть намного проще в изготовлении и может обеспечивать независимую от поляризации фокусировку. Идеальный объектив фокусирует одну точку в пространстве объекта на одну точку в пространстве изображения ² . Почти все системы визуализации страдают хроматическими аберрациями, что означает, что свет с разными длинами волн создает фокусные пятна в разных пространственных точках ² .Это явление ухудшает производительность как систем ^3,4 , так и систем ⁵ без визуализации при широкополосном освещении. Например, цветная камера без коррекции хроматической аберрации будет формировать пространственно смещенные и расфокусированные изображения синего, зеленого и красного каналов.

Хроматическая аберрация возникает либо из-за дисперсионных свойств материала, либо из-за структуры оптики. Для преломляющих линз более длинные волны фокусируются на большем расстоянии, поскольку в большинстве диэлектрических материалов показатель преломления уменьшается на более длинных волнах.На рис. 1 (а) показан простой пример двояковыпуклой стеклянной линзы и соответствующий сдвиг ее фокуса, рассчитанный по уравнению производителя линз ² . С другой стороны, обычная дифракционная линза (зонная пластина) демонстрирует противоположную хроматическую аберрацию (рис. 1 (b)) ^6,7,8 . Угол дифракции пропорционален длине волны ² , поэтому более длинные волны фокусируются ближе, чем более короткие.

Рисунок 1

Фокусирующая оптика с номинальным фокусным расстоянием f = 120 мм при λ = 540 нм (верхний ряд) и их расчетной осевой хроматической аберрацией Δf (нижний ряд).

Предполагается, что обычно падающее равномерное освещение. ( a ) Двояковыпуклая рефракционная линза (стекло BK7). ( b ) Амплитудная (бинарная) зонная пластинка. ( c ) Схематическое объяснение суперхроматической дифракционной линзы. В идеале смещение фокуса по всему спектру остается нулевым.

Хроматическую аберрацию можно приблизительно скорректировать, используя материалы, которые демонстрируют дополнительную дисперсию, например, ахроматический дублет и триплет ^9,10,11 . Однако этот метод является громоздким, поскольку количество материалов равно количеству длин волн, на которых хроматические аберрации минимизированы ^10,11 . Дополнительное выравнивание делает эти линзы дорогими и громоздкими. Гибридные рефракционно-дифракционные линзы работают немного лучше, но их сложность еще выше ^12,13,14 . Такие конструкции, которые работают для более чем трех длин волн, редко изучаются. Альтернативный подход заключается в использовании апертуры с фазовым кодированием ¹⁵ , но для этого требуется точная полировка поверхности стекла. Во всех этих случаях сложно изготовить такие корректируемые линзы с микромасштабной толщиной.

Метаповерхности используют поверхностные плазмонные или нанофотонные явления для локального создания резкого фазового сдвига с целью целенаправленного манипулирования дифракционной картиной ^16,17 .Предыдущие исследования показали его потенциал при аномальном отражении и преломлении и генерации сложного пучка ^16,18,19 . Здесь мы подчеркиваем, что метаповерхности превосходны, когда необходимо управлять векторными свойствами света, как в случае высокоэффективного поляризатора ²⁰ , но они не требуются для управления скалярными свойствами света. Лучшая альтернатива — дифракционная оптика. Требования к изготовлению метаповерхностей гораздо более жесткие с точки зрения разрешения и точности по сравнению с дифракционной оптикой.Кроме того, метаповерхности по своей природе чувствительны к поляризации ^{1,16,17,18,19,20} . Здесь мы повторяем, что дифракционная оптика может легко обеспечить широкополосную фокусировку, сохраняя при этом планарную архитектуру. Ранее мы использовали дифракционную оптику как разделитель / концентратор солнечного спектра ²¹ , многоцветный кодировщик ²² , фазовые маски для трехмерной литографии ²³ и дисперсионные элементы в вычислительной спектроскопии ²⁴ .

Здесь мы расширяем понятие широкополосной дифракционной оптики до суперхроматической фокусировки.В частности, мы разработали, изготовили и охарактеризовали 4 различных плоских цилиндрических линзы с коррекцией хроматической аберрации. Каждая линза имеет максимальную толщину 3 мкм и минимальный размер элемента 3 мкм. На все устройства можно легко нанести рисунок с помощью литографии в оттенках серого и недорого воспроизвести для массового производства с помощью литографии отпечатков ^25,26 . Возможности наших линз по коррекции аберраций не уступают коммерческим дублетам или даже превосходят их. Были сконструированы два типа линз.Один был разработан для трех дискретных длин волн, а другой — для непрерывного широкополосного освещения.

Схема поперечного сечения нашей дифракционной линзы с коррекцией хроматической аберрации (CACDL) показана на рис. 2 (а). CACDL состоит из пикселей, которые могут быть квадратными (2D) или линейными канавками (1D). В описываемых здесь устройствах канавки имеют ширину Δ = 3 мкм и высоту, h _i соответствует канавке i ^th . Каждая канавка передает относительный фазовый сдвиг, равный, где n (λ) — показатель преломления материала устройства на длине волны λ ²² .Для простоты в качестве материала устройства мы используем фоторезист положительного тона SC1827, нанесенный на подложку из известково-натриевого стекла. Коммерческий инструмент для литографии в оттенках серого использовался для быстрого создания модели устройства за один этап ^21,22,23,24 . Ширина Δ определяется разрешением этого инструмента.

Рисунок 2

( a ) Схема дифракционной линзы с коррекцией хроматической аберрации (CACDL) с фокусным расстоянием, f. Наш первый набор CACDL был разработан для фокусировки λ = 460 нм, 540 нм и 620 нм.Желаемое распределение интенсивности света в фокальной плоскости (или функции рассеяния точки или PSF) продиктованы дифракцией. Этот одномерный CACDL состоит из линейных канавок с проектной высотой h _i . SC1827 — фоторезист, используемый для изготовления CACDL. ( b ) Иллюстрация преобразования из точки CACDL x в фокус x ′. ( c ) Распределение интенсивности (вверху) и фазы (внизу) света (λ = 540 нм), дифрагированного одной канавкой (ширина = 3 мкм, высота = 1).2 мкм, масштабные линейки: 1 мкм) смоделированы с помощью FDTD. Предполагалась линейная поляризация по X. ( d ) Фотография четырех CACDL, нанесенных на стеклянную подложку. ( e ) Оптическая микрофотография угла одного CACDL. Врезка: увеличенное изображение. ( f ) Изображение профилометра области в зеленой рамке в ( e ). Максимальная высота ~ 3 мкм. ( г ) Изображения поперечных сечений двух CACDL, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (масштабные полосы: 5 мкм).

Для достижения суперахроматических характеристик мы применили модифицированный алгоритм прямого двоичного поиска (DBS) для оптимизации распределения высот канавок, h _i ^{21,22,23,24,27} .Это итерационный метод, основанный на возмущениях. Подробности алгоритма проектирования включены в Дополнительные материалы. Целевая функция рассеяния точки (PSF) определяется как дифракционно-ограниченная гауссова система с полной шириной на полувысоте (FWHM), определяемой с помощью. Числовая апертура ( NA ) определяется выражением, в котором L = N Δ — общая длина объектива, N — общее количество канавок и f — расчетное фокусное расстояние. По сравнению с другими алгоритмами оптимизации для многоволновой дифракционной оптики ^28,29 , наш метод применим в целом ^{20,21,22,23,24} , и наш подход является первой экспериментальной демонстрацией суперахроматической и непрерывной широкополосной фокусировки с использованием дифракционная оптика.

Дифракционная картина в фокальной плоскости определяется фазой, полученной светом, пропускающим дифракционную линзу (рис. 2 (c)), и фазой, полученной через длину оптического пути в воздухе (рис. 2 (b)). Для фокусировки с коррекцией хроматической аберрации при x ′ три или более длин волн должны дифрагировать от местоположения, x , так, чтобы они конструктивно интерферировали в фокусе, x ′. Наш метод конструирования дифракционной линзы реализует оптимальное распределение по высоте, которое может приблизительно соответствовать такой конструктивной интерференции.В нашем объективе есть канавки N , и каждая канавка может занимать дискретные уровни высоты P . Следовательно, общие степени свободы могут быть огромными, P ^N . Это обеспечивает исключительную гибкость конструкции, как показано ниже. Мы разработали и изготовили четыре CACDL (см. Рис. 2 (г)). Для каждого устройства были приняты периодические границы при проектировании и изготовлено 7 периодов, каждый длиной L = 8,4 мм. На рис.2 (д, е, ж) соответственно. Микрофотографии поперечного сечения расколотого образца (рис. 2 (g)) показывают, что канавки закруглены из-за ограничений разрешения нашего литографического инструмента. Тем не менее, средняя высота внутри каждой канавки находилась в пределах 100 нм от расчетного значения. Примечательно, что максимальное соотношение сторон составляет 1: 1, что намного меньше, чем у металин ^1,30 . Кроме того, литографическое разрешение, необходимое для наших CACDL, составляет всего 3 мкм (5λ для λ = 600 нм) по сравнению с ~ 100 нм (0.065λ для λ = 1550 нм) для металлов ¹ . Чтобы добиться широкополосной фокусировки в видимой области с помощью металин, потребуются элементы размером 39 нм и соотношением сторон более 3: 1.

Чтобы экспериментально продемонстрировать фокусировку с поправкой на хроматические аберрации, мы осветили каждую CACDL с помощью пространственно коллимированного луча от источника суперконтинуума (SuperK EXTREME EXW6, NKT Photonics), который сначала был обработан с помощью реконфигурируемого полосового фильтра (SuperK VARIA, НКТ Фотоника).Фильтр позволил нам осветить CACDL одной дискретной длиной волны за раз (минимальная ширина полосы 10 нм). Затем в окрестности проектируемого фокуса помещалось одномодовое волокно (SMF, диаметр сердцевины ~ 8 мкм), подключенное к спектрометру (Ocean Optics Jaz). Волокно сканировали с использованием моторизованного 2-осевого столика с шагом 3 мкм и 10 мкм по осям X ‘и Z соответственно. Спектры пропускания собирались в каждом месте. Окончательные результаты были получены после вычитания темного спектра из исходных данных и деления на эталонный спектр (прошедший через фоторезист без рисунка).

Сначала мы рассмотрим CACDL, разработанные для трех дискретных длин волн (460 нм, 540 нм и 620 нм). Чтобы продемонстрировать гибкость нашего подхода, мы разработали 3 различных линзы со следующими параметрами: количество канавок, N = 2800, 2800, 280; фокусное расстояние, f = 120 мм, 25 мм и 10 мм, что соответствует числовой апертуре, NA = 0,035, 0,166 и 0,042 соответственно. На рис. 3 (a – i) представлены смоделированные и измеренные распределения интенсивности света в фокальной плоскости на трех расчетных длинах волн.Как и ожидалось, все 3 линзы демонстрируют четкую апохроматическую фокусировку. Моделирование скалярной дифракции предсказывает среднюю оптическую эффективность 30,0%, 30,4% и 39,0% для трех конструкций. Соответствующие измеренные средние оптические эффективности составляют 24,9%, 23,0% и 21,5%, что намного выше, чем у ахроматических линз ¹³ , о которых сообщалось ранее. Еще более высокая эффективность (> 50%) возможна с более толстыми микроструктурами (рис. S13 в дополнительных материалах). Теоретически неидеальная эффективность (<100%) в первую очередь связана с отсутствием идеальной интерференции (конструктивной в фокусе и деструктивной на заднем плане). Вообще говоря, эта эффективность определяет контраст или разрешение в оптической системе. Здесь мы определяем оптическую эффективность как отношение мощности в пределах области, определяемой первым нулем, к полной падающей мощности. Мы также можем количественно оценить ахроматичность CACDL, измеряя поперечный и осевой сдвиг фокуса как функцию длины волны. Их можно рассчитать, сравнивая 2D PSF (плоскость X ′ Z ) на каждой длине волны с центральной длиной волны 540 нм.Боковое и осевое смещение фокуса для первой конструкции составляло 0,32 мкм, 6,7 мкм (моделирование) и 1,3 мкм, 25 мкм (эксперимент), соответственно. Это лучше, чем то, что может быть достигнуто с помощью обычных комбинаций преломляющих линз ⁹ .

Рисунок 3

CACDL для 3 дискретных длин волн (апохроматы).

Смоделированные и измеренные функции рассеяния точки (PSF) на λ = 460 нм ( a , d , g ), λ = 540 нм ( b , e , h ) и λ = 620 нм ( c , f , i ). Каждый столбец представляет один CACDL. Моделируемые ( j — n )) и измеренные ( o — s ) 2D PSF первой конструкции для λ = 460 нм ( j , o ), 500 нм ( k , p ), 540 нм ( l , q ), 580 нм ( m , r ) и 620 нм ( n , s ) (масштабные полосы: 20 мкм). Белые пунктирные линии обозначают фокальную плоскость. На вставках: полутоновые изображения фокальной плоскости, снятые монохромной CMOS-камерой при освещении дискретными длинами волн от фильтра VARIA (масштабные полосы: 1 мм, время экспозиции = 3 мс).

Из-за конечного диаметра сердечника SMF измеренные PSF шире, чем фактические распределения. Это особенно очевидно в CACDL с наибольшей числовой апертурой (рис. 3 (г – е)). Ошибки изготовления, а также ограниченный угол приема SMF способствуют снижению оптической эффективности. 2D PSF ( X ′ Z ) первой конструкции на пяти длинах волн (460 нм, 500 нм, 540 нм, 580 нм и 620 нм) показаны на рис. 3 (j – n) (моделирование) и Рис. 3 (o – s) (измерение).Моделирование скалярной дифракции имеет разрешение 0,2 мкм и 2,5 мкм в направлениях X ′ и Z . Измеренные графики численно интерполируются в ту же сетку для визуального сравнения. Вблизи номинальной фокальной плоскости (белые пунктирные линии) четко наблюдается фокусировка только для проектных длин волн (460 нм, 540 нм и 620 нм). На других длинах волн фокусировки не обнаружено (рис. 3 (k, p, m, r)). Еще одно простое свидетельство апохроматической фокусировки — это изображения, полученные в фокальной плоскости с помощью монохромного датчика (DMM22BUC03-ML, The Imaging Source) с длиной волны освещения, выбранной фильтром VARIA, показанные на вставках на рис.3 (о – с). Обратите внимание, что схема SMF-спектрометра использовалась для точного измерения PSF (рис. 3 (a – i) и (o – s)), поскольку спектрометр имеет более высокое спектральное разрешение (0,4 нм), чем фильтр VARIA, и больший динамический диапазон ( 16 бит), чем датчик (8 бит).

Затем мы расширили наш CACDL, чтобы сфокусировать непрерывное широкополосное освещение в видимом спектре (450–690 нм, суперхроматический). Это достигается за счет увеличения выборки длины волны до 5 нм во время проектирования. Он был разработан с N, = 2500, фокусным расстоянием, f, = 280 мм и NA = 0.013. Смоделированные и измеренные одномерные PSF в проектной фокальной плоскости в зависимости от длины волны показаны на рис. 4 (a, b), соответственно. Обратите внимание, что графики нормализованы к пику на каждой длине волны, чтобы учесть спектр источника. Белые точки (слева) и крестики (справа) указывают на поперечный (Δ x ) и осевой (Δ f ) смещения фокуса на каждом рисунке. Эти сдвиги были получены из 2D ( X ′ Z ) PSF. Смоделированные и измеренные 2D PSF на 3 длинах волн показаны на рис.4 (г – е) и 4 (г – я) соответственно. Опять же, измерения были интерполированы с тем же разрешением, что и моделирование. Поперечный сдвиг, усредненный по всем длинам волн, составляет 0,47 мкм (моделирование) и 1,65 мкм (эксперимент). Осевой сдвиг, усредненный по всем длинам волн, составляет 23,5 мкм (моделирование) и 73,6 мкм (эксперимент). Оба сдвига значительно меньше, чем у дифракционной линзы, оптимизированной для одной длины волны (рис. S12 в дополнительных материалах). Максимальный сдвиг аксиального фокуса Δ f сопоставим с таковым у коммерческих ахроматических дублетов ⁹ .Однако наш CACDL тонкий (плоский), недорогой и состоит только из одного материала. Спектр оптической эффективности показан на рис. 4 (c). Расхождения между смоделированными и измеренными кривыми в основном связаны с ошибками изготовления в профиле высоты CACDL. Эффективность падает на более длинных волнах. Это может быть потенциально компенсировано соответствующим взвешиванием эффективности различных длин волн во время проектирования ^21, и оптимизацией процесса формирования рисунка. Как и раньше, монохромные изображения, освещенные тремя длинами волн (выбранными VARIA), показаны на вставках на рис.4 (г – я).

Рисунок 4

CACDL для широкополосной (от 450 нм до 690 нм) фокусировки (суперахромат).

( a ) Смоделированы и ( b ) измерены одномерные PSF как функция длины волны. На вставках слева: сдвиг бокового фокуса Δ x в зависимости от длины волны (белые точки). Правые вставки: сдвиг аксиального фокуса Δ f в зависимости от длины волны (белые кресты). ( c ) Смоделированная (черный) и измеренная (красный) оптическая эффективность в зависимости от длины волны. На вставках: фотографии фокуса на белом экране наблюдения на разных длинах волн.Смоделированные ( d – f ) и измеренные ( g – i ) 2D PSF для λ = 450 нм ( d , g ), λ = 540 нм ( e, h ) и λ = 630 нм ( f, i ) (шкала: 30 мкм). Пунктирно-белые линии очерчивают фокус. На вставках: изображения фокуса, снятые монохромным датчиком (шкала: 1 мм). Время выдержки t = 4 мс.

CACDL нечувствительны к состоянию поляризации падающего света. Это сильное преимущество перед металензиями, так как большинство систем визуализации требуют поляризационно-независимой фокусировки.Чтобы доказать это, мы осветили первую конструкцию CACDL (с рис. 2 (а)) линейно поляризованным светом и наблюдали фокус, в то время как поляризация была повернута на 90 градусов. В нашей номенклатуре поперечный магнитный (TM) относится к электрическому полю, поляризованному вдоль вырожденного направления Y CACDL, в то время как поперечное электрическое (TE) относится к поляризованному вдоль направления X (см. Вставку на рис. 5). (а)). Измеренные PSF для трех проектных длин волн (рис. 5 (a – c)) идентичны для ортогональных поляризаций.Кроме того, моделирование дифракции на одной канавке с помощью метода конечных разностей во временной области (FDTD) (рис. 5 (d)) подтверждает, что как амплитуда, так и фаза дифрагированного света идентичны для обеих поляризаций. Это ожидаемо, поскольку наименьший период CACDL составляет 6 мкм, что намного больше, чем интересующие длины волн.

Рисунок 5

Влияние поляризации, ошибок изготовления и наклонного падения.

Измеренные PSF CACDL # 1 при ортогональных поляризациях для ( a ) λ = 460 нм, ( b ) λ = 540 нм и ( c ) λ = 620 нм.На вставке: определения состояний падающей поляризации. ( d ) Моделирование распределения электрического поля света, дифрагированного от одной бороздки фоторезиста шириной 3 мкм и высотой 1,5 мкм для TM (слева) и TE (справа) поляризаций с использованием FDTD. ( e ) Смоделированная усредненная по длине волны оптическая эффективность (левая ось Y) и усредненный по длине волны сдвиг аксиального фокуса (правая ось Y) как функция ошибок изготовления. Вставка: схематическое изображение, показывающее, как применяются ошибки изготовления. ( f ) Смоделированные усредненная по длине волны оптическая эффективность (вверху) и усредненный по длине волны сдвиг бокового фокуса (посередине) и сдвиг аксиального фокуса (внизу) двух CACDL в зависимости от угла падения θ. Средняя и нижняя панели имеют одинаковые координаты X. Врезка: определение θ.

Во всей микрооптике ошибки изготовления оказывают большое влияние на оптическую эффективность. Мы численно проанализировали это влияние, добавив случайные ошибки с различными стандартными отклонениями к распределению проектной высоты. Результаты, представленные на рис. 5 (e), показывают, что CACDL устойчивы к ошибкам высоты до ~ 100 нм, что, в свою очередь, соответствует двум уровням высоты (Δ h = H / ( P −1) = 50 нм).Следовательно, наше устройство относительно устойчиво к ошибкам изготовления, что согласуется с предыдущими устройствами, разработанными с использованием соответствующих технологий ^{20,21,22,23,24} . Как и ожидалось, эффективность снижается с увеличением ошибок (левая ось Y на рис. 5 (e)), и устройство с меньшим количеством канавок (CACDL # 3) более подвержено ошибкам изготовления ^21,22 . Это связано с тем, что конструктивная интерференция постепенно разрушается, когда фазовое распределение отклоняется от оптимального дизайна. Более того, усредненный по длине волны сдвиг аксиального фокуса увеличивается с ошибками (правая ось Y на рис. 5 (e)). Для CACDL # 1 поддерживается малым, когда ошибка меньше 100 нм, в то время как для CACDL # 4 она быстро ухудшается. Вероятно, это является следствием того факта, что широкополосная суперхроматическая фокусировка требует более строгого фазового согласования по сравнению со случаем фокусировки только трех длин волн.

Мы также смоделировали удар наклонного падения (рис. 5 (f)). Фокус, усредненный по длине волны, смещается как в поперечном, так и в осевом направлении с изменением угла падения θ.Следовательно, оптическая эффективность, усредненная по длине волны, падает при падении с отклонением от нормы (верхняя панель). Тем не менее, оба изученных CACDL сохраняют свою эффективность при θ ~ ± 4 ^o . Усредненный по длине волны сдвиг бокового фокуса (средняя панель) и сдвиг осевого фокуса (нижняя панель) нелинейно возрастают с увеличением θ. Однако обе конструкции сохраняют приемлемые хроматические аберрации в диапазоне θ ~ ± 4 ^o . Обратите внимание, что даже несмотря на то, что мы предполагали периодические границы во время проектирования, эксперименты показывают, что это не является строго необходимым, как указано в дополнительных материалах.Наконец, хотя наши устройства были одномерными, их можно легко расширить до 2D ^20,22,23 , а также почти до любого электромагнитного спектра.

Хроматическая аберрация — Procreate® Handbook

Adjustments

Добавьте эффект хроматической аберрации к вашим изображениям.

Сдвиньте красную и синюю плоскости изображений RGB, чтобы имитировать эффект хроматической аберрации объектива камеры. В фотографии этот эффект довольно тонкий и выглядит как легкий синий или красный ореол. Procreate дает вам полный контроль над направлением и расстоянием аберрации.Это позволяет преувеличить этот эффект.

Нажмите Adjustments > Chromatic Aberration , чтобы войти в интерфейс Chromatic Aberration .

12

Фильтр хроматической аберрации имеет два разных режима:

1

Перспектива

Перспектива позволяет вам установить точку фокусировки, от которой возникает хроматическая аберрация.

2

Displace

Displace позволяет смещать хроматическую аберрацию по горизонтали и вертикали.

Режим перспективы

Примените Хроматическая аберрация радиально от точки фокусировки в любом месте холста.

1234

1

Сенсорное управление

Проведите пальцем вправо и влево, чтобы изменить степень хроматической аберрации, применяемой к изображению.

В верхней части холста вы увидите полосу с надписью Хроматическая аберрация . Эта полоса отображает количество хроматической аберрации, примененной к вашему изображению, в процентах.

Изначально установлено значение 0% хроматической аберрации . Проведите пальцем вправо, чтобы увеличить количество красного и синего разделения. Проведите пальцем влево, чтобы уменьшить расстояние между ними.

Интерфейс

Установите Focal Point и контролируйте количество переходов и Fall off , которые есть у Chromatic Aberration .

2

Focal Point

При первой активации Chromatic Aberration вы увидите небольшой заштрихованный кружок в центре вашего холста — это фокус Focal Point .Хроматическая аберрация будет исходить из центра фокальной точки . Это становится более преувеличенным, чем дальше от центра Координатная точка .

Коснитесь и перетащите белую точку в центре Focal Point , чтобы поместить ее в нужное место. Вы можете разместить фокус внутри и снаружи холста. Чтобы разместить точку фокусировки за пределами холста, уменьшите размер холста. Затем перетащите Focal Point в желаемое положение за пределами области холста.

3

Transition

Ползунок Transition управляет степенью размытия, применяемого к хроматической аберрации, исходящей от точки фокусировки. 0% придаст краю хроматической аберрации тонкий, мягкий вид. 100% сделает эту кромку более жесткой и заметной.

4

Fall off

Ползунок Fall off управляет радиальным расстоянием от Focal Point до того, как будет применен какой-либо эффект.0% применит хроматическую аберрацию непосредственно от края фокальной точки. 100% применит четкую область Fall off от Focal Point к краю холста до применения эффекта.

Экспериментируйте, чтобы получить визуальное представление о том, как Переход и Fall off влияют на хроматическую аберрацию. Сдвиньте количество от Chromatic Aberration до 100% , а затем перемещайте ползунки Transition и Fall off вперед и назад.

Режим смещения

Примените хроматической аберрации ко всему изображению.

В отличие от режима Perspective , Displace не использует точку фокусировки. Displace влияет на хроматическую аберрацию изображения, позволяя перетаскивать эффект в любое место.

123

1

Сенсорное управление

Управляйте величиной и направлением хроматической аберрации с помощью жеста.

В режиме «Смещение» коснитесь и перетащите, чтобы установить расстояние и направление красной и синей плоскостей хроматической аберрации.

Интерфейс

Отрегулируйте степень размытия и прозрачности вашей хроматической аберрации.

2

Blur

Ползунок Blur регулирует степень размытия, применяемого к вам Хроматическая аберрация. Изначально установлено значение 0% или нулевое размытие. Перемещение ползунка вправо увеличит мягкость и размытость вашей хроматической аберрации.

3

Прозрачность

Ползунок Прозрачность регулирует степень прозрачности, применяемую к вам Хроматическая аберрация. Изначально установлено значение 0% или нулевая прозрачность. Перемещение ползунка вправо уменьшит прозрачность вашей хроматической аберрации.

Принять изменения

Принять все изменения одним касанием.

Чтобы сохранить изменения и оставить корректировки, снова коснитесь значка Корректировки .

Чтобы зафиксировать изменения и остаться в хроматической аберрации, коснитесь холста, чтобы вызвать действия настройки , и коснитесь Применить .

Хроматическая аберрация

Хроматическая продольная ошибка, также называемая хроматической аберрацией, в первую очередь является нормальным явлением, которое проявляется на всех сферических линзах. Эффект преломления света призмы основан на этом эффекте: преломление света зависит от длины волны, то есть от цвета используемого света, фокус линзы смещается в соответствии с длиной волны.

Хроматическая аберрация

Белый свет с некорректированной системой линз. Особенно по краю картинки видна.

Хроматическая продольная ошибка

Разница в фокусировке приводит к появлению цветных полос

В частности, при использовании сверхширокоугольной оптики и разноцветного освещения это приводит к значительному уменьшению или увеличению изображения, поскольку точки фокусировки (и, следовательно, фокусное расстояние объектива) смещаются.

Ошибка может быть исправлена ​​остановкой объектива, так как это увеличивает глубину резкости и уменьшает размытые зоны.
Эту ошибку можно исправить, сгруппировав две линзы, так называемые дихроматы. Эффекты продольной аберрации сильно преломляющей и низкопреломляющей расходящейся линз нейтрализуют друг друга. В качестве альтернативы можно использовать очень дорогие асферические линзы.

Коррекция хроматической аберрации (продольная)

Боковая аберрация имеет ту же причину, что и продольная аберрация, и возникает с лучами света, близкими к краю.Разноцветные части изображения имеют разный размер. Эту ошибку нельзя исправить остановкой.

Линзы с цветовой коррекцией

Особенно в случае цветных приложений важно, чтобы в изображении не было ошибок цвета. Благодаря своей конструкции линзы с цветовой коррекцией придают большое значение предотвращению хроматической аберрации. Если линза скорректирована для двух цветов, синего и красного, мы говорим о ахроматах . Если линзы оптимизированы для синего, зеленого и красного света, чтобы избежать цветовых ошибок, мы говорим о апохроматической коррекции .На практике вы скоро заметите, исправлен ли ваш объектив в этом отношении или нет. Осветите красным светом и сфокусируйте свое изображение. Теперь измените свет и используйте синюю подсветку. Если изображение стало расплывчатым и вам пришлось перефокусироваться, ваш объектив специально не корректируется. Смещение фокуса еще больше при использовании ИК-подсветки. Для этих целей существуют специальные линзы с ИК-коррекцией .

Важное значение для машинного зрения

• Хроматические продольные ошибки могут быть немного скомпенсированы за счет остановки оптики, хроматические поперечные ошибки, к сожалению, нет.Пожалуйста, притормози!
• При использовании монохромной камеры эта ошибка также видна на изображении, но не в виде цветной, а серой полосы. Если использование белого света не требуется строго, вы можете работать с цветным монохроматическим светодиодным светом. Хроматическая продольная ошибка таким образом не может возникнуть.
• Купите подходящую оптику, конструкция линз которой исправляет как можно больше ошибок.

Понимание хроматической аберрации и ее исправление

В этой статье мы потратим некоторое время на понимание хроматической аберрации и того, как ее можно исправить.

Как и в большинстве научных исследований, инструменты, процессы и результаты, используемые в фотографии, не всегда точны.

Часто на ваши фотографии влияет множество форм искажений, артефактов и аберраций.

Хотя современные камеры и объективы разработаны и закодированы для борьбы с этими эффектами, они не всегда эффективны на 100%.

Давайте сначала быстро рассмотрим определение этого термина в фотографии.

Что такое хроматическая аберрация?

Хроматическая аберрация известна под несколькими другими терминами, включая цветовую окантовку, пурпурную окантовку и даже цветовую дисперсию.

Это одна из самых распространенных проблем фотографов по нескольким причинам. Проблема вызвана тем, как свет проходит через линзу и преломляется стеклянными элементами внутри.

Существует две основных формы хроматической аберрации: Продольная хроматическая аберрация и Боковая хроматическая аберрация .

На обработанных изображениях объекты будут иметь размытые края с «бахромой» разных цветов. В то время как наиболее легко идентифицируемая бахрома обычно является фиолетовой, бахрома также может быть красной, зеленой, синей, желтой или пурпурной.Вы заметите это лучше всего при большом контрасте.

Один из наиболее распространенных типов хроматической аберрации появляется, когда вы фотографируете дерево. Контраст между листьями и ярким небом, выглядывающим сквозь щели, проявится бахромой.

Хроматическая аберрация может повлиять на внешний вид изображения, поскольку слишком часто она выступает, как больной палец, и портит привлекательность фотографии.

К счастью, многое происходит за кулисами для управления хроматической аберрацией, и мы расскажем об этом подробно.

NB. Часто путают, что хроматическая и сферическая аберрации — это не одно и то же. Первый связан с цветом, а второй — с кривизной линзы.

Почему возникает хроматическая аберрация?

Давайте более подробно рассмотрим, почему возникает хроматическая аберрация, чтобы лучше понять, как с ней бороться.

Обычная линза позволяет свету проходить от переднего элемента к датчику. Свет распространяется в цветных длинах волн, и в идеальном мире каждая из этих длин волн должна одновременно попадать на датчик или фокальную плоскость.

Термин «цветовая дисперсия» происходит от того, когда линза неправильно рассеивает свет.

Когда свет попадает на линзу, а затем проходит сквозь нее, он очень похож на стеклянную призму. Когда он попадает в объектив, цвета или длины волн разделяются, а затем распространяются под немного разными углами.

Задача объектива — управлять разделенным светом и направлять его так, чтобы он одновременно попадал в центр камеры, чтобы камера могла правильно определять цвет и свет.

Но вы также должны иметь в виду, что в большинстве линз свет проходит через несколько стеклянных элементов, каждый из которых влияет на то, как распространяются длины волн.

Конструкторы и инженеры объективов камеры прилагают максимум усилий, чтобы обеспечить правильное попадание на датчик каждой длины волны. Это довольно умно, если учесть, что зум-объектив постоянно выравнивает эти стеклянные элементы.

И эти стеклянные элементы предназначены не только для устранения хроматической аберрации — они служат целому ряду целей, обеспечивая четкое изображение без искажений.

Хроматическая аберрация возникает, когда конструкция линзы или дефекты стекла приводят к тому, что длины волн цвета не совпадают в одной и той же точке на датчике.

В то время как большая часть света встречается в одной точке, паразитные длины волн пропускают его лишь на небольшую долю. Эти паразитные длины волн и вызывают появление бахромы.

Какие существуют типы хроматической аберрации?

Продольная хроматическая аберрация (аксиальная хроматическая аберрация)

Для справки, продольная хроматическая аберрация часто называется LoCA или боке. В основном это происходит из-за того, что свет падает прямо на линзу и датчик.

Это наиболее распространенная форма хроматической аберрации, возникающая из-за того, что разные длины волн цвета не совпадают в одной и той же точке сенсора.

Как мы уже упоминали ранее, полученные изображения будут отображаться с определенной цветной окантовкой вокруг ваших объектов. В крайнем случае это может даже выглядеть как олдскульный сбой камеры. Кроме того, такая аберрация может повлиять на любую часть вашей фотографии.

Ваши объекты, особенно в контрастном свете, будут иметь характерную бахрому или призрак вокруг них, обычно с красными, пурпурными, синими и зелеными оттенками.

Продольная хроматическая аберрация чаще встречается в объективах с фиксированным фокусным расстоянием с широкой диафрагмой.

Это не обязательно означает, что у вас нестандартный объектив: такая аберрация может присутствовать даже в самых дорогих доступных объективах.

Боковая хроматическая аберрация (также известная как поперечная хроматическая аберрация)

Другой распространенной формой этого искажения является боковая хроматическая аберрация или поперечная хроматическая аберрация, как ее иногда называют.

Возникает в результате того, что световые и цветовые волны приближаются к линзе под углом. Свет проходит через линзу иначе, чем при возникновении продольных хроматических аберраций. В результате свет падает на фокальную плоскость или датчик под разными углами.

В этом случае аберрация в основном проявляется по краям, а не в центре. Окантовка, скорее всего, будет иметь синий или фиолетовый оттенок и обычно проявляется при использовании широкоугольного объектива.

Несмотря на то, что существуют способы минимизировать продольную аберрацию, предотвращение поперечной или поперечной хроматической аберрации в камере невозможно.

Как избежать хроматической аберрации

Как я уже говорил, качество объектива не всегда является показателем того, что он не страдает одной, другой или обеими формами хроматической аберрации.

Мозговые группы, занимающиеся разработкой фотоаппаратов и объективов, постоянно работают над устранением и предотвращением этих известных искажений. Некоторые из них успешны, а другие нет — или они не вкладывают больших средств в решение этой проблемы.

К сожалению, многие линзы способствуют появлению хроматических аберраций на ваших изображениях.

Поскольку не все проблемы с хроматическими аберрациями объектива могут быть решены, разработчики камер принимают меры, чтобы позволить камере справиться с ними.

Вдобавок к этому есть несколько шагов, которые вы можете предпринять, чтобы лучше контролировать хроматические аберрации, если они возникнут, плюс есть способы избежать их там, где это возможно. Вот как.

Съемка в формате RAW

Большинство камер теперь могут снимать как в формате JPEG, так и в формате RAW. Изображения JPEG содержат меньший объем данных изображения и, как следствие, менее податливы, когда дело доходит до их последующего редактирования.

Изображения RAW — это файлы гораздо большего размера, поскольку они содержат почти 100% данных с датчика. В результате эти многофункциональные файлы намного проще редактировать с помощью программного обеспечения для постобработки, такого как Lightroom и Photoshop.

С изображением RAW вы можете управлять светлыми участками так же быстро, как и деталями в тенях.

Кроме того, съемка в формате RAW дает вам больше шансов управлять эффектами хроматической аберрации как в камере, так и с помощью программного обеспечения для редактирования.

Исправление видимой хроматической аберрации возможно с помощью шагов редактирования в камере, но просмотр результатов может быть немного утомительным и трудным. Однако использование приложения для редактирования фотографий гораздо более доступно и более эффективно справляется с искажением.

Избегайте сцен с высокой контрастностью

Один из наиболее распространенных триггеров хроматических аберраций возникает, когда вы намеренно снимаете в условиях высокой контрастности.

Вы заметите это, особенно когда фотографируете объект, за которым находится яркий источник света.

Помните пример, который я приводил ранее, с деревом с контрастирующим ярким небом, появляющимся между листьями? Это классический пример хроматической аберрации, влияющей на изображение.

Хотя вы не всегда можете изменить условия освещения, вы можете изменить свою композицию. Иногда достаточно изменить направление и угол, под которым вы снимаете, чтобы исправить это.

Избегайте съемки на ярком свете, так как это вызовет искажение и приведет к тому, что объект окажется в тени, в то время как блики будут размытыми.

Если вы не можете избежать такого снимка, возможно, вы сможете исправить это позже в программе для редактирования.

Выберите правильное фокусное расстояние Объектив

Хотя не всегда возможно найти объектив для каждой ситуации, важно знать, как ваши существующие объективы подвержены влиянию хроматической аберрации.Мы расскажем, как протестировать ваши линзы чуть позже. Но до этого поговорим о типах линз.

Зум, вероятно, более подвержен хроматической аберрации, чем простые числа. В то же время простые числа справляются с этим намного лучше — возможно, из-за меньшего количества движущихся стеклянных элементов.

С зум-объективом вы ощутите больше хроматических аберраций на каждом конце фокусного диапазона. Например, представьте зум от 18 до 135 мм. Аберрация будет более заметной на 18 мм и 135 мм и меньше в середине.

Один из способов избежать этого — использовать 18-миллиметровый фиксатор для широкоугольных снимков и телеобъектив для дальних съемок. Но я знаю, что это все равно, что просить некоторых людей использовать Ferrari по выходным и Range Rover в будние дни.

Это непрактично и дорого, особенно если вы уже приобрели Porsche.

Вы можете проверить эти примеры фокусного расстояния, чтобы лучше понять, как выбор более длинных / более широких объективов может повлиять на ваше окончательное изображение.

Остановить (уменьшить) диафрагму

Безусловно, одним из самых простых механических способов борьбы с хроматической аберрацией является уменьшение диафрагмы.

Хотя вам, возможно, придется немного больше управлять ISO и выдержкой при уменьшении диафрагмы, это намного лучше, чем наличие явной хроматической аберрации. Это особенно полезно для объективов со сверхбыстрой или широкой диафрагмой, скажем, f / 1,4. Немного снизив его даже до f / 2.8, вы заметите хроматическую аберрацию.

Дополнительным преимуществом более узкой диафрагмы является то, что большая часть изображения будет в фокусе, а плавность краев исчезнет.

Имейте в виду, что это повлияет только на продольную хроматическую аберрацию. Это никак не повлияет на боковую хроматическую аберрацию.

Расположите объект по центру кадра

Простое изменение композиции может иметь огромное значение.

Ранее мы говорили о том, что боковая хроматическая аберрация возникает в основном на краях изображения. Вы также можете получить более существенную продольную хроматическую аберрацию на краю фотографии по сравнению с любой, появляющейся в центре.

Это связано как с тем, как длины волн попадают на датчик, так и с изогнутой природой стеклянных элементов.

К сожалению, не все композиции лучше всего подходят для съемки объектов в мертвой точке. Но, снимая в формате RAW, вы лучше подготовлены для кадрирования фотографии, чтобы вручную изменить положение объекта в кадре.

Серьезное кадрирование изображения — не всегда идеальное решение, но это намного лучше, чем разбивание группы изображений.

Как исправить хроматическую аберрацию

Теперь, когда мы поговорили о том, как избежать хроматической аберрации, пора посмотреть, как ее исправить.

Теперь вы можете задать себе несколько вопросов, например: «Что означает« удаление хроматической аберрации »?» и «Если гении из фотолаборатории не смогли это исправить, какой у меня шанс?»

Если вы спрашиваете себя, можно ли исправить хроматическую аберрацию, простой ответ — да . Так что не беспокойтесь, мы предложили вам два способа исправить хроматическую аберрацию.

Исправление хроматической аберрации вступает в игру, если ваши попытки избежать ее во время съемки оказались не столь эффективными, как вы надеялись.Или вы были на съемке и даже не заметили, что на ваших изображениях есть бахрома. Только после того, как вы загрузили их в программу редактирования, это стало до боли очевидным.

С помощью Adobe Lightroom, одного из наиболее мощных приложений для редактирования, вы можете автоматически и вручную корректировать хроматическую аберрацию.

Автоматическая коррекция

Прежде всего, запустите Lightroom и откройте фотографию на вкладке Develop . Справа находится несколько сворачиваемых полей, в каждом из которых размещены многочисленные инструменты редактирования.

Если вы развернете раздел меню с надписью Lens Correction , вы на правильном пути к исправлению и удалению хроматической аберрации.

В опции Manual вы найдете несколько инструментов, которые позволяют управлять искажением, виньетированием и, конечно же, Defringe для управления хроматической аберрацией. Но в этом случае мы полностью проигнорируем их и выберем опцию Profile .

В разделе «Профиль» есть два флажка — «Удалить хроматическую аберрацию» и «Включить коррекцию профиля».Следующий этап сложен, поэтому обратите внимание — нажмите кнопку Remove Chromatic Aberration !

Да, это все, что нужно сделать, поскольку Lightroom применяет свои годы развития и значительные возможности для обнаружения хроматических аберраций и их исправления.

Более того, после этого вы можете использовать безграничные инструменты редактирования, которые Adobe предоставляет для дальнейшего повышения качества вашей фотографии.

Ручная коррекция

Теперь, если вам нравится задача и вы хотите попробовать себя в ручной коррекции хроматической аберрации, вот как вы это делаете.Или, если вы обнаружили, что автоматическая коррекция не была эффективной на 100%, вы можете внести дополнительные корректировки.

Еще раз, вы хотите открыть изображение на вкладке Develop и развернуть меню инструментов Lens Correction . Вместо того, чтобы нажимать на опцию Profile, вам нужно нажать на Manual .

В ручном режиме вы будете работать с инструментами Defringe .

Первое решение — использовать инструмент для удаления глаз или инструмент Fringe Color Selector .Все, что вам нужно сделать, это использовать глазные капли, чтобы выбрать область фотографии, подверженную хроматической аберрации, и Lightroom приложит все усилия, чтобы исправить это.

В качестве альтернативы вы можете использовать ручные ползунки для управления как фиолетовыми, так и зелеными оттенками и более целостным воздействием на хроматические аберрации.

Как проверить свои линзы на хроматическую аберрацию

Если вас беспокоит, насколько сильно хроматическая аберрация влияет на ваш объектив, есть способы ее проверить.

Самый научный подход — поискать в Интернете «Тест хроматической аберрации» и найти тестовую таблицу, которую вы можете скачать.Затем вы можете либо распечатать его, либо отобразить в полноэкранном режиме на своем компьютере и сделать несколько снимков диаграммы с помощью каждого из ваших объективов.

Открывайте каждую фотографию в Lightroom, чтобы можно было увеличивать разные части изображения и видеть, сколько хроматических аберраций появляется на диаграмме.

Если вы немного поработаете, то на том же сайте, с которого вы скачали диаграмму, вы найдете инструкции по измерению воздействий. Такие графики хороши тем, что они также могут использоваться для проверки таких вещей, как резкость и искажения.

Заключительные мысли

Важно не расстраиваться, когда в ваших изображениях присутствует некоторый уровень хроматической аберрации. Помните, что высокооплачиваемые ботаники из Canon, Sony и Fuji тоже не смогли это исправить.

Но с полученными здесь знаниями вы сможете понять, что это такое и почему это происходит. И, что более важно, теперь вы знаете, как избежать и даже исправить хроматическую аберрацию.

Хроматическая аберрация — обзор

1 Введение

Оптика заряженных частиц, как научная область, уходит своими корнями в хорошо известную аналогию между геометрической оптикой света и классической механикой (Брюхе и Шерцер, 1934).Таким образом, теория фокусировки узкого стационарного пучка заряженных частиц, по своим свойствам напоминающая свойства светового пучка, стала наиболее развитой областью оптики заряженных частиц. Теория возникла как адаптация, по существу без изменений, стандартной теории геометрической оптики светового луча, включая классическое требование параксиального приближения (Kel man and Yavor 1963, Sturrock 1955). Однако вскоре стало очевидно, что этот подход имеет фундаментальные ограничения в плане его обобщения на более сложные оптические системы с заряженными частицами, такие как оптические системы со специальной точкой на оси (т. е., эмиссионные и зеркальные системы) или с нестационарными потоками заряженных частиц (например, эффекты высокочастотной модуляции, времяпролетная фокусировка коротких пакетов заряженных частиц и т. д.). В то же время именно эти относительно неизученные области привели к значительным недавним достижениям в области аналитического оптического оборудования, включая времяпролетную масс-спектрометрию и хронографию электронной оптики.

Электронная линза представляет собой наиболее изученный и изученный предмет в оптике заряженных частиц.Однако результаты ряда исследований показали, что качество изображения электронной линзы остается намного хуже, чем у светооптической линзы. Фокусировка частиц в электронном и магнитном полях сопровождается неизбежными сферическими и хроматическими аберрациями. Наличие таких аберраций ограничивает максимальное разрешение существующих электронных микроскопов до 1 Å. Основная теорема Шерцера (1936) гласит, что в осесимметричных электронных линзах со стационарными электромагнитными полями сферические и хроматические аберрации в принципе неизбежны, независимо от конкретной геометрии линзы.

В своей последующей работе Шерцер (1947) предлагает ряд альтернативных теоретических подходов, которые потенциально могут создать систему, свободную от каких-либо сферических и осевых хроматических аберраций. Один из таких подходов привлек большое внимание исследователей на протяжении многих лет и основан на идее объединения электронной линзы с электронным зеркалом ¹ , сферические и осевые хроматические аберрации которого отрицательны по сравнению с линзами. В результате зеркало может корректировать аберрации, создаваемые линзой. ² Однако для успешной реализации этой идеи необходимо сначала разработать адекватную теорию аберраций для электронного зеркала, включая методы расчета фокусирующих свойств электронного зеркала.

Вычисление фокусирующих свойств электронного зеркала связано с известными математическими проблемами, связанными с тем, что радиус кривизны траектории или произвольной частицы вблизи точек поворота приближается к нулю, в то время как угол между траекторией и основным оптическим оси и относительный разброс энергии между частицами около этой точки, оба приближаются к бесконечности. Это исключает использование существующих методов аберрации, поскольку они требуют параксиальной аппроксимации. Часто традиционные методы прямого численного расчета траекторий электронов также неприменимы, поскольку они требуют, чтобы траектория имела высокую степень плавности в каждой точке.

Принципиально другой подход к измерению траектории произвольно заряженной частицы относительно траектории эталонной частицы, движущейся по оси с известной траекторией. Метод центральных частиц был впервые предложен Kelman et al. (1971) и получил дальнейшее развитие и широко изучался в серии последующих публикаций (Дауменов и др. 1978, Якушев и др. 1985, Якушев и Секунова 1986, Бимурзаев и др. 2004, Бимурзаев и Якушев 2004 г.). Ключевое преимущество метода центральных частиц заключается в том, что он позволяет описывать свойства пространственной и времяпролетной фокусировки (STF) частиц, включая аберрации, в любой произвольной системе электронной оптики , даже в системе не удовлетворяющие требованию параксиальной аппроксимации. Этот метод не более сложен, чем другие существующие методы оптики заряженных частиц, поскольку не требует дополнительных предположений. Оказывается, что метод центральных частиц может быть использован при выводе формул для пространственных и пролетных аберраций электронных зеркал (Кельман и др. 1972, 1973a-b; Бимурзаев и Якушев 1990, 1991; Бимурзаев и др. , 1991) и электронные линзы, включая катодные линзы (Кельман и др., 1972, 1973, 1974; Ибраев, Сапаргалиев 1981; Ибраева и др. 1985). Помимо своих аналитических преимуществ, метод центральной частицы значительно упрощает прямые численные расчеты траекторий электронов, включая траектории пучка, а также любой отдельной заряженной частицы. В последние годы способность описывать свойства пространственной и времяпролетной фокусировки частиц в электронном зеркале стала важным компонентом в разработке ионно-оптических систем современных времяпролетных масс-спектрометров (Price and Milnes 1990, Иоановичу 2001, Гликман и др.