Хроматической аберрации: Страница не найдена

Содержание

Оптические аберрации в микроскопе | Микроскопия — Микросистемы

Аберрации – это искажения изображения, вызванные отклонением луча от идеальной траектории движения в реальной оптической системе. Идеальная траектория оптического луча показана на всех рисунках, представленных выше, иными словами – это математическая модель распространения света и построения стигматического изображения.

Аберрации делятся на два класса: монохроматические и хроматические. Монохроматические аберрации обусловлены геометрией линзы или зеркала и возникают, как при отражении света, так и при его преломлении. Они появляются даже при использовании монохроматического (узкого участка спектра) света, отсюда и название.

Хроматические аберрации вызваны дисперсией (расщепление света на спектр), изменение линзы по показателю преломления с длиной волны. Из-за дисперсии различные длины волн света фокусируются в разных точках. Хроматическая аберрация не появляется, когда используется монохроматический свет.


Рисунок 1. Глубина резкости. Глубина фокуса

Простейшие монохроматические аберрации – расфокусировку и искажение на наклонной плоскости, исправляются смещением объектива вдоль оптической оси, чтобы совместить фокусную плоскость линзы с плоскостью изображения. Чем больше глубина резкости объектива, тем легче сфокусироваться на объекте. В быту люди очень часто путают понятия глубины резкости изображения в пространстве (ГРИП) и глубину фокуса, рисунок 1. Чтобы объект был чётко виден, необходимо, что он располагался между дальней и ближней точками глубины резкости. Посмотрите на рисунок 9, две маленькие вертикальные стрелочки на рисунке справа – это размер светового пятна, то есть изображение объекта, который мы рассматриваем под микроскопом. Оптика Olympus скорректирована на бесконечность, это значит, что лучи получаемого изображения параллельны, рисунок 2. Параллельные лучи преломляются линзами Вашего глаза (роговицей, хрусталиком, стекловидным телом) и фокусируется на светочувствительной сетчатка, регистрирующей изображение.


Рисунок 2. Увеличение в микроскопе

Сферическая аберрация (Аберрация осевых точек в контексте монохроматических аберраций) – это искажение изображения, из-за несовпадения фокусов (мест пересечения) световых пучков. Происходит, когда периферийные части линзы преломляют лучи сильнее, чем центральные. Из-за этих искажений изображение размыто, как бы не фокусировали объектив, например, если сфокусироваться на центре изображения, то края будут размыты, если сфокусироваться на краях изображения, то центр будет размыт. Есть очень простой опыт, чтобы увидеть эти аберрации: Для проведения опыта: поставьте два листа плотного черного картона параллельно друг другу. В одном из листов проделайте два миллиметровых отверстия по центру на расстоянии 1 см друг от друга. Закройте отверстия кусочком матового стекла, как показано на рисунке 3а, и установите перед матовым стеклом лампу. между двумя листами картона пометите собирающую линзу, включите лампу и попытайтесь получить изображение точек на поверхности картона. Как бы вы не двигали линзу, чёткого изображения не получится, потому что пучки света, проходящие через периферию линзы, буду сфокусированы на более близком расстоянии, чем пучки, прошедшие через центральную часть.


Рисунок 3. Сферическая аберрация. Опыт. 1- линза, 

2 – перфорированный картон, 3 – матовое стекло, 

4 – картон без отверстий, б – картонный круг с отверстием по центру

А теперь закроем периферию линзы толстым картоном с вырезом по центру, как показано на рисунке 3б, и тогда мы получим изображение нескольких точек, рисунок 4 (если используется лампа накаливания, то мы увидим наиболее яркие точки на раскалённой нити) или одного пятна. Устройство, ограничивающее поток света через линзу, называется – диафрагма.


Рисунок 4. Полученное изображение 

Эту аберрацию устраняют добавлением линз с обратной кривизной в оптическую систему.


Рисунок 5. а) ход лучей в собирающей линзе. б) ход лучей в рассеивающей линзе

Коматическая аберрация (кома) – это частный случай сферической аберрации при преломлении боковых лучей. Боковые лучи, преломляясь, не собираются в одной точке, поэтому на изображении эти искажения видны в виде точек с размытым «хвостом», похожие на «кометы», рисунок 8. Исправляются эти аберрации, как и сферические. Дополнительно могут быть подточены края рассеивающей линзы.


Рисунок 6 Коматическая аберрация


Рисунок 7. исправление сферической аберрации


Рисунок 8. Коматические аберрации на изображении.

Астигматизм – это искажение, при котором лучи, распространяющиеся в одном направлении и по одной прямой, в перпендикулярных плоскостях, имеют разное фокусное расстояние, из-за чего изображение будет размыто в одной из плоскостей (горизонтально или вертикально). Это одна из немногих аберраций, у которой есть определённая польза, а именно возможность точной фокусировки. Например, астигматизм используют для STORM микроскопии. Цилиндрическая линза может быть введена в систему визуализации для создания астигматизма, который позволяет измерять положение источника света с ограниченной дифракцией по вертикали (оси Z). Для фокусировки астигматизм используется в оптических головках проигрывателей компакт-дисков. Линза с астигматизмом проецирует овальную точку на диск, и по ориентации овала датчики дисковода определяют на каком расстоянии находится головка считывателя, не позволяя ей поцарапать диск. В лазерах астигматизм используется для проецирования точки в линию. Исправляется астигматизм – точной выточкой линзы. Линза должна быть круглой, чтобы фокус двух перпендикулярных лучей в одной точке.


Рисунок 9. Астигматизм. S1 – фокус первого луча в фиолетовой плоскости. T1 – фокус второго луча в красной плоскости


Рисунок 10. Астигматические аберрации

Кривизна поля изображения – это аберрация при которой изображение объекта не плоское, а выгнутое или вогнутое. Для устранения этого явления используют: диафрагму, астигматизм, промежуточные изогнутые линзы, которые корректируют его по краям (с каждой следующей линзой сферизация уменьшается). Обратите внимание, линза окуляров всех хороших микроскопов немного вогнута, а проецируемое объективом искривлённое изображение, выглядит плоским для наблюдателя.


Рисунок 11. Кривизна поля

Дисторсия – искажение при котором линейное увеличение, в поле зрения объектива, неравномерно. Эту аберрацию используют в оптике для специальных фотографических объективов типа «рыбий глаз», калейдоскопах и других оптических приборах. Для микроскопии это явление неприемлемо и его исправляют при помощи диафрагмы, линзы френеля и использования линз с разной кривизной.



Рисунок 12. Дисторсия: Сверху: дисторсия «подушка», посередине «бочка» или «рыбий глаз»

Хроматические аберрации – искажения, возникающие из-за того, что волны разной длины (разного цвета) не сфокусированы в одной точке. Из-за этих аберраций вы можете видеть дисперсию света по краям объектов на изображении, как показано на рисунке 13. Любая линза преломляет свет с разными длинами волн по-разному, из-за дисперсии оптических сред. Именно на эти аберрации обращают внимание в первую очередь, при выборе объектива, потому что их обнаружить легче всего, рисунок 13. Существует два типа хроматических аберраций: осевая (продольная) и поперечная (боковая). Осевая аберрация возникает, когда световые волны различной длины фокусируются на разных расстояниях от линзы (смещение фокуса). Поперечная аберрация возникает, когда разные длины волн фокусируются в разных положениях в фокальной плоскости, поскольку увеличение и/или искажение линзы также зависит от длины волны. Боковая аберрация характерна для коротких фокусных расстояний.


Рисунок 13. Хроматические аберрации на нижнем изображении

Полностью компенсировать хроматические аберрации практически невозможно, поэтому их компенсируют только для определённой части спектра. Минимизировать эти аберрации можно с помощью линз Френеля, дифракционных оптических элементов и ахроматического дублета. Ахроматический дублет – это система, состоящая из двух отдельных линз, с разной дисперсией. Как правило, один элемент представляет собой отрицательный (вогнутый) элемент, изготовленный из кремневого стекла, имеющего относительно высокую дисперсию, а другой представляет собой положительный (выпуклый) элемент, изготовленный из стекла с более низкой дисперсией. Эти линзы, установленные рядом друг с другом, компенсируют хроматическую аберрацию друг друга, рисунок 15.


Рисунок 14. Не скорректированные хроматические аберрации


Рисунок 15. Ахроматический дублет

Вышеперечисленные монохроматические аберрации относятся к так называемым аберрациям третьего порядка и рассчитываются для параксиальной области т.е. области лежащей вблизи оптической оси. Разность между аберрациями, рассчитанными по реальному ходу луча и формулам теории третьего порядка называется аберрациями высших порядков.

 

В теории аберраций высших порядков выделяют следующие дополнительные аберрации, не имеющие аналогов в третьем порядке:

 

Аберрации 5-го порядка:

- Птера – крыловидная аберрация

- Сагитта – стреловидная аберрация

 

Аберрации 7-го порядка – еще две дополнительных:

- Моноптера

- Бисагитта

В более высоких порядках новых аберраций не выделяется.

Следует отметить, что в реальной оптической системе сочетаются все типы аберраций одновременно, а на рисунках представлены лишь схематические модели отдельных аберраций. Выделение отдельных видов аберрация при исследовании сложной аберрационной фигуры рассеяния - искусственный прием для исследования и анализа данного явления.

По вопросам консультации и поставки - свяжитесь с нами любым удобным способом:

+7 (495) 234-23-32 

[email protected]

Форма обратной связи


Продольные аберрации, поперечные хроматические аберрации, фиолетовое свечение, «purple fringing» — будем знакомы

к содержанию ↑

В комментариях к одной из моих статей с тестами объективов мне заметили, что есть такой важный параметр, как продольные аберрации или по-английски LoCA (longitudinal chromatic aberration). Названий у этого вида аберраций много, но если назвать его фиолетовым свечением вокруг веток дерева в центре кадра, то, думаю, все его узнают.

продольные аберрации, loCA, chromatic aberrations (Wikipedia)

Вот сейчас я помянул об это явлении и все о нём вспомнили. Но так ли часто оно вам мешало получать хорошие снимки?

Тем не менее в теории, если вы собираетесь снимать при контровом свете людей или солнце, просвечитвающее через темные ветки, вы с ним столкнетесь и дальше будет играть роль ваша или ваших клиентов индивидуальная непереносимость фиолетового свечения. Свечение это может быть разной силы, в зависимости от степени исправленности продольной хроматической аберрации в объективе.

к содержанию ↑

Откуда берётся продольная аберрация

Всё дело в том, что световые лучи, преломляются в линзах под разным углом, в зависимости от длины волны. Синие, например, преломляются под большим углом, чем красные.

преломление световых лучей в обычной линзе

Соответственно, когда приходит момент фокусирования на плоскости матрицы, световые лучи фокусируются в разных местах и возникает то самое фиолетовое свечение. Особенно это видно, когда есть резкий переход яркостей и свет разлагается из белого во все цвета радуги.

к содержанию ↑

Как отличить Продольную аберрацию от других хроматических аберраций

Продольную хроматическую аберрацию легко отличить от поперечной, так как она возникает чаще в центре кадра и может распространяться на весь кадр. В то же время поперечная (также называемая хроматизмом увеличения) возникает только про краю кадра, хотя и выглядит также как продольная — фиолетовыми и зелеными ореолами вокруг темных объектов на белом фоне.

Еще способ отличить Продольную аберрацию от поперечной:

Продольная аберрация создаёт каёмку одного цвета вокруг объекта в фокусе и другого цвета вокруг объекта вне фокуса. Поперечная даёт разноцветные каёмки у одного объекта в фокусе (чаще фиолетовую и зеленую).

Продольная «лечится» диафрагмированием. Поперечная от него не зависит.

Пример продольной аберрации. Автор: http://toothwalker.org/optics/chromatic.html

Фото сделано Canon EF 85/1.2 L на полностью открытой диафрагме, слева изображение в фокусе, справа чуть-чуть дефокусировано, чтобы получить зеленую кайму вместо фиолетовой. Это один из способов «бороться» с этой аберрацией, если вас раздражает фиолетовая кайма.

Пример поперечной аберрации с того же источника.

Фото сделано объективами:
A: Cosina 3.5-4.5/19-35 @ 20 mm
B: Cosina 3.8/20
C: Carl Zeiss Distagon 2.8/21

Всё объективы на значении диафрагмы F11 и на камере Canon 5D

к содержанию ↑

Как продольная аберрация исправляется оптически

Исправляется продольная аберрация с помощью так называемых ахроматов, т. е. склеек линз, где одна линза крон, а другая — флинт. Крон это линза с ультранизкой дисперсией света и малым коэффициентом преломления, а флинт наоборот.
Крон раньше делали из флюоритового стекла, что было довольно дорого. Упоминаю об этом потому, что рассматриваемые мной объективы относятся как раз к периоду использования флюорита (Calcium fluoride). Флинт же делали из оксида свинца (Lead oxide). В дальнейшем флюорит заменили на более дешевые типы стекла с низкой дисперсией, а оксид свинца заменили тоже на нечто другое ввиду неэкологичности такого производства (это было уже в 2000-ных годах).

В сумме стараются получить эффект минимизации продольной аберрации, т.е. сведения в конечном итоге световых лучей с разной длиной волны в одну точку. Это в идеале, в реальности же идеал невозможен и всегда небольшие аберрации присутствуют.


к содержанию ↑

Ахромат

ахроматическая склейка линз (даблет)

Ахромат способен исправить продольную аберрацию для двух длин волн.


к содержанию ↑

Апохромат

Позже были изобретены Апохроматы, это уже триплет, позволяющий корректировать уже три длины волны.

Не будем останавливаться на всяких патентных тяжбах на ахроматы и апохроматы и лишь приведём схему апохромата.

триплет Апохромат

Вот таким образом мы на простом языке разобрались что такое продольные хроматические аберрации и как с ними борются. Теперь, если вы захотите найти объектив с наименьшими продольными аберрациями вы во-первых посмотрите на название объектива. Ахроматы сейчас уже почти не встречаются даже на вторичном рынке (я мало их видел), а апохроматов достаточно. У них в названии есть приставка APO. Чаще всего это довольно дорогие объективы. В тоже время даже в объективах без такой приставки вы можете поискать апохроматические триплеты и упоминание производителем об использовании флюоритового стекла- — такие объективы будут заранее иметь меньшую продольную аберрацию.

Если же вообще говорить про оптические системы и их аберрации, то в ахроматах уменьшены хроматическая и сферическая аберрации. В апохроматах эти же А. скомпенсированы значительно точнее. В апланатах исправлены хроматические и сферические А., а также кома. Если, кроме этих А., устранены астигматизм и кривизна поля, то объектив называют анастигматом. Ортоскопическими называют системы с исправленной дисторсией.

Но будьте осторожны. Вместе с неидеальностью оптических систем устраняется и их индивидуальный рисунок.

к содержанию ↑

Тест на продольные аберрации объективов Carl Zeiss

к содержанию ↑

Carl Zeiss Makro-Planar 60/2.8

Carl Zeiss Makro- Planar 60/2.8 @2.8

f2.8, crop 100%

f4, crop 100%

f5.6, crop 100%

Снимок на диафрагмах F4 и F5.6 я сделал специально, чтобы вы наглядно убедились, что диафрагмирование в данном случае влияет на уменьшение продольной аберрации. Хотя снимок становится более тёмным, чётким и аберрации менее заметными, но полностью они не исчезают.

В данном случае объектив Carl Zeiss Makro-Planar 60/2.8 демонстрирует умеренные продольные аберрации. Но он и не может похвастаться большой светосилой, а продольные аберрации это проблема светосильных фиксов.

к содержанию ↑

Canon 50/2.5 Macro

canon 50/2.5 @ 2.8

F2.8, crop 100%

Не берусь проводить тут сравнение, так как солнце здорово слепит и на этом объективе мне удалось попасть в фокус много точнее. В конце статьи будет тест в студийных условиях, где я сфокусируюсь более точно.

к содержанию ↑

Carl Zeiss Makro-Planar 100/2.8

F2.8, crop 100%

F4, crop 100%

к содержанию ↑

Carl Zeiss Planar 50/1.7

F1.7, crop 100%

F2.8, crop 100%

к содержанию ↑

Carl Zeiss Planar 85/1.4

F1.4, crop 100%

F2.8, crop 100%

к содержанию ↑

Объективы с исправленными продольными хроматическими аберрациями

Carl Zeiss Aposonnar 200/2

Aposonnar, оптическая схема. Указан ахроматический даблет с линзой из флюорита

а также все APO:

Tele-Apotessar 300/2. 8
Tele-Apotessar 500/5.6
Tele-Apotessar 800/8

Carl Zeiss Distagon 21/2.8

Заявлено использование ахроматического даблета. Но возможно не флюорит (про него ничего не сказано).

Carl Zeiss Vario- Sonnar 28-70/3.5-4.5

Заявлен и присутствует ахроматический даблет.

к содержанию ↑

Студийные тесты на продольную аберрацию

Для всех 50мм объективов (включая 60мм) расстояние до мишени 40см. Наклон оптической оси объектива относительно мишени примерно 40град.

к содержанию ↑

Carl Zeiss Planar 50/1.4 vs Carl Zeiss Planar 50/1.7

50/[email protected] (слева) vs 50/[email protected]

Carl Zeiss Planar 50/[email protected](слева) vs Carl Zeiss Planar 50/[email protected]

к содержанию ↑

Carl Zeiss Planar 50/1.7 vs Carl Zeiss Makro-Planar 60/2.8

Carl Zeiss Planar 50/[email protected] (слева) vs Carl Zeiss Makro-Planar 60/[email protected]

к содержанию ↑

Carl Zeiss Planar 135/2.8 vs Юпитер-37А 135/3.

5

Юпитер-37А 135/[email protected] (слева) vs Carl Zeiss Planar 135/[email protected]

к содержанию ↑

Выводы

Не стал я размещать дальнейшие картинки так как на мой взгляд итак всё ясно. Среди не-апохроматов достаточно сильны продольные аберрации, но они вовсе не мешают снимать хорошие сюжеты, если не снимать мощный контровый свет, наподобие солнца. Можно вобщем-то и солнце снимать, но на хорошо прикрытых диафрагмах. Никакой мистики тут не получилось. Не скорректированные объективы одного фокусного расстояния имеют примерно одинаковые ХА. Получше на мой взгляд скорректирован Carl Zeiss 85/1.4, но когда я пробую его использовать на F1.4, то его продольные аберрации ничуть не меньше, чем у остальных, так как он поставлен в невыгодные условия. Carl Zeiss 50/1.4 тоже, как правило используется на полностью открытой диафрагме и соответственно на его снимках вы чаще встретите фиолетовые каёмки.

Carl Zeiss Makro-Planar 100/[email protected]

Следовательно нужно стараться избегать жестко контрового света для большинства объективов.

Carl Zeiss Makro-Planar 100/[email protected]

При всех своих замечательных оптических характеристиках они не могут обеспечить абсолютное сведение лучей в таких условиях. Источник света должен быть чуть выше-ниже, но не «в лоб». Или диафрагма значительно прикрыта.

Вот, к примеру, свет через туман и проблем нет.

Есть еще некоторое количество светосильных фикс-объективов менее именитых производителей, таких как Samyang и Sigma. Некоторые из них, а в частности Sigma 85/1.4 демонстрируют почти полное отсутствие продольных аберраций.

Как же это объяснить? Наиболее уважаемые производители проигрывают менее известным.

Но в процессе раскопок информации на эту тему я наткнулся на интересный материал, в котором было рассказано как повысить чёткость изображения биноклей (производители Zeiss, Nikon etc.). Оказывается, поскольку хроматические аберрации снижают резкость изображения, то в биноклях некоторые производители поступаются красным спектром и отфильтровывают его на этапе прохождения через бинокль, используя стекло мало пропускающее красный спектр. В результате такой системе остается сфокусировать лишь оставшиеся световые лучи. А чем меньше лучей, тем проще их сфокусировать в одной плоскости и соотвественно выше резкость.

Тогда что мешает поставить стекло, фильтрующее некоторые участки спектра в объектив и тем самым уменьшить хроматические аберрации и увеличить резкость?
Это пока только догадки и требуют подтверждения. Но всё когда-то начиналось с догадок.
А вообще это был бы нечестный приём...

Теперь нужна мишень с непрерывным градиентом цвета и сфотографировать её разными объективами (в частности Samyang 85/1.4) для того, чтобы установить истину.

А всем удачных фото! 🙂

Carl Zeiss Makro-Planar 100/2.8

к содержанию ↑

к содержанию ↑

Откуда возникают

Поперечные хроматические аберрации (lateral chromatic aberrations, axial chromatic aberrations) возникают из-за того, что лучи света с разной длиной волны по-разному преломляются, проходя через стекло. В результате они выходят под разным углом и чем ближе к краю линзы, тем сильнее отличие в угле преломления. По этой же причине в центре такой вид аберраций практически отсутствует (потому и одно из названий аберрации — осевая) и сильно проявляется к краям изображения.

Цвета они могут иметь разные. Чаще всего фиолетово-зеленые или красно-синие.

к содержанию ↑

Как выглядят

к содержанию ↑

Здесь подробно про исправление ХА

Хроматическая аберрация - это... Что такое Хроматическая аберрация?

Хроматизм положения (1) и его уменьшение с помощью ахроматической линзы (2)

пример аберрации

Хромати́ческая аберра́ция — паразитная дисперсия света, проходящего через оптическую систему (фотографический объектив, бинокль, микроскоп, телескоп и т. д.). При этом белый свет разлагается на составляющие его цветные лучи, в результате чего изображения предмета в разных цветах не совпадают в пространстве изображений.

Кроме этого, к хроматическим аберрациям можно отнести хроматические разности геометрических аберраций (см. ниже).

Хроматическая аберрация ведёт к снижению чёткости изображения, а иногда также и к появлению на нём цветных контуров, полос, пятен, которые у предмета отсутствуют.

Хроматизм положения

Схема исправления хроматизма положения: 1 — крон, 2 — флинт, 3 — зелёный луч, 4 — точка сведе́ния синего и красного лучей

Оптическое стекло и другие оптические материалы обладают дисперсией, то есть показатель преломления отличается для лучей различного цвета.

Коэффициент преломления синих лучей, как правило, больше, чем красных, поэтому их фокус расположен ближе к задней главной точке линзы, чем фокус красных лучей . Отсюда следует, что для луча белого света единого фокусного расстояния у одной линзы не существует, а есть совокупность фокусных расстояний лучей всех цветов.

Разность называется хроматизмом положения (или хроматической разностью положения, продольной хроматической аберрацией). Диафрагмирование несколько её уменьшает.

При этом изображения предмета в лучах разного цвета будут находиться на разных расстояниях от задней главной точки. Если наводить на резкость по красным лучам, изображение в синих лучах будет не в фокусе, и наоборот.

Хроматические аберрации у фотографических объективов тщательно устраняются. Система линз, в которой сближены фокусы двух (например, синих и жёлтых) лучей, называется ахроматической, а при сближении фокусов трёх лучей — апохроматической, четырёх — суперахроматической.

Хроматизм положения вызывает значительную нерезкость изображения, поэтому при чёрно-белой съёмке моноклем и перископом, у которых он не устранён, после установки на резкость нужно ввести дополнительную поправку на положение объектива относительно светочувствительного элемента , определяемую по формуле:

,

где  — сопряжённое фокусное расстояние;  — фокусное расстояние монокля или перископа.

Необходимость в поправке вызывается тем, что при визуальной наводке изображение из-за повышенной чувствительности глаза к жёлтым лучам устанавливается в их фокусе, а не в фокусе сине-фиолетовых лучей, к которым наиболее чувствителен чёрно-белый несенсибилизированный фотоматериал. Последние, будучи не в фокусе, образуют значительные кружки рассеяния, уменьшающие резкость изображения.

Хроматизм положения может быть исправлен путем комбинирования собирательной и рассеивающей линз из стёкол с различной дисперсией. При прохождении через первую линзу луч отклоняется к оптической оси и диспергирует; войдя во вторую линзу, он незначительно отклоняется в обратную сторону и повторно диспергирует, но в обратном направлении. В результате хроматическая аберрация первой линзы компенсируется второй, отрицательной, линзой, и лучи различных цветов соберутся в одной точке. Такие линзы, исправляющие хроматизм положения, называются ахроматическими линзами (ахроматами).

Ахроматические линзы используются во многих современных объективах. Ахроматизировать отдельный элемент или комбинацию далеко не всегда необходимо; достаточно, чтобы все элементы в целом компенсировали дисперсию друг друга.

На этапе конструирования хроматические аберрации также могут быть уменьшены, если в конструкции оптического прибора применяются такие оптические элементы, как линзы из особых оптических стёкол (курцфлинт, лангкрон), зеркала или зонные пластинки.

Хроматизм увеличения

Называется также хроматической разностью увеличения.

Хроматическая аберрация, при которой изображения одного и того же предмета в лучах разного цвета имеют несколько различный размер. Не уменьшается от диафрагмирования, как и от увеличения.

Для цветного изображения в цифровой форме хроматизм увеличения может быть в какой-то степени исправлен программным путём. Для точного сведения трёх компонентов изображения (красный, зелёный и синий) необходимо для двух из них изменить масштаб, оставляя неподвижной ту точку, где проходила оптическая ось (обычно это центр кадра). Во многих преобразователях RAW-файлов такая функция имеется, но оптическая корректировка предпочтительнее, так как в сложных объективах присутствуют и другие аберрации, которые простыми преобразованиями не исправляются и индивидуальны для каждой модели объектива, в результате чего становится сложно выделить хроматизм увеличения программно. Хорошая коррекция хроматизма увеличения невозможна, когда объектив плохо работает в контровом свете. Исправление хроматизма увеличения на компьютере улучшает качество изображения, но всё же предпочтительнее снимать фотографии теми объективами, которые имеют минимальные аберрации. Так, объективы с фиксированным фокусным расстоянием обычно имеют существенно меньшие аберрации, чем трансфокаторы.

Хроматические разности геометрических аберраций

Хроматические разности в общем случае, каждая геометрическая аберрация в зависимости от цвета. Так, например, сферическая аберрация может быть различной для синих и для красных лучей, в этом случае её называют «сферохроматизм»), и хроматическую разность аберраций наклонных пучков. Всё это также можно считать хроматическими аберрациями, поскольку это даёт побочные эффекты, в целом аналогичные хроматизму положения и увеличения.

Хроматические аберрации в фотографии

Во всех современных камерах Никон хроматические аберрации исправляются автоматически для всех объективов. На Кэнон эту практику только начали внедрять и есть автоматическое исправления только на 5D Mark3, и то, в камеру нужно загружать профили для каждого объектива[источник не указан 253 дня].

См. также

Примечания

Литература

  • Волосов Д. С. Фотографическая оптика. М., «Искусство», 1971.
  • Тамицкий Э. Д., Горбатов В. А. Учебная книга по фотографии. М., «Легкая индустрия», 1976
  • Краткий фотографический справочник. Под общей редакцией д.т. н. Пуськова В. В., изд. 2-е, М., Искусство, 1953.

Геометрические и хроматические аберрации объективов


 В этой статье со страшным названием мы разберемся в особенностях оптических искажений объективов. Вы замечали, что при съемке на широкоугольник у вас искажаются края кадра? А при попытках сделать кадр в контровом свете вокруг предметов появляется розовая, синяя или зеленоватая окантовка? Если не замечали, присмотритесь еще раз. А пока давайте разберемся, почему так происходит.

 

Для начала нужно понять и принять тот факт, что идеальных оптические систем (т.е. в нашем случае – объективов) не существует. Каждой оптической системе присущи искажения, которые она вносит в проекцию реальности на изображение (фотографию). Искажения оптических систем по-научому принято называть аберрациями, т.е. отклонениями от нормы или от идеала.

Аберрации различных оптических систем могут принимать разную форму и быть более заметными или практически не различимыми. Обычно чем дороже объектив, тем качественнее его оптическая система, а значит, тем меньше аберраций ей присуще.

Виды аберраций

Чаще всего само слово «аберрация» в фотографии применяется в сочетании «хроматические аберрации». Как вы уже могли догадаться, хроматические аберрации – это один из видов искажений, вызванных особенностями оптической системы объектива, который выражается в виде цветовых отклонений. Типичный пример хроматических аберраций – это нестественные цветные контуры на границах объектов съемки. Ярче всего хроматические аберрации проявляются на контурах в высококонтрастных участках изображения. Например, на границе веток деревьев, снятых на фоне яркого неба, или по контуру волос при съемке портрета в контровом закатном свете.

Причиной хроматических аберраций является такое оптическое явление как дисперсия стекла, из которого изготовлены линзы. Дисперсия стекла заключается в том, что световые волны разной длины (разного цветового спектра) при прохождении через линзу преломляются под разными углами. Белый свет (который содержит в себе целый спектр световых волн разной длины, т.е. разного цвета), проходя через линзу объектива, сначала распадается на цветовой спектр, который затем снова собирается в пучок для проекции изображения на матрицу фотоаппарата. В результате из-за разницы углов преломления цветных лучей возникают отклонения при формировании изображения. Это выражается в погрешностях при распределении цвета на снимке. Именно поэтому на фотографии могут появиться цветные контуры, цветные пятна или полосы, которых не было на объекте съемки.

Хроматические аберрации в той или иной степени присущи практически всем объективам. Дешевая оптика «хроматит» гораздо сильнее, чем объективы элитной серии. На этапе проектирования оптической системы производители могут минимизировать хроматические аберрации при помощи использования ахроматических линз. Секрет ахроматической линзы в том, что ее конструкция состоит из двух сортов стекла: одно с низким, а другое с высоким коэффициентом преломления света. Подбор пропорции сочетания материалов с разными коэффициентами преломления света позволяет снизить отклонения световых волн в момент расщепления белого света.

Не стоит сильно расстраиваться, если ваш объектив не содержит ахроматических линз – хроматические аберрации возникают в основном при съемке в сложных условиях освещения, и сильно бросаются в глаза только при просмотре фотографии в 80-100% увеличении. К тому же, никто не отменял обработку в графических редакторах, которые позволяют свести на нет такие погрешности оптики. О том, как это сделать, читайте в следующей статье «Исправление погрешностей объектива» (публикация скоро).

К другому виду аберраций объектива относятся геометрические искажения, которые принято называть дисторсией объектива. Дисторсия объектива проявляется в искажении пропорций объектов, расположенных ближе к краям кадра. Говоря научным языком, при дисторсии линейное увеличение объектов, находящихся в поле зрения, происходит неравномерно. В результате предметы по краям кадра выглядят неестественно сплюснутыми или вытянутыми.

По характеру искажений выделяют два вида дисторсии: положительная (вогнутая или подушкообразная) и отрицательная (выпуклая или бочкообразная). Если в кадре геометрических искажений не наблюдается, то говорят, что дисторсии нет. В этом случае изображение выглядит ровным и плоским, обратите внимание на идеально ровную линию горизонта на снимке ниже. Обычно именно по линии горизонта можно легко заметить геометрические искажения в пейзажной съемке.


Сильнее всего дисторсия проявляется при использовании широкоугольных объективов. Причем, чем больше угол обзора объектива (чем меньше фокусное расстояние), тем сильнее проявляются геометрические аберрации. Наверняка, вы замечали, что вертикальные и горизонтальные линии при съемке на ширик искривляются по мере приближения к краям кадра. Самый яркий пример дисторсии объектива – это фотографии, снятые на сверхширокоугольный объектив «фишай» (рыбий глаз). Но в случае с фишаем дисторсия не является погрешностью или недостатком оптики. Скорее, это его особенность, которая позволяет расширить угол обзора объектива до 180 градусов (и даже больше).

При использовании широкоугольных объективов (ФР<24 мм) можно наблюдать бочкообразную (вогнутую) дисторсию, при использовании длиннофокусных объективов (ФР>200 мм) может появляться подушкообразная (выпуклая) дисторсия. Объективам со средними значениями фокусных расстояний обычно не свойственны геометрические искажения по полю кадра.

Именно поэтому говорят, что широкоугольный объектив искажает пропорции, а объективы с фокусным расстояние 70-200 мм сглаживают какие-либо искажения. И именно поэтому, портреты принято снимать на объективы 70-200 мм, которые не искажают пропорции лица и фигуры. А вот портреты, снятые на ширик, выглядят комично и используются только для создания специального карикатурного эффекта. При этом чем меньше расстояние между точкой съемки и объектом съемки, тем сильнее проявляются искажения пропорций. Например, как на известном портрете Билла Клинтона (фотография ниже) — голова выглядит непропорционально маленькой по сравнению с большими руками и коленями. Но в данном случае это как раз творческая задумка, авторский стиль фотографа. При помощи использования широкоугольного объектива он смог создать яркий зрительный образ — ассоциацию с персоной бывшего президента США.

Так же, как и хроматические аберрации, дисторсия поддается исправлению при конструировании объектива. Для этого в оптическую систему встраивается асферическая линза, а объективы с исправленной дисторсией называют асферическими. Вы могли видеть такие названия (ASP) в описании технических характеристик к объективу. Такие объективы обычно стоят дороже сферических аналогов, но при съемке передают пропорции объектов в кадре без искажений. Однако есть относительно не дорогой объектив Sigma 10-20 mm F4-5.6 EX DC HSM, который дает ровную картинку даже при максимальном угле обзора 102 градуса.

Если ваш объектив на широком угле дает геометрические аберрации, то есть два способа это исправить:

  1. Если вы используете зум-объектив, можно просто выставить большее фокусное расстояния и сделать пару шагов назад. Так, у вас в кадре окажется та же композиция, но за счет изменения фокусного расстояния вы избавитесь от искажений.
  2. Исправить геометрические аберрации позволяют средства графических редакторов (прежде всего, Photoshop). Но при этом будьте готовы потерять часть объектов на фотографии, потому что при исправлении искривлений происходит обрезка по краям кадра. О том, как это сделать, читайте в следующей статье.

Исправление хроматической аберрации в Lightroom

Исправление хроматической аберрации в Lightroom

Раньше или позже, вы столкнетесь с ситуацией, когда ряд контрастных кромок объекта съемки будут иметь окружающий их красный, зеленый или, более вероятно, пурпурный цветной ореол или кромку (известные как "цветная аберрация"). Они чаще появляются (практически, при послеполуденном освещении) при съемках дешевой цифровой камерой (или хорошей камерой с дешевым широкоугольным объективом), но подобные проблемы время от времени могут возникать даже у хороших камер (с хорошими объективами). К счастью, в Lightroom исправить их достаточно легко (описание шагов Один и Два на этой странице отличаются от оригинала и соответствуют работе в версии Lr 4.4).

Онлайн гипермаркет запчастей для автомобилей “Автокомплекс” предлагает вашему вниманию огромный выбор автозапчастей и услуг, таких как рихтовка, малярка, покраска и ремонт генератора Киев.

Шаг Один:

Здесь я увеличил масштаб до заполнения превью одним из минаретов изображения, которое мы использовали в начале этой главы (в разделе о снимках с задней подсветкой). Здесь, на крупном плане изображения, видно, что как будто кто-то провел вдоль левой кромки тонким пурпурным маркером, а вдоль правой кромки-зеленым маркером. Если такое происходит с одним из ваших изображений, сначала зайдите в панель Lens Corrections (Коррекция объектива) и щелкните вверху кнопку Color (Цвет) (выделена красным овалом). Затем увеличьте масштаб области кромки с цветной окантовкой (я увеличил масштаб до 2:1), так чтобы вы могли видеть, как регуляторы корректируют кромку.

 

Шаг Два:

Установите галочку в окошке Remove Chromatic Aberration (Удаление хроматических аберраций), наверху панели (опция выделена здесь красным овалом). Это удаляет цветную окантовку, и я мог бы добавить, работает удивительно хорошо. Вот и все (куда проще, чем было в Lightroom 3). Здесь приведены состояния До/После установки галочки в окошке удаления хроматических аберраций, и вы можете видеть, что пурпурно-зеленая окантовка кромок исчезла. Если цель достигнута не полностью, то используйте расположенные ниже два ползунка Amount (Интенсивность) - верхний для пурпурных, нижний для зеленых оттенков (выделены желтыми овалами). Можно также изменить положение каждой пары движков шкалы Purple Hue (Оттенок [пурпурного]) и шкалы Green Hue (Оттенок зеленого) (выделены голубыми овалами). Если и это до конца не поможет, используйте инструмент пипетка Fringe Color Selector (Выбор цвета бахромы) (выделен здесь красным кружком) в секции Defringe (Устранить бахрому). Щелкните этот инструмент, держите-нажатой клавишу мыши и наведите его на участок бахромы. Сместите его в центр выпадающей палитры оттенков бахромы и удалите ее щелчком мыши. Повторите для других участков бахромы.

Что такое хроматические аберрации

Возможно, вы не один раз слышали от фотографов, что у вас на фотографиях есть критическая«хроматическая аберрация»? И слова звучат так, как будто это заболевание. Давайте рассмотрим, что этот термин означает, и как удалить аберрации из фотографий, если есть такая необходимость, с помощью передовой технологии.

Хроматические аберрации — паразитная дисперсия света, проходящая через оптическую систему. Такое может возникнуть из-за линзы или неправильного преломления света при фотографировании. Хроматическая аберрация ведет к снижению четкости изображения, а иногда также и к появлению на нем цветных контуров, полос, пятен, которые у предмета отсутствуют.

И хотя современные линзы и камеры разработаны с помощью технологий, направленных на то, чтобы уменьшать подобные глюки, но факт остается фактом — они до сих пор всплывают на наших снимках. О том, как можно исправить хроматически аберрации с Photoshop, читаем ниже.

Как выглядит хроматическая аберрация в фотографии

Вот изображение, которое может служить хорошим примером хроматической аберрации. Часть изображения находится немного не в фокусе, за счет этого происходит некоторая потеря в деталях. Обратите внимание на голубой ореол на левой стороне изображения и подобные же цветные пятна разбросаны по всей площади в разных областях.

За счет линзы может изменяться прохождение света, линза влияет на частоту, когда свет проходит через объектив, различные длины волн (цвета) двигаются с разной скоростью и фиксируются в разных местах на датчике. Иногда, неуместность использования линзы не предназначенной для определенной съемки (например, макро), может вызвать хроматические аберрации. В результате красный, зеленый и синий не сходятся в нужной точке и создают отображение каналов, которые не совпадают.

Есть, конечно, более техническое описание того, что такое хроматические аберрации, но для наших целей вполне достаточно такого простого объяснения, чтобы понять как ХА влияют на изображение и как с ними бороться.

В этой анимации отчетливо видно, как происходит сдвиг изображения. Каждый канал может быть достаточно резким, но при объединении качество изображения ухудшается. Вполне возможно, что удастся исправить изображения с помощью программ постобработки.

Аберрации объективов

© 2013 Vasili-photo. com

Аберрации фотографического объектива – это последнее, о чём стоит думать начинающему фотографу. Они абсолютно не влияют на художественную ценность ваших фотографий, да и на техническое качество снимков их влияние ничтожно. Тем не менее, если вы не знаете, чем занять своё время, прочтение данной статьи поможет вам разобраться в многообразии оптических аберраций и в методах борьбы с ними, что, конечно же, бесценно для настоящего фотоэрудита.

Аберрации оптической системы (в нашем случае – фотографического объектива) – это несовершенство изображения, которое вызывается отклонением лучей света от пути, по которому они должны были бы следовать в идеальной (абсолютной) оптической системе.

Свет от всякого точечного источника, пройдя через идеальный объектив, должен был бы формировать бесконечно малую точку на плоскости матрицы или плёнки. На деле этого, естественно, не происходит, и точка превращается в т.н. пятно рассеяния, но инженеры-оптики, разрабатывающие объективы, стараются приблизиться к идеалу насколько это возможно.

Различают монохроматические аберрации, в одинаковой степени присущие лучам света с любой длиной волны, и хроматические, зависящие от длины волны, т.е. от цвета.

Особняком стоит дифракция, которую хоть и можно отнести к аберрациям объектива, однако в силу её фундаментального характера и принципиальной неустранимости обычно рассматривают отдельно от прочих аберраций.

Монохроматические аберрации

В 1857 г. немецкий математик и астроном Филип Людвиг Зейдель выявил и математически описал пять т.н. монохроматических аберраций третьего порядка. Вот они:

  • Сферическая аберрация
  • Кома
  • Астигматизм
  • Кривизна поля изображения
  • Дисторсия

Настоящая статья написана для фотографов, а не для математиков, а потому нас, прежде всего, интересует не то, какие формулы описывают каждую из аберраций, а то, как аберрации проявляют себя в практической фотографии.

Рассмотрим их по порядку.

Сферическая аберрация

Особенность сферической линзы такова, что лучи света, проходящие через линзу вблизи её края, преломляются сильнее, чем лучи, проходящие через центр. Объясняется это тем, что исходно параллельные лучи света падают на сферическую поверхность линзы под разными углами. Чем дальше лежит путь луча от оптической оси объектива, тем больше угол его падения, и тем сильнее он преломляется. В конечном итоге это приводит к невозможности сфокусировать точку иначе как в виде размытого по краям пятна, и всё изображение оказывается нерезким.

Ход световых лучей в идеальной линзе.
Ход лучей при сферической аберрации.

Диафрагмирование объектива заметно уменьшает сферическую аберрацию, поскольку при уменьшении отверстия диафрагмы отсекается часть лучей, проходящая через край линзы, а оставшиеся вблизи оптической оси лучи формируют более резкое изображение.

При конструировании объективов сферические аберрации устраняются комбинированием положительных и отрицательных линз, а также применением специальных асферических элементов, т.е. линз, преломляющая поверхность которых имеет асферическую форму, с тем расчётом, чтобы, вне зависимости от удалённости лучей света от оптической оси объектива, все они преломлялись по возможности одинаково, и таки сходились при фокусировке в одну точку. Чрезмерное исправление сферических аберраций, кстати, также ни к чему хорошему не приводит: пятно рассеяния становится ярче по краям, нежели в центре, что проявляется в виде кольцеобразного боке.

Кома

Коматическая аберрация или кома возникает, когда лучи света проходят через линзу под углом к оптической оси. В результате изображение точечных источников света приобретает по краям кадра вид ассиметричных пятен каплеобразной (или, в тяжёлых случаях, кометообразной) формы.

Коматическая аберрация.

Кома бывает заметна по краям кадра при съёмке с широко открытой диафрагмой. Поскольку диафрагмирование уменьшает количество лучей, проходящих через край линзы, оно, как правило, устраняет и коматические аберрации.

Конструкционно с комой борются примерно так же, как и со сферическими аберрациями.

Астигматизм

Астигматизм проявляется в том, что для наклонного (не параллельного оптической оси объектива) пучка света лучи, лежащие в меридиональной плоскости, т. е. плоскости, которой принадлежит оптическая ось, фокусируются отличным образом от лучей, лежащих в сагиттальной плоскости, которая перпендикулярна плоскости меридиональной. Это, в конечном итоге приводит к ассиметричному растягиванию пятна нерезкости. Астигматизм заметен по краям изображения, но не в его центре.

Астигматизм труден для понимания, поэтому я попробую проиллюстрировать его на простом примере. Если представить, что изображение буквы А находится в верхней части кадра, то при астигматизме объектива оно бы выглядело так:

Меридиональный фокус.
Сагиттальный фокус.
При попытке достичь компромисса мы получаем универсально нерезкое изображение.
Исходное изображение без астигматизма.

Для исправления астигматической разности меридионального и сагиттального фокусов требуется не менее трёх элементов (обычно два выпуклых и один вогнутый).

Очевидный астигматизм в современном объективе указывает обычно на непараллельность одного или нескольких элементов, что является однозначным дефектом.

Кривизна поля изображения

Под кривизной поля изображения подразумевают характерное для весьма многих объективов явление, при котором резкое изображение плоского объекта фокусируется объективом не на плоскость, а на некую искривлённую поверхность. Например, у многих широкоугольных объективов наблюдается выраженная кривизна поля изображения, в результате которой края кадра оказываются сфокусированы как бы ближе к наблюдателю, чем центр. У телеобъективов кривизна поля изображения обычно выражена слабо, а у макрообъективов исправляется практически полностью – плоскость идеального фокуса становится действительно плоской.

Кривизна поля изображения.

Кривизну поля принято считать аберрацией, поскольку при фотографировании плоского объекта (тестовой таблицы или кирпичной стены) с фокусировкой по центру кадра, его края неизбежно окажутся не в фокусе, что может быть ошибочно принято за нерезкость объектива. Но в реальной фотографической жизни мы редко сталкиваемся с плоскими объектами – мир вокруг нас трёхмерен, – а потому свойственную широкоугольным объективам кривизну поля я склонен рассматривать скорее как их достоинство, нежели недостаток. Кривизна поля изображения – это то, что позволяет получить одинаково резкими и передний, и задний план одновременно. Посудите сами: центр большинства широкоугольных композиций находится вдалеке, в то время как ближе к углам кадра, а также внизу, располагаются объекты переднего плана. Кривизна поля делает и то, и другое резким, избавляя нас от необходимости закрывать диафрагму сверх меры.

Кривизна поля позволила при фокусировке на дальние деревья получить резкими ещё и глыбы мрамора внизу слева.
Некоторая нерезкость в области неба и на дальних кустах справа меня в этой сцене мало беспокоила.

Следует, однако, помнить, что для объективов с выраженной кривизной поля изображения непригоден способ автоматической фокусировки, при котором вы сперва фокусируетесь на ближнем к вам объекте, используя центральный фокусировочный датчик, а затем перекомпоновываете кадр (см. «Как пользоваться автофокусом»). Поскольку объект при этом переместится из центра кадра на периферию, вы рискуете получить фронт-фокус вследствие кривизны поля. Для идеального фокуса придётся сделать соответствующую поправку.

Дисторсия

Дисторсия – это аберрация при которой объектив отказывается изображать прямые линии прямыми. Геометрически это означает нарушение подобия между объектом и его изображением вследствие изменения линейного увеличения по полю зрения объектива.

Выделяют два наиболее распространённых типа дисторсии: подушкообразная и бочкообразная.

При бочкообразной дисторсии линейное увеличение уменьшается по мере удаления от оптической оси объектива, в результате чего прямые линии по краям кадра изгибаются наружу, и изображение выглядит выпуклым.

При подушкообразной дисторсии линейное увеличение, напротив, возрастает с удалением от оптической оси. Прямые линии изгибаются внутрь, и изображение кажется вогнутым.

Кроме того, встречается комплексная дисторсия, когда линейное увеличение сперва уменьшается по мере удаления от оптической оси, но ближе к углам кадра снова начинает возрастать. В таком случае прямые линии приобретают форму усов.

Бочкообразная дисторсия.
Подушкообразная дисторсия.
Комплексная дисторсия.

Дисторсия наиболее выражена в зум-объективах, особенно с большой кратностью, но заметна и в объективах с фиксированным фокусным расстоянием. Для широкоугольных объективов характерна преимущественно бочкообразная дисторсия (экстремальный пример такой дисторсии – объективы типа fisheye или «рыбий глаз»), в то время как телеобъективам чаще свойственна подушкообразная дисторсия. Нормальные объективы, как правило, наименее подвержены дисторсии, но полностью исправляется она только в хороших макрообъективах.

Это не Земля закругляется, а обычная бочкообразная дисторсия.

У зум-объективов часто можно наблюдать бочкообразную дисторсию в широкоугольном положении и подушкообразную дисторсию в телеположении при практически свободной от дисторсии середине диапазона фокусных расстояний.

Степень выраженности дисторсии может также изменяться в зависимости от дистанции фокусировки: у многих объективов дисторсия очевидна, когда они сфокусированы на близлежащем объекте, но делается почти незаметной при фокусировке на бесконечность.

В XXI в. дисторсия не является большой проблемой. Практически все RAW-конвертеры и многие графические редакторы позволяют исправлять дисторсию при обработке фотоснимков, а многие современные камеры и вовсе делают это самостоятельно в момент съёмки. Программное исправление дисторсии при наличии надлежащего профиля даёт прекрасные результаты и почти не влияет на резкость изображения.

Хочу также заметить, что на практике исправление дисторсии требуется не так уж часто, ведь дисторсия бывает заметна невооружённым глазом только тогда, когда по краям кадра присутствуют заведомо прямые линии (горизонт, стены зданий, колонны). В сценах же, не имеющих на периферии строго прямолинейных элементов, дисторсия, как правило, совершенно не режет глаз.

Хроматические аберрации

Хроматические или цветовые аберрации обусловлены дисперсией света. Не секрет, что показатель преломления оптической среды зависит от длины световой волны. У коротких волн степень преломления выше, чем у длинных, т.е. лучи синего цвета преломляются линзами объектива сильнее, чем красного. Как следствие, изображения предмета, формируемые лучами различного цвета, могут не совпадать между собой, что приводит к появлению цветных артефактов, которые и называются хроматическими аберрациями.

В чёрно-белой фотографии хроматические аберрации не так заметны, как в цветной, но, тем не менее, они существенно ухудшают резкость даже чёрно-белого изображения.

Различают два основных типа хроматических аберраций: хроматизм положения (продольная хроматическая аберрация) и хроматизм увеличения (хроматическая разность увеличения). В свою очередь, каждая из хроматических аберраций может быть первичной или вторичной. Также к хроматическим аберрациям относят хроматические разности геометрических аберраций, т. е. различную выраженность монохроматических аберраций для волн разной длины.

Хроматизм положения

Хроматизм положения или продольная хроматическая аберрация возникает, когда лучи света с разной длиной волны фокусируются в разных плоскостях. Иными словами, лучи синего цвета фокусируются ближе к задней главной плоскости объектива, а лучи красного цвета – дальше, чем лучи зелёного цвета, т.е. для синего цвета наблюдается фронт-фокус, а для красного – бэк-фокус.

Хроматизм положения.

К счастью для нас, хроматизм положения научились исправлять ещё в XVIII в. путём комбинирования собирательной и рассеивающей линз, изготовленных из стёкол с разными показателями преломления. В результате продольная хроматическая аберрация флинтовой (собирательной) линзы компенсируется за счёт аберрации кроновой (рассеивающей) линзы, и лучи света с различной длиной волны могут быть сфокусированы в одной точке.

Исправление хроматизма положения.

Объективы, в которых исправлен хроматизм положения, называются ахроматическими. Практически все современные объективы являются ахроматами, так что о хроматизме положения на сегодняшний день можно спокойно забыть.

Хроматизм увеличения

Хроматизм увеличения возникает за счёт того, что линейное увеличение объектива различается для разных цветов. В результате изображения, формируемые лучами с различной длиной волны, имеют немного разные размеры. Поскольку изображения разного цвета отцентрированы по оптической оси объектива, хроматизм увеличения отсутствует в центре кадра, но возрастает к его краям.

Хроматизм увеличения проявляется на периферии снимка в виде цветной каймы вокруг объектов с резкими контрастными краями, такими как, например, тёмные ветви деревьев на фоне светлого неба. В областях, где подобные объекты отсутствуют, цветная кайма может быть незаметной, но общая чёткость всё равно падает.

При конструировании объектива хроматизм увеличения исправить значительно труднее, чем хроматизм положения, поэтому эту аберрацию можно в той или иной степени наблюдать у весьма многих объективов. Этому подвержены в первую очередь зум-объективы с большой кратностью, особенно в широкоугольном положении.

Тем не менее, хроматизм увеличения не является сегодня поводом для беспокойства, поскольку он достаточно легко исправляется программными средствами. Все хорошие RAW-конвертеры в состоянии устранять хроматические аберрации в автоматическом режиме. Кроме того, всё больше цифровых фотоаппаратов снабжаются функцией исправления аберраций при съёмке в формате JPEG. Это означает, что многие объективы, считавшиеся в прошлом посредственными, сегодня с помощью цифровых костылей могут обеспечить вполне приличное качество изображения.

Этот фрагмент фотографии иллюстрирует хроматизм увеличения. Наведите курсор для сравнения с программно исправленым вариантом.

Первичные и вторичные хроматические аберрации

Хроматические аберрации подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные хроматические аберрации – это хроматизмы в своём исходном неисправленном виде, обусловленные различной степенью преломления лучей разного цвета. Артефакты первичных аберраций окрашены в крайние цвета спектра – сине-фиолетовый и красный.

При исправлении хроматических аберраций хроматическая разность по краям спектра устраняется, т.е. синие и красные лучи начинают фокусироваться в одной точке, которая, к сожалению, может не совпадать с точкой фокусировки зелёных лучей. При этом возникает вторичный спектр, поскольку хроматическая разность для середины первичного спектра (зелёных лучей) и для его сведённых вместе краёв (синих и красных лучей) остаётся не устранённой. Это и есть вторичные аберрации, артефакты которых окрашены в зелёный и пурпурный цвета.

Когда говорят о хроматических аберрациях современных ахроматических объективов, в подавляющем большинстве случаев имеют в виду именно вторичный хроматизм увеличения и только его. Апохроматы, т.е. объективы, в которых полностью устранены как первичные, так и вторичные хроматические аберрации, чрезвычайно сложны в производстве и вряд ли когда-нибудь станут массовыми.

Сферохроматизм

Сферохроматизм – это единственный заслуживающий упоминания пример хроматической разности геометрических аберраций и проявляется как едва заметное окрашивание зон вне фокуса в крайние цвета вторичного спектра.

Сферохроматизм.

Сферохроматизм возникает из-за того, что сферическая аберрация, о которой говорилось выше, редко бывает в равной степени скорректирована для лучей разного цвета. В результате пятна нерезкости на переднем плане могут иметь лёгкую пурпурную кайму, а на заднем плане – зелёную. Сферохроматизм в наибольшей степени свойственен светосильным длиннофокусным объективам, при съёмке с широко открытой диафрагмой.

О чём стоит беспокоиться?

Беспокоиться не стоит. Обо всём, о чём следовало побеспокоиться, разработчики вашего объектива, скорее всего, уже побеспокоились.

Идеальных объективов не бывает, поскольку исправление одних аберраций ведёт к усилению других, и конструктор объектива, как правило, старается найти разумный компромисс между его характеристиками. Современные зумы и так содержат по двадцать элементов, и не стоит усложнять их сверх меры.

Все криминальные аберрации исправляются разработчиками весьма успешно, а с теми, что остались легко поладить. Если у вашего объектива есть какие-то слабые стороны (а таких объективов – большинство), научитесь обходить их в своей работе. Сферическая аберрация, кома, астигматизм и их хроматические разности уменьшаются при диафрагмировании объектива (см. «Выбор оптимальной диафрагмы»). Дисторсия и хроматизм увеличения устраняются при обработке фотографий. Кривизна поля изображения требует дополнительного внимания при фокусировке, но тоже не смертельна.

Иными словами, вместо того чтобы обвинять оборудование в несовершенстве, фотолюбителю следует скорее начать совершенствоваться самому, досконально изучив свои инструменты и используя их в соответствии с их достоинствами и недостатками.

Спасибо за внимание!

Василий А.

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект, внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

Желаю удачи!


  Дата публикации: 15.11.2013

Вернуться к разделу "Матчасть"

Перейти к полному списку статей


Хроматические и монохроматические оптические аберрации

Проектирование оптических систем никогда не было легкой задачей; даже идеально спроектированные системы содержат оптические аберрации. Хитрость заключается в том, чтобы понять и исправить эти оптические аберрации, чтобы создать оптимальную систему. Для этого рассмотрите типы аберраций, присутствующих в оптических системах.

Оптические аберрации - это отклонения от совершенной математической модели. Важно отметить, что они не вызваны какими-либо физическими, оптическими или механическими дефектами.Скорее, они могут быть вызваны самой формой линзы или размещением оптических элементов внутри системы из-за волновой природы света. Оптические системы обычно проектируются с использованием оптики первого порядка или параксиальной оптики для расчета размера и местоположения изображения. Параксиальная оптика не учитывает аберрации; он рассматривает свет как луч и, следовательно, не учитывает волновые явления, вызывающие аберрации.

Оптические аберрации называют и характеризуют по-разному. Для простоты рассмотрим аберрации, разделенные на две группы: хроматические аберрации (присутствующие при использовании более одной длины волны света) и монохроматические аберрации (присутствующие при использовании одной длины волны света).

ХРОМАТИЧЕСКИЕ АБЕРРАЦИИ

Хроматические аберрации подразделяются на два типа: поперечные и продольные. Продольная может быть как первичной, так и вторичной продольной хроматической аберрацией.

Поперечная хроматическая аберрация (TCA) возникает, когда размер изображения изменяется в зависимости от длины волны. Другими словами, когда используется белый свет, красные, желтые и синие длины волн фокусируются в разных точках вертикальной плоскости (рис. 1). С точки зрения оптики, 656,3 нм (красный) обозначается как C light, 587.6 нм (желтый) как свет d и 486,1 нм (синий) как светильник F. Эти обозначения происходят от их линий излучения водорода для света C и F и гелия для света d.

Продольная хроматическая аберрация (LCA) возникает, когда разные длины волн фокусируются в разных точках вдоль горизонтальной оптической оси в результате дисперсионных свойств стекла. Показатель преломления стекла зависит от длины волны, поэтому он немного по-разному влияет на то, где фокусируется каждая длина волны света, что приводит к отдельным фокусным точкам для света F, d и C вдоль горизонтальной плоскости (рисунок 2).

Рисунок 1: Поперечная хроматическая аберрация одиночной положительной линзы

Рисунок 2: Продольная хроматическая аберрация одиночной положительной линзы

Рисунок 3: Ахроматическая дуплетная линза, корректирующая первичную продольную хроматическую аберрацию

Первичная коррекция LCA обычно выполняется с помощью ахроматической дуплетной линзы, которая состоит из положительных и отрицательных линзовых элементов с разными показателями преломления (рис. 3).Этот тип коррекции заставляет свет F и C фокусироваться в одном и том же месте, но мало влияет на положение фокуса d света, что оставляет остаточную хроматическую аберрацию.

Чтобы исправить эту остаточную LCA, необходимо использовать более сложную линзу или систему линз для смещения фокуса d-света так, чтобы он находился в том же осевом положении, что и фокус F и C. Этот тип коррекции обычно достигается с помощью апохроматической линзы, которая корректируется так, чтобы три длины волны фокусировались в одной и той же точке, или суперхроматической линзы, которая корректируется так, что четыре длины волны фокусируются в одной и той же точке.На рисунках 4a - 4d показано сравнение сдвига фокуса между вышеупомянутыми типами систем линз.

Рисунок 4a: Иллюстрация смещения фокуса для коррекции без аберрации с помощью одиночной линзы

Рис. 4b: Иллюстрация смещения фокуса для коррекции первичной продольной хроматической аберрации с помощью ахроматической линзы

Рисунок 4c: Иллюстрация смещения фокуса для коррекции вторичной продольной хроматической аберрации с помощью апохроматической линзы

Рисунок 4d: Иллюстрация смещения фокуса для коррекции вторичной продольной хроматической аберрации с помощью суперахроматической линзы

МОНОХРОМАТИЧЕСКИЕ АБЕРРАЦИИ

Существует гораздо больше типов монохроматических аберраций по сравнению с хроматическими аберрациями. m \ left (\ theta \ right) \ bigg]} $$

В уравнении 1 W klm - коэффициент волнового фронта, H - нормализованная высота изображения, ρ - положение в зрачке, а θ - угол между ними, который получается из-за скалярного произведения двух векторов. Как только коэффициент волнового фронта известен, порядковый номер может быть определен путем сложения l и k. Однако это всегда будет четное число. Поскольку оптические аберрации часто называют аберрациями первого, третьего, пятого порядка и т. Д., Если k + l = 2, это аберрация первого порядка, если k + l = 4, это аберрация третьего порядка и т. Д.Как правило, для системного анализа необходимы аберрации только первого и третьего порядка. Аберрации более высокого порядка существуют, но обычно не корректируются в оптических системах из-за усложнения, которое они вносят в систему. Обычно сложность исправления аберраций более высокого порядка не стоит улучшения качества изображения. Общие монохроматические аберрации третьего порядка и соответствующие им коэффициенты и уравнения перечислены в таблице 1.

Название аберрации Коэффициент волнового фронта Уравнение
Наклон Вт 111 Вт 111 Hρcos (θ)
Расфокусировка Вт 020 Вт 020 ρ 2
Сферический Вт 040 Вт 040 ρ 4
Кома Вт 131 Вт 131 3 cos (θ)
Астигматизм Вт 222 Вт 222 H 2 ρ 2 cos 2 (θ)
Кривизна поля Вт 220 Вт 220 В 2 ρ 2
Деформация Вт 311 Вт 311 В 3 ρcos (θ)

Таблица 1: Общие оптические аберрации третьего порядка

Оптические системы и системы формирования изображений могут содержать несколько комбинаций оптических аберраций. Эти оптические аберрации можно разделить на хроматические и монохроматические. Аберрации всегда ухудшают качество изображения, и очень большая часть оптической конструкции направлена ​​на распознавание и уменьшение этих аберраций. Первым шагом в исправлении аберраций является понимание различных типов и того, как они влияют на производительность системы. Обладая этими знаниями, можно разработать наилучшую возможную систему. Для получения более подробной информации о выявлении и коррекции хроматических и монохроматических аберраций см. Сравнение оптических аберраций.


Номер ссылки

  1. Dereniak, Eustace L., and Teresa D. Dereniak. Геометрическая и тригонометрическая оптика . Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2008.

Создание эффекта хроматической аберрации

Хроматическая аберрация (искажение), также известная как «цветная окантовка», является распространенной оптической проблемой. Это происходит, когда объектив камеры не может привести все длины волн цвета к одной и той же фокальной плоскости или когда длины волн цвета фокусируются в разных положениях на плоскости.

Это вызвано рассеиванием линз, когда свет разных цветов движется с разной скоростью при прохождении через линзу - по сути, создает размытое изображение с цветными полосами (радужная кромка в областях контраста).

Существует два типа хроматической аберрации: осевая (продольная) и поперечная (поперечная). Не вдаваясь в подробности, аксиальная аберрация возникает постоянно по всему изображению, тогда как поперечная не возникает в центре и увеличивается к краю изображения.Есть несколько способов минимизировать или удалить их с помощью приложений для редактирования фотографий или Photoshop CC.

Мы добавим этому изображению хроматическую аберрацию.

Вы также можете заметить этот эффект в некоторых фильмах. Да, это специально. В движении он выглядит намного лучше, чем на снимке, поскольку на самом деле помогает повысить резкость изображения, а не размывать изображение на фотографии.

Итак, если фотографы делают все возможное, чтобы избежать хроматической аберрации в своей работе, потому что она считается «неправильной», зачем вам добавлять ее в свое трехмерное искусство? Потому что при правильном использовании он может сделать ваше изображение более привлекательным и реалистичным. Вот как вы можете вручную добиться этого эффекта в Photoshop.

01. Подготовьте свое изображение

Объедините вашу композицию в один слой перед тем, как начать

Хроматическую аберрацию лучше всего добавлять в конце, поэтому сначала завершите свою обычную композицию изображения. Поместите копию ваших слоев в папку для безопасного хранения (необязательно) или просто начните новый проект. Убедитесь, что ваша композиция объединена в один слой, затем продублируйте его дважды. Установите дубликаты на Светлее.

02.Выберите каналы

Уменьшите количество ненужных вам цветов для каждого канала

Решите, с какими цветами вы хотите создать эффект. Здесь работают зеленый и синий. Выберите первый дубликат, перейдите в раздел «Уровни» и измените выходные уровни красного и синего на 0, оставив уровни зеленого нетронутыми. Выберите второй дубликат и установите уровни красного и зеленого на 0, оставив синий как есть. Соответственно переименуйте слои.

03.

Добавьте искажение

Не переусердствуйте с эффектом, потому что он определенно будет выглядеть ужасно.

Выберите слой Green, активируйте инструмент Move и нажмите левую стрелку на клавиатуре (достаточно дважды).Выберите синий слой и сдвиньте его вправо. Не сдвигайте их на слишком большое количество щелчков, потому что это приведет к слишком сильному искажению, и на ваше изображение будет больно смотреть.

04. Тиснение изображения

Закончите небольшим кусочком тонкого тиснения

Если вы хотите еще больше усилить детализацию изображения, вы можете попробовать добавить сверху фильтр / стилизация / тиснение. Поэкспериментируйте и поиграйте с вариантами угла, высоты и количества тиснения, чтобы увидеть, что лучше всего подходит для освещения вашей сцены.

Эта статья изначально была опубликована в 3D World , мировом бестселлере для художников компьютерной графики. Подпишитесь на 3D World здесь .

Статьи по теме:

Учебник по микроскопии молекулярных выражений: физика света и цвета - хроматическая аберрация


Оптические аберрации

Интерактивные учебные пособия
Хроматическая аберрация

Хроматические аберрации - это артефакты, зависящие от длины волны, которые возникают из-за того, что показатель преломления каждого состава оптического стекла зависит от длины волны. Когда белый свет проходит через простую или сложную систему линз, составляющие длины волн преломляются в соответствии с их частотой. В большинстве очков показатель преломления больше для более коротких (синих) длин волн и изменяется с большей скоростью при уменьшении длины волны.

Синий свет преломляется в наибольшей степени, за ним следуют зеленый и красный свет, явление, обычно называемое дисперсией. Неспособность объектива объединить все цвета в общий фокус приводит к немного разному размеру изображения и фокусу для каждой преобладающей группы длин волн.Это приводит к появлению цветных полос вокруг изображения. Когда фокус установлен на середину диапазона длин волн, изображение приобретает зеленый оттенок с пурпурным ореолом (состоящим из смеси красного и синего) вокруг него.

Учебное пособие инициализируется изображением образца (видимого в микроскоп), которое появляется в окне в левой части апплета. Под окном изображения находится раскрывающееся меню с надписью Choose A Specimen , которое можно использовать для выбора нового образца. Положение изображения Ползунок используется для управления обучающей программой путем смещения фокальной плоскости вдоль оптической оси системы виртуальных линз, показанной в виде рисунка трассировки лучей в правой части апплета. Исходное положение ползунка - центр диапазона фокусировки. Когда ползунок перемещается влево, фокальная плоскость смещается в сторону более длинных (красных) волн, а изображение микроскопа и функции рассеяния точки одновременно изменяются, чтобы проиллюстрировать эффект хроматической аберрации.Перемещение ползунка вправо смещает фокальную плоскость в сторону более коротких (синих) длин волн и вызывает соответствующие изменения в изображении микроскопа и функциях рассеяния точки. Набор переключателей, расположенных под рисунком трассировки лучей, позволяет посетителю переключаться между нескорректированным виртуальным оптическим путем и тем, который был скорректирован для имитации ахроматических, флюоритовых или апохроматических оптических элементов. Обратите внимание, что нажатие и активация переключателя, отличного от помеченного Не исправлено , деактивирует ползунок Положение изображения .

Хроматическая аберрация очень характерна для одиночных тонких линз, изготовленных по классической формуле производителя линз , которая связывает образец и расстояние изображения для параксиальных лучей. Для одиночной тонкой линзы, изготовленной из материала с показателем преломления n и радиусами кривизны r (1) и r (2) , мы можем записать следующее уравнение :

1 / с + 1 / с '= (n-1) (1 / r (1) -1 / r (2))

, где s и s ' определены как расстояние до объекта и изображения соответственно.В случае сферической линзы фокусное расстояние ( f ) определяется как расстояние до изображения для параллельных падающих лучей :

1 / f = 1 / с + 1 / с '

Фокусное расстояние f изменяется в зависимости от длины волны света, как показано в обучающем окне и на Рисунке 1 (a), который демонстрирует эффекты хроматической аберрации на пучке белого света, проходящем через простую линзу. Цвета компонентов (длины волн) фокусируются на разных расстояниях от линзы (рисунок 2), чтобы получить изображение с произвольным радиусом размытия приблизительно 0.Диаметр 3 миллиметра. Относительно просто продемонстрировать хроматическую аберрацию, используя толстую простую собирающуюся (двояковыпуклую, положительный мениск или плосковыпуклую) линзу, освещенную полихроматическим точечным источником, например фонариком или свечой. При наблюдении изображения, создаваемого простой линзой, периферия изображения будет казаться размытой и окрашенной оранжево-красным ореолом, когда линза находится близко к глазу. На больших расстояниях ореол станет сине-фиолетовым.

Попытки коррекции линз были впервые предприняты во второй половине восемнадцатого века, когда Джон Доллонд, Джозеф Листер и Джованни Амичи разработали способы уменьшения продольной хроматической аберрации.Эти пионеры представили ахроматические линзы и для микроскопии, значительно уменьшив осевую (продольную) хроматическую аберрацию, и впервые сделали бактерии видимыми в оптическом микроскопе. Объединив коронное стекло и бесцветное стекло (каждый тип имеет разную дисперсию показателя преломления), им удалось привести синие и красные лучи к общему фокусу, близкому, но не идентичному зеленому. Дисперсия бесцветного стекла примерно вдвое больше, чем у кроны, поэтому при соединении положительного элемента короны с отрицательным кремневым элементом, комбинированные дисперсии будут примерно равными и противоположными, что устранит осевое разбросание цвета (рис. 2).Обратите внимание, что увеличительная сила стекла короны в два раза больше, чем у кремня в этой комбинации, что дает чистую силу примерно вдвое меньшей, чем у одного элемента короны. Еще одним преимуществом этого сочетания линз является коррекция сферической аберрации, которая часто возникает, когда положительный и отрицательный элементы используются вместе в группе линз.

Комбинация корона / кремень называется дублетом линз, где каждая линза имеет свой показатель преломления и дисперсионные свойства.Дублеты линз также известны как ахроматические линзы или ахроматы для краткости, производные от греческих терминов a , означающих без цвета, и chroma , означающих цвет. Эта простая форма коррекции позволяет теперь совпадать точкам изображения на 486 нанометрах в синей области и 656 нанометрах в красной области (рис. 1 (b)). Расфокусировка между центральной длиной волны (550 нанометров) и общим фокусом (синий и красный) является остаточной аберрацией, которая называется вторичным осевым цветом .Несмотря на то, что размытость уменьшается в 30 раз с помощью бихроматической коррекции с использованием кремневых и корончатых очков (рис. 1 (b)), аберрацию нельзя полностью устранить с помощью обычных стеклянных составов, что ограничивает качество изображения ахроматических объективов. Ахроматы - это наиболее широко используемые объективы, которые обычно используются как в учебных, так и в исследовательских лабораторных микроскопах. Объективы, на которых нет специальной надписи, указывающей на иное, скорее всего, являются ахроматами. Ахроматы являются удовлетворительными объектами для повседневного лабораторного использования, но поскольку они не корректируются для всех цветов, бесцветная деталь образца, вероятно, будет иметь бледно-зеленый цвет в белом свете в лучшем фокусе (вторичный осевой цвет).

Правильное сочетание толщины линзы, кривизны, показателя преломления и дисперсии позволяет дублету уменьшить хроматическую аберрацию за счет совмещения двух групп длин волн в общей фокальной плоскости (рис. 2). Если плавиковый шпат вводится в состав стекла, используемого для изготовления линзы, то три цвета - красный, зеленый и синий - могут быть объединены в одну точку фокусировки, что приведет к незначительной хроматической аберрации. Такие линзы известны как апохроматические линзы и используются для создания высококачественных объективов микроскопов без хроматических аберраций.

Современные микроскопы используют эту концепцию, и сегодня часто можно встретить тройные оптические линзы, состоящие из трех линз, склеенных вместе, особенно в высококачественных объективах. Для коррекции хроматической аберрации обычный объектив 10-кратного ахроматического микроскопа состоит из двух дуплетов линз. Многие флюоритовые объективы, которые занимают промежуточное положение по коррекции между ахроматами и апохроматами, построены с использованием плавикового шпата (или аналогичного состава) в сочетании с соответствующим стеклянным элементом, чтобы сформировать дублет, который ахроматизируется на трех длинах волн. Апохроматические объективы обычно содержат два дублета линз и тройку линз для расширенной коррекции как хроматических (до четырех длин волн), так и сферических аберраций.

Сравнение продольной хроматической коррекции ахромата и апохроматного объектива представлено на рисунке 3. Для изготовления ахроматных объективов используются стекла с нормальной дисперсией, которые имеют почти линейное уменьшение показателя преломления с увеличением длины волны.Только две длины волны могут иметь один и тот же фокус (см. Рисунок 3), а оставшийся вторичный спектр дает зеленоватые или фиолетовые полосы на изображениях с резкими краями. В более качественных апохроматных объективах используются стекла с частичной дисперсией, где показатель преломления изменяется с длиной волны быстрее в синей или красной области. В результате апохроматы обладают высокой степенью хроматической коррекции, при которой до четырех длин волн могут иметь одно и то же местоположение изображения.

С апохроматным и флюоритовым объективами дифракционное размытие распределения интенсивности также может быть практически устранено, как показано на рисунке 4. Ахромат по-прежнему имеет значительную интенсивность в первой полосе, в то время как апохромат приближается к теоретическому пределу разрешения, когда продольная хроматическая аберрация больше, чем оптическая глубина резкости.

Поскольку для апохроматических объективов требуются элементы с аномальной дисперсией, их характеристики могут не быть идеальными для некоторых конкретных приложений, таких как возбуждение флуоресценции в ближнем ультрафиолете, дифференциальный интерференционный контраст и другие формы микроскопии, использующие поляризованный свет.По этой причине часто более подходящим является флюоритовый объектив, и Рисунок 4 показывает, насколько близки эти цели к характеристикам апохроматов.

В дополнение к коррекции продольной (или осевой) хроматической аберрации объективы микроскопов обнаруживают еще один хроматический дефект. Даже когда все три основных цвета переносятся в идентичные фокальные плоскости в осевом направлении (как во флюоритовом и апохроматном объективах), точечные изображения деталей вблизи периферии поля зрения не одинакового размера. Это происходит из-за того, что внеосевые потоки лучей рассеиваются, в результате чего составляющие длины волн формируют изображения на разной высоте в плоскости изображения. Например, синее изображение детали немного больше, чем зеленое изображение или красное изображение в белом свете, что приводит к цветовому искажению деталей образца во внешних областях поля зрения. Таким образом, зависимость осевого фокусного расстояния от длины волны дает зависимость поперечного увеличения также от длины волны. Этот дефект известен как боковая хроматическая аберрация или хроматическая разность увеличения .При освещении белым светом линза с боковой хроматической аберрацией будет создавать серию перекрывающихся изображений, различающихся как по размеру, так и по цвету. В некорректируемой системе синий компонент на 436 нм может отображаться на 1,4 процента больше, чем красный компонент на 630 нм. Боковая хроматическая аберрация больше для объективов с коротким фокусным расстоянием и может составлять от 1,1 до 1,9 процента радиального расстояния от оптической оси.

В микроскопах с конечной длиной тубуса для коррекции боковой хроматической аберрации используется компенсирующий окуляр с хроматической разностью увеличения, противоположной разнице увеличения объектива.Поскольку этот дефект также встречается в ахроматах с большим увеличением, компенсирующие окуляры также часто используются для таких объективов. Действительно, многие производители конструируют свои ахроматы со стандартной боковой хроматической ошибкой и используют компенсирующие окуляры для всех своих целей. Такие окуляры часто имеют надпись K или C или Compens . В результате компенсирующие окуляры имеют встроенную боковую хроматическую ошибку и сами по себе не корректируются идеально.В 1976 году компания Nikon представила оптику CF, которая исправляет боковую хроматическую аберрацию без помощи окуляра. Новые микроскопы с бесконечной коррекцией либо полностью исправляют хроматическую аберрацию в объективе, либо используют преимущества системного объектива и тубуса для визуализации полностью скорректированного промежуточного изображения.

Наконец, интересно отметить, что человеческий глаз имеет значительную хроматическую аберрацию. К счастью, мы можем компенсировать этот артефакт, когда мозг обрабатывает изображения, но можно продемонстрировать аберрацию, используя маленькую фиолетовую точку на листе бумаги.Если поднести к глазу, фиолетовая точка в центре станет синей, окруженной красным ореолом. По мере того как бумага перемещается дальше, точка становится красной в окружении синего ореола.

Соавторы

Х. Эрнст Келлер - Carl Zeiss Inc., One Zeiss Dr., Торнвуд, Нью-Йорк, 10594.

Кеннет Р. Спринг - научный консультант, Ласби, Мэриленд, 20657.

Джон К.Long и Майкл У. Дэвидсон - Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 г. Ист. Пол Дирак, доктор философии, Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.


НАЗАД К ОПТИЧЕСКИМ АБЕРРАЦИЯМ

НАЗАД К ОБЪЕКТАМ И ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКЕ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1998-2019, автор - Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды.Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт поддерживается нашей командой

по графике и веб-программированию
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.
Последнее изменение: понедельник, 10 сентября 2018 г., 08:36
Счетчик доступа с 6 сентября 2000 г .: 96908
Для получения дополнительной информации о производителях микроскопов,

используйте кнопки ниже для перехода на их веб-сайты:

Как определить и исправить в Lightroom

Когда я только начал снимать, я понятия не имел, что такое хроматическая аберрация (ХА).

Забавно, что ты чего-то не замечаешь, а потом, когда ты осознаешь это, ты замечаешь это повсюду!

К счастью, хроматическую аберрацию легко обнаружить и исправить при постобработке.

CA появится на вашем изображении по краям людей и предметов. Это происходит, когда объектив не может уловить длины волн цвета в одной и той же фокальной плоскости.

В результате объекты будут иметь красочное свечение. Эта цветная окантовка может быть красной, зеленой, синей, желтой, пурпурной или пурпурной, а иногда изображение может содержать CA с несколькими разными цветами.

Скорее всего, вы заметите хроматическую аберрацию в высококонтрастных областях изображения. Я обычно нахожу его на фоне яркого неба.

В этом примере солнце светило сквозь деревья, из-за чего небо в правом верхнем углу кадра задувало. Вот высококонтрастное изображение прямо из камеры, которое я недавно снял на свой Nikon D750 с помощью широкоугольного мини-объектива Sigma 28 мм в стиле ретро. Неизбежно на изображении присутствовала CA, которую вы заметите в правом верхнем углу крупным планом.

Чтобы исправить это, я открываю изображение на панели разработки Lightoom CC и выбираю «Коррекция объектива». На вкладке «Профиль» выберите «Удалить хроматическую аберрацию».

Lightroom автоматически настроит любой очевидный CA. Иногда необходимо внести дополнительные корректировки. В этом случае выберите вкладку «Вручную».

Используйте пипетку, чтобы выбрать области с фиолетовой или зеленой хроматической аберрацией. Когда вы найдете точку, ваша пипетка станет фиолетовой или зеленой в зависимости от того, над каким цветом вы наведены.

Если ваша пипетка не изменила цвета, перемещайте ее, пока не найдете область с достаточным фиолетовым или зеленым контрастом. Если Lightroom не имеет достаточной информации о цвете в выбранном вами месте, он предложит вам следующее предупреждение: «Невозможно установить фиолетовый или зеленый цвет бахромы. Пожалуйста, выберите типичный цвет бахромы еще раз ».

Когда ваша пипетка изменит цвет, выберите это место на изображении. Ползунки Purple Hue и / или Green Hue и Amount уменьшат CA.При необходимости вы также можете отрегулировать ползунки вручную.

Вот и все! У тебя вышло!

Просто не забудьте проверить другие области кадра, особенно объекты, чтобы убедиться, что поправки CA не переборщили.

Если это так, вы заметите серую рамку по краям. Отрегулируйте ползунки Purple Hue и Green Hue вручную, пока не восстановите правильный цвет вокруг ваших объектов. Затем продолжайте редактировать изображение, как обычно.

Я люблю проверять его на каждом изображении, прежде чем приступить к редактированию вручную, но вы также можете создать предустановку импорта в Lightroom, чтобы легко удалить CA при импорте.

Сделайте это просто, выбрав настройку тега профиля Lightroom «Удалить хроматическую аберрацию». Таким образом, вся минимальная окантовка будет удалена.

Создание набора настроек на вкладке вручную не подойдет для каждого изображения. Скорее всего, это приведет к появлению серой окантовки, если коррекция будет слишком тяжелой.

Теперь, когда вы знаете, что такое хроматическая аберрация и как ее исправить, следите за ней на своих изображениях. Поразительно, какие изменения он может внести в создание четкого и ясного финального редактирования!

Дифракционные линзы с коррекцией хроматической аберрации для сверхширокополосной фокусировки

В недавней работе было предложено 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 от хроматических аберраций, что означает, что свет с разной длиной волны создает фокусные пятна в разных пространственных точках 2 .Это явление ухудшает производительность систем как с формированием изображений 3,4 , так и без изображений 5 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 рисунке 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 преломляющая 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 строгие 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 лучше 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 мы используем фоторезист положительного тона SC1827, нанесенный на подложку из известково-натриевого стекла в качестве материала устройства. 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 оси 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 с помощью сканирующей электронной микроскопии поперечных сечений двух CACDL (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 как 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 что они конструктивно интерферируют в фокусе, x ′. Наш метод проектирования дифракционной линзы реализует оптимальное распределение по высоте, которое может приблизительно соответствовать такой конструктивной интерференции.В нашем объективе имеется канавок 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. Оптические микрофотографии, профилометрические измерения топографии и микрофотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, типовых устройств показаны 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 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, о которых сообщалось ранее, 13 . 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 можно получить с помощью обычных комбинаций преломляющих линз 9 .

Рисунок 3

CACDL для 3 дискретных длин волн (апохроматы).

Смоделированные и измеренные функции рассеяния точки (PSF) при 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 самой высокой 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 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 фокусных пятен 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 сравним 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 потенциально может быть 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 (из рис. 2 (а)) линейно поляризованным светом и наблюдали фокус, в то время как поляризация была повернута на 90 градусов. В нашей номенклатуре поперечное магнитное поле (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 расчетных длин волн (рис. 5 (a – c)) идентичны для ортогональных поляризаций.Кроме того, моделирование дифракции на единственной канавке с использованием метода конечных разностей во временной области (FDTD) (рис. 5 (d)) подтверждает, что и амплитуда, 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 важное 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 конструктивные помехи постепенно разрушаются, когда фазовое распределение отклоняется от оптимального дизайна.Кроме 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 влияние 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.

Победить хроматическую аберрацию - Фотограф на открытом воздухе

Как навсегда избавиться от цветной бахромы на фотографиях

Йон Сенкевич

Обновлено 6 ноября 2018 г.

На этой фотографии озера Моно, Калифорния, видно изрядное количество хроматических аберраций.


Палитра «Коррекция линзы» в Adobe Lightroom 5. Рисунок 1: На этом увеличении вы можете увидеть окантовку. Рисунок 2: В Photoshop выберите «Фильтр»> «Коррекция объектива», чтобы открыть инструменты хроматической аберрации.

Мы все это видели - эту светящуюся фиолетовую кайму, которая иногда скрывается, как грязный ореол, в областях вне фокуса и вдоль высококонтрастных границ темных объектов, сфотографированных на фоне яркого неба.Это называется хроматической аберрацией, и хотя она чаще всего видна в пурпурных одеждах, она может проявляться и в других цветах. Боковая хроматическая аберрация проявляется в виде красно-зеленой или сине-желтой каймы. Осевая хроматическая аберрация пурпурного или зеленого цвета. Это неприятное явление возникает из-за того, что очень сложно заставить более двух цветов света сфокусироваться на одной и той же точке. Мы называем это «аберрацией», но на самом деле, когда свет отказывается от сотрудничества, это естественно.

Вспомните начальную школу, когда ваш учитель естественных наук показал вам, что призма может сделать с лучом света.Помните, как кажущийся белым свет превратился в радугу из семи ярких цветов? Красный был с одной стороны, а фиолетовый - с другой. Вы выучили мнемонику Роя Г. Бива, чтобы лучше запомнить порядок цветов. Это естественная последовательность в видимой части спектра электромагнитного излучения. В тот день я пошел домой после школы, думая, что призмы - это особые объекты, которые обладают способностью лепреконов создавать радугу, иначе как они могли вызвать цвет там, где его не было? Я полностью упустил суть - или мой учитель.На самом деле я стал свидетелем чрезвычайно усиленной демонстрации того, что инженеры-оптики называют хроматической аберрацией.

Призмы не могут изменить природу или состав света. Вы можете сказать, что призма позволяет нам наблюдать, как свет делает то, что он должен делать. Когда свет встречает прозрачный объект, он либо отражается (отражается), либо поглощается, либо проходит сквозь него, обычно это комбинация всех трех. Закон Снеллиуса по сути говорит нам, что, когда свет проходит через границу между двумя различными типами сред, он изгибается или преломляется предсказуемым образом.Свет меняет скорость по мере того, как он перемещается из одной среды в другую, что заставляет работать очки, телескопы и линзы камеры.


Рис. 3 : Автокоррекция Photoshop неплохо справляется с уменьшением бахромы. Рисунок 4: Вы можете видеть уменьшенные зеленые и красные края.

Хроматическая аберрация возникает, когда линза не может сфокусировать красный, синий и зеленый длины волн в одной и той же точке. Цветная кайма создается световыми волнами, которые перетекают и не совпадают с остальными.

Возможны и другие причины наличия посторонних цветов. Хроматическую аберрацию всегда обвиняют в цветной окантовке, и это заслуженно. Но не всегда виноват. Цветовая кайма может быть вызвана утечкой заряда ПЗС-матрицы или отражениями внутри микролинз на самом датчике. И иногда это можно проследить до заднего элемента объектива, отражающегося от ПЗС-матрицы.

Есть несколько способов минимизировать или полностью устранить цветную окантовку.Первая линия защиты - покрытие линз. Растекание цвета, вызванное отражениями от линзы к линзе или от линзы к датчику, может быть значительно уменьшено путем нанесения оптического покрытия на поверхности воздушного стекла.


Пошаговые программные решения для удаления хроматической аберрации

Первая линия защиты от хроматической аберрации - линза. Линзы Pro-calibre более точно корректируют хроматические аберрации. Эти линзы лучше объединяют все длины волн видимого спектра в одной точке.Вы можете внести много исправлений в постобработку, но всегда лучше делать это прямо в момент захвата.

Если на ваших изображениях действительно присутствует хроматическая аберрация, шаги по ее исправлению с помощью программного обеспечения являются быстрыми, простыми и минимально инвазивными для данных изображения. Это потому, что это явление настолько хорошо изучено и предсказуемо, что инженеры-программисты могут создать для редактирования изображений эквивалент умной бомбы, чтобы искоренить его.

При обработке необработанных изображений, если вы используете программное обеспечение для обработки необработанных изображений, созданное производителем камеры и объектива, это программное обеспечение обычно может автоматически корректировать хроматическую аберрацию. Например, если вы пользуетесь камерой и объективом Canon, программное обеспечение Canon Digital Photo Professional может внести эту и другие коррекции мгновенно, поскольку у компании есть обширная база данных с атрибутами объективов и камер, из которых можно позвонить. Они сделали объектив и камеру, и каждый из них знает, как себя ведет. Это относится не ко всем камерам и объективам, поэтому обратитесь к производителю, чтобы узнать, совместимы ли ваши с такими видами автокоррекции.

Если вы не корректируете необработанные изображения автоматически, большинство людей делают это с помощью таких программ, как Adobe Lightroom или Photoshop. Чтобы исправить хроматическую аберрацию в Lightroom, выберите изображение в каталоге, затем перейдите в модуль «Разработка». В левой части экрана выберите палитру Lens Corrections. Убедитесь, что вы смотрите на изображение с увеличением до 200%, чтобы четко увидеть аберрацию, не получая чрезмерно преувеличенного вида. Вы можете сойти с ума, пытаясь исправить изображение, когда вы слишком сильно увеличены. Просто установите флажок Удалить хроматическую аберрацию, чтобы избавиться от бахромы. Если вам нужно сделать больше настроек, используйте ползунки (справа).

В Photoshop вы можете получить несколько более точный контроль. Откройте изображение и увеличьте масштаб до 200%. Перейдите в меню «Фильтр», затем выберите «Коррекция объектива». Если Photoshop распознает метаданные изображения, он вызовет комбинацию объектива и камеры из своей собственной базы данных. В противном случае Photoshop попытается обновить свою базу данных, чтобы дать вам наилучшие возможные исправления. Фотошопу удалось найти нашу комбинацию камеры и объектива (см. Снимок экрана ниже). На вкладке «Автокоррекция» вы можете проверить хроматическую аберрацию для быстрой коррекции.Чтобы точно настроить коррекцию, щелкните вкладку «Пользовательский», чтобы получить доступ к ползункам «Исправить красную / голубую кромку», «Исправить зеленую / пурпурную кромку» и «Исправить синюю / желтую кромку».



Рисунок 5: Вкладка «Пользовательский» предоставляет дополнительные элементы управления. Рисунок 6: Вы можете увидеть резкое уменьшение окантовки из пользовательских настроек.

На протяжении более 500 лет инженеры и ученые собирали вогнутые и выпуклые линзы в различных конфигурациях для улучшения качества изображения.Первое революционное усовершенствование - ахроматическая линза - использует линзы из разных типов стекла и фокусирует свет двух цветов (обычно красный и синий) в одной и той же точке. Такая конструкция линз значительно снижает хроматические и сферические аберрации, но не устраняет их полностью. Апохроматические линзы, которые мы обычно называем «APO», делают коррекцию еще на один шаг вперед и обеспечивают почти идеальную фокусировку трех цветов света в одной и той же точке.

Весь прозрачный материал имеет показатель преломления, который коррелирует с углом, под которым свет изгибается при прохождении сквозь него.Идеальный вакуум имеет индекс 1,00, а флюорит - около 1,40. С научной точки зрения, свет проходит через флюорит в 1,4 раза медленнее, чем через вакуум. Склонность разных длин волн изгибаться под разными углами при прохождении через одну и ту же среду называется дисперсией. Когда вы слышите, как производители линз, например, Sigma или Tamron, говорят о стекле с низкой дисперсией или специальном стекле с низкой дисперсией, они имеют в виду оптический материал, который минимизирует этот эффект. Разработчики линз уменьшают аберрации, выбирая стеклянный материал с определенными показателями преломления.

Форма стеклянных элементов играет не менее важную роль, чем композиция. Все мы знакомы с вогнутыми и выпуклыми линзами, которые отклоняют свет внутрь или наружу. Вогнутые линзы заставляют световые волны расходиться или расходиться. Выпуклая линза - например, увеличительное стекло - заставляет световые волны сходиться. Оба они классифицируются как сферические из-за того, как они сделаны.


На этой диаграмме вы можете видеть, что хроматическая аберрация вызвана разной длиной волны света (цвета), попадающей в резкий фокус в разных точках.

Большинство стеклянных линз имеют сферическую форму и шлифуются и полируются путем вращения стеклянной заготовки по центральной оси относительно неподвижной абразивной поверхности. Этот процесс в некотором смысле похож на прикосновение пальца к куску мягкой глины, когда он вращается на гончарном круге - в результате неизбежно получается сферическая форма. Это физика. С другой стороны, асферические линзы не имеют однородной формы. Асферические линзы, хотя и являются более дорогими в изготовлении, позволяют дизайнерам более эффективно корректировать аберрации.

Многие из фотоаппаратов последнего поколения, в основном с широкоугольными зум-объективами 24 мм, используют сложные алгоритмы и свои внутренние механизмы обработки изображений для подавления хроматических аберраций и других неприятных аберраций. Одна из причин, по которой камеры этого типа часто дают выдающиеся результаты, заключается в их способности автоматически компенсировать недостатки объектива - еще до того, как вы увидите изображение.

Выбор сюжета и композиция тоже играют роль.Вы можете свести к минимуму влияние хроматических аберраций и других дефектов линз, но сами по себе добросовестные рабочие привычки не могут полностью их предотвратить. В частности, хроматическая аберрация наиболее заметна, когда темный край фотографируется на ярком фоне - обычным примером является ветка дерева на фоне неба. Избегание объектов, освещенных сзади, может улучшить характеристики объектива. Но с практической точки зрения более эффективно научиться использовать редактор изображений для удаления артефактов хроматической аберрации во время постобработки.


Другие отклонения, о которых следует знать

Есть и другие типы аберраций, о которых должен знать каждый фотограф. Сферическая аберрация возникает, когда световые лучи, идущие параллельно оптической оси, но на разных расстояниях от центра, не сходятся в одной и той же точке. Линзы со спецэффектами, такие как семейство Lensbaby, используют эту характеристику для создания творческого размытия.

Кривизна поля заставляет плоские объекты проецировать изогнутые изображения. Это особенно проблематично при копировании документов или макросъемке. Макрообъективы хорошо корректируют эту аберрацию. Подушкообразная и цилиндрическая деформация, как следует из их названия, заставляют объекты трансформироваться, как если бы их сжимали или зажимали. Очень широкоугольные объективы часто несправедливо обвиняют в сходстве параллельных линий. Это правда, что иногда за это отвечает сам объектив, но чаще всего фотограф не может правильно выровнять камеру и объектив.

Когда свет встречает небольшое отверстие - например, апертурную диафрагму в линзе - волны распространяются. Это явление называется дифракцией, и поэтому остановка объектива до / 22 или даже ƒ / 16 может дать худшие результаты, чем съемка при / 4 или ƒ / 5,6, не считая глубины резкости. И наоборот, когда свет падает на небольшой объект, кажется, что он огибает его. Это тоже дифракция, но она практически не играет никакой роли в фотографии, за исключением, возможно, объяснения того, почему пылинка на переднем элементе не отображается на снимках.

Первоначально опубликовано 22 октября 2013 г.

Программное обеспечение для коррекции хроматической аберрации | Scientific Volume Imaging


Оценка + исправление сдвигов xyz, масштабирования и разницы вращения между каналами



Почти все многоканальные изображения показывают по крайней мере некоторую степень хроматической аберрации, вызывающую сдвиги xyz, а также возможные различия в масштабировании и вращении между флуоресцентными каналами.Эти аберрации явно влияют на любой тип многоканального анализа, такой как колокализация и объектно-ориентированный анализ, и поэтому должны быть исправлены. Корректор хроматических аберраций Гюйгенса быстро оценивает, визуализирует и корректирует хроматические аберрации. Если вы подозреваете какие-либо дополнительные перекрестные помехи / проступки в ваших многоканальных данных, вы можете также взглянуть на Корректор перекрестных помех.


Автоматический и легкий

Оценка и коррекция несколькими нажатиями кнопок.

Точная коррекция

Смены визуализированы для облегчения проверки.

Несколько методов

Коррекция может быть оптимизирована для каждого конкретного изображения.


Информация о ценахЗагрузить сейчас!

Отзывы

«Деконволюция и корректор хроматического сдвига улучшили наше представление гранул. [..] Хроматический сдвиг был проблемой для нашей цели, но теперь он кажется значительно уменьшенным, поэтому мы счастливы."
Доктор Доминик Вайтх, Wolfson Imaging Facility, Univ. Оксфорда, Великобритания.

«Я пользуюсь Гюйгенсом уже 8-9 лет, и поддержка, которую вы оказываете, просто фантастическая!»
Д-р Приям Банерджи, онкологический центр Андерсона, Хьюстон, Техас, США.


Галерея корректоров хроматической аберрации Huygens


Запись бисером - хороший метод калибровки существующей хроматической аберрации. Результат анализа и коррекции, выполненный корректором хроматической аберрации на изображении бусинок, можно легко сохранить в шаблон и применить к любому изображению, сделанному в аналогичных условиях.Слева: MIP-рендеринг проекции деконволюционированной трехмерной широкоугольной стопки 100 нм 4-канальных разноцветных бусинок Гюйгенса (TetraSpeck - Life Technologies). Хроматическую аберрацию между каналами можно более четко измерить и скорректировать после деконволюции. Справа: MIP-проекция того же изображения после использования корректора хроматической аберрации Гюйгенса. На вставках показан увеличенный вид одного среза XZ одной полоски.


Не совмещено

Выровнено

Клетки HeLa, окрашенные двумя разными флуорофорами.На этом изображении показаны сдвиги между двумя разными каналами, которые были скорректированы с помощью корректора хроматической абберации. Необработанные данные изображения были предоставлены доктором Юрием Беляевым, ALMF, EMBL Heidelberg, Германия


Huygens Chromatic Aberration Corrector показывает таблицу со значениями, определяющими смещение, масштабирование и градусы поворота



изображение показывает ядерный поровый комплекс. Левое изображение показывает деконволютивное изображение и изображение с исправленной хроматической аберрацией по сравнению с деконволютивным изображением в середине и необработанным изображением справа.Изображение предоставлено Leica Microsystem



Доступно для Huygens Essential и Professional

Корректор хроматической аберрации Huygens можно протестировать с помощью бесплатной тестовой лицензии.
Хроматической аберрации: Страница не найдена

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Пролистать наверх