Оптические искажения объективов
Основы фотографии
Я думаю, многие читатели не раз замечали, что изображение на фотографии отличается от того, что мы видим своими глазами. Отчасти это связано с особенностями передачи перспективы при разном фокусном расстоянии. Об этом подробнее можно почитать в статье про выбор объектива. Помимо этого, на изображении могут появляться дефекты в виде цветовых ореолов на контрастных участках, затемнения кадра по краям и изменения геометрии объектов. Эти недостатки можно смело отнести к оптическим искажениям объективов, вот о них и поговорим в сегодняшней статье.
Дисторсия
Дисторсия — это геометрическое искажение прямых линий, когда они выглядят искривленными. Не стоит путать дисторсию и искажение перспективы, в последнем случае прямые параллельные линии становятся сходящимися, но не искривляются. Существует два типа дисторсии по виду воздействия на картинку: подушкообразная — когда линии вогнутые и бочкообразная — когда они выпуклые.
Подушкообразная дисторсия, нормальное изображение и бочкообразная дисторсия
Конечно на практике изображение редко принимает такие уродливые формы, как на схеме. Более реальным примером эффекта может служить фотография в начале статьи с небольшой бочкообразной дисторсией.
В первую очередь дисторсия видна на зум-объективах, причем чем больше кратность зума, тем сильнее она заметна. Обычно в широкоугольном положении можно наблюдать «бочку», а в теле — «подушку». Между крайними положениями объектива недостатки оптики становятся не такими заметными. Кроме этого уровень искажений может изменятся и от дистанции до объекта, в некоторых случаях близкий объект может быть им подвержен, а отдаленный получится на фотографии нормально.
Хроматически аберрации
Второй вид оптических искажений, которые мы рассмотрим — это хроматические аберрации, довольно часто можно встретить сокращенное «ХА». Хроматические аберрации вызваны разложением белого света на цветовые составляющие, из-за чего объект на снимке имеет немного разные размеры в разных цветах и как следствие по его краю появляются цветные контуры.
Часто невидимые в центре кадра, они становятся заметны у объектов расположенных ближе к краям изображения. ХА не зависят ни от значения фокусного расстояния, ни от диафрагмы, но чаще и сильнее проявляются опять же в зум-объективах. Это обусловлено необходимостью внесения в оптическую схему дополнительных элементов для устранения эффекта, что для объективов с переменным фокусным расстоянием заметно сложнее, чем для фиксов.
На снимке слева ХА особенно заметны на волосах (фиолетовый контур) и на решетке окон (бирюзовый).
Нельзя сказать, что хроматические аберрации сильно портят снимок, но на конрастных объектах, особенно в контровой подсветке они становятся весьма заметны и довольно сильно бросаются в глаза.
Виньетирование
Последний пункт — виньетирование, иными словами затемнение областей по краям кадра. Обычно его можно заметить на широкоугольных объективах при максимально открытой диафрагме. Этот эффект встречается довольно редко.
Не стоит путать виньетирование вызванное недостатками оптики и появившееся из-за дополнительных аксессуаров.
На картинке выше края получились черными из-за нескольких достаточно толстых светофильтров накрученных на объектив. Аналогичный эффект может получится и при навинчивании длинной бленды.
Изначально все оптические искажения напрямую зависят от класса и типа оптики, которую вы используете. Дорогие серии объективов имеют сложные схемы расположения линз и множество дополнительных элементов, что сводит к минимуму подобные нежелательные эффекты. Более дешевые объективы, особенно зумы, вследствие упрощения конструкции, намного сильнее подвержены подобным проблемам.
Спешу разочаровать читателей, объективов полностью лишенных вышеперечисленных проблем просто нет. В той или иной степени даже дорогие модели оптики с постоянным фокусным расстоянием все равно искажают картинку, правда заметно это в основном по краям кадра. Хорошая новость в том, что в большинстве своем эти эффекты не очень сильно портят картинку и довольно легко могут быть устранены программно (об этом поговорим в следующей статье).
Кроме этого на камерах с неполноформатной матрицей, а это все любительские зеркалки, края изображения в любом случае обрезаются и при использовании хорошей оптики видимые искажении минимальны.
kapankov.ru — Оптические искажения
Вы уже познакомились в статье про фокусные расстояния с изменением перспективы на различных расстояниях от объекта. Теперь мы рассмотрим другие искажения, которые возникают вследствие многочисленных преломлений света в объективе, а именно аберраций — отклонений свойств реальных объективов от теоретических идеальных оптических схем. Аберрации условно делят на хроматические и геометрические. Я не стану вас утомлять законами геометрической оптики, а приведу лишь один важный вывод: аберрации уменьшаются 1 — при закрытии диафрагмы объектива, 2 — при стремлении цвета изображения к монохроматическому и при нахождении точки, излучающей (отражающей) свет, ближе к главной оптической оси.
Хроматические аберрации (далее ХА) — артефакты оптического свойства, выражающиеся в виде цветной каймы на контрастных границах.
Проиллюстрируем это на фотографии.
Мы видим кайму на контрасте. Вообще ХА, проявляются, как правило, на контрастных переходах.
Разберем в общих чертах природу этого явления. Белый свет, проходя через оптическую систему разлагается на составляющие цветные лучи и в результате изображение предмета в пространстве изображения искажается. На схеме показана физика этого явления.
Данная проблема исправляется ахроматическими линзами.
Уровень хроматических аберраций пропорционально зависит от величины фокусного расстояния и диафрагмы. Т.е. чем больше отверстие и ФР объектива, тем больше ХА.
Дисторсия — это изменение линейного увеличения по полю зрения. Более понятней это определение становится при использовании двух терминов — «Подушка» и «Бочка». Взгляните на рисунок из трех кадров. На первом показан кадр с нормальной (нулевой) дисторсией, на втором показана «Подушка», а на третьем «бочка».
Современные программы позволяют бороться с этим видом искажений, используя информацию в файле об используемом объективе. Например, в Adobe Lightroom я всегда импортирую снимки с включением этой коррекции. Данное искажение также зависит от изменения фокусного расстояния и диафрагмы.
Виньетирование — это ослабление освещенности от центра к углам кадра. Характерно для широкоугольных объективов, телеобъективов, а также для оптических систем с большой светосилой. Изображение ниже иллюстрирует причину возникновения виньетирования.
На камерах Canon можно включить автоматическую коррекцию виньетирования через меню «Коррекция периферийной освещенности». Также можно коррекцию выполнить на этапе постобработки, например, в Adobe Lightroom. Сравните два кадра, слева имеется виньетирование. Справа тот же кадр, но с корректировкой виньетирования. Если внимательно присмотритесь к углам, увидите на левом кадре легкое затемнение.
Зачастую можно встретить различные способы добавления виньетирования на этапе постобработки для придания художественности фотографии. Поэтому является ли виньетирование дефектом или наоборот художественным приемом — вопрос относительный и должен решаться в каждом конкретном случае персонально. При уменьшении диафрагмы эффект виньетирования падает.
Падение разрешения от центра к краю кадра присутствует практически во всех объективах, где-то больше, где-то меньше. Смазанные и нечёткие края кадра — признак низкого оптического разрешения объектива по краю. К сожалению, с этим искажением бороться практически невозможно. На этапе покупки объектива нужно внимательно изучить его характеристики путем чтения его MTF-диаграммы, причем как на сайте официального производителя, так и у сторонних независимых тестировщиков. Линии этой диаграммы дадут четкий ответ о падении разрешения. О диаграммах MTF будет рассказано в продвинутом курсе.
В любом случае падение разрешения должно быть симметричным, и если при покупке объектива вы видите (нужно обязательно выполнять тестовые снимки перед покупкой прямо в магазине), что одна сторона, например, более мыльная, чем другая — это признак брака, либо объектив уже разбирали и пытались чинить.
Дополнительные материалы:
О семи аберрациях простыми словами
Домашнее задание
Отключите, если включено, в меню камеры коррекцию периферийной освещенности объектива. Постарайтесь найти и заснять объект с контрастными очертаниями, используйте фон для создания контраста. Посмотрите внимательно на границы объекта, постарайтесь понять при каких условиях возникают хроматические аберрации.
Твитнуть
Camera Lenses Часть 2: Типы оптических искажений — The Broadcast Bridge
Фильтровать поВсему содержимомуКомпанииПоследние 30 днейПоследние 90 днейПоследние 12 месяцев
Попробуйте наш новый интеллектуальный поиск на базе искусственного интеллекта!
9 июня -й 2022 — 09:50
Джон Уоткинсон, консультант
У вас осталось 5
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить БЕСПЛАТНЫЙ полный доступ и эксклюзивный контент от редакторов The Broadcast Bridge .
После входа в систему выберите темы и расписание, которые вам подходят, мы сообщим вам, когда будет опубликовано что-то новое. Вы также можете сохранять статьи в свою личную библиотеку.
Зарегистрируйтесь сейчас
Уже зарегистрированы? Логин
Производители объективов имеют широкий выбор при разработке объективов, и большинство из них — сложный выбор.
Высококачественный дизайн объектива — это научное искусство. Во второй части этой серии из четырех частей Джон Уоткинсон объясняет некоторые проблемы, связанные с оптикой и объективами фотоаппаратов.
Эта статья была впервые опубликована в 2015 году. Она и остальная часть этой мини-серии пользовались огромной популярностью, поэтому мы публикуем ее повторно для тех, кто пропустил ее в первый раз.
Линза — это картографическое устройство, которое преобразует двухмерное изображение реального объекта в изображение на нашем сенсоре.
В большинстве случаев датчик плоский; Все электронные датчики в телекамерах плоские, поэтому объектив должен сопоставлять плоский датчик с плоскостью плоского объекта, так что если мы попытаемся снять плоскую поверхность, перпендикулярную оптической оси, она будет везде в фокусе. Камера-обскура может это сделать, но настоящие объективы иногда не справляются. Часто недостаток заключается в том, что для плоского объекта плоскость изображения, в которой достигается фокус, имеет примерно сферическую форму. Поскольку фокусировка обычно оценивается вблизи центра изображения, обычно в результате кажется, что фокус смещается к углам, хотя может быть и наоборот.
Хрусталик в человеческом глазу имеет достаточное приближение к сферической плоскости изображения, но это прекрасно работает, потому что сенсор также имеет сферическую форму; хорошая форма для поворотного глаза. В другой раз мы можем посмотреть на последствия просмотра видео с фиксированных датчиков с поворотным глазом, а пока вернемся к сюжету.
Объективы обычно проектируются таким образом, чтобы поле было достаточно плоским. Чем больше свет выходит за пределы оси, тем больше должно быть фокусное расстояние. Одним из способов выравнивания поля является вставка элемента, форма которого позволяет выполнить коррекцию. Это работает с объективом с фиксированным фокусным расстоянием, но не с зумом.
Все элементы телевизионных объективов осесимметричны. Другими словами, трехмерная форма линзы определяется путем взятия двумерного сечения и вращения его вокруг оптической оси. В результате то, что происходит на изображении, больше зависит от расстояния от центра, чем от направления. Если вы когда-нибудь найдете телеобъектив, который направлен, например, он находится в фокусе с одной стороны, но не с другой, то один из элементов смещен от центра или наклонен. Это либо потому, что он не был собран должным образом, либо потому, что он был побит.
Учитывая осесимметричную природу линз, у них никогда не возникнет проблем с отображением круглых объектов при условии, что центр объекта находится на оптической оси.
Разрезанные пополам луковицы делают телевидение скучным, так как же это искажение повлияет на некоторые другие фигуры? Снимем квадратный объект объективом, в котором кольца расходятся все дальше друг от друга по мере увеличения расстояния от оптической оси. В результате квадрат больше не состоит из прямых линий. Углы вытягиваются, пока не получится подушечка для булавок. А если наоборот, как вы уже догадались, квадрат становится бочкообразным. При съемке смещенного от центра круга таким объективом все может легко получиться грушевидным.
В естественных объектах, не имеющих прямых линий, эти искажения трудно обнаружить на фотографиях. Но на телевидении у нас есть возможность панорамировать камеру. В этом случае даже естественные объекты будут иметь искажения, потому что объекты меняют свою форму и размер по мере движения панорамы. Механизм называется эффектом шара, и он до конца не изучен. Похоже, что искажение объектива мешает человеческому восприятию глубины, поэтому экран больше не кажется плоским, когда камера поворачивается, а вместо этого кажется, что он наклоняется к зрителю.
Этого не происходит, когда мы панорамируем собственными глазами, поэтому, возможно, зрительная система человека может компенсировать панорамирование, но не искусственно.
Дисторсия в телевизионных объективах должна лучше контролироваться, чем в обычных фотографических объективах, тогда как на практике происходит обратное. Телевизионные камеры, как правило, имеют широкоугольные зум-объективы, а недостатком возможности изменять фокусное расстояние является то, что искажения поднимают голову, как правило, в широком диапазоне.
У объектива «рыбий глаз» есть проблема, заключающаяся в том, что при поле зрения 180 градусов плоскость объекта практически бесконечна. Ясно, что единственный способ отобразить бесконечный объект на конечный фрейм — это нелинейность. Бочкообразная дисторсия неизбежна. Объективы «рыбий глаз», как правило, не используются в телевизионных камерах. Искажение надоедает, а панорамы пугают.
Объектив Canon «рыбий глаз». Этот уникальный стиль объектива предлагает фотографам потрясающую точку зрения на изображения.
Диапазон длин волн, в котором мы, люди, можем видеть, составляет крошечную часть электромагнитного спектра и охватывает чуть меньше октавы. Другими словами, самая короткая длина волны, которую мы можем видеть на синем конце радуги, примерно равна половине длины волны красного света на другом конце.
В идеальном мире элементы линзы вели бы себя одинаково во всем диапазоне видимых цветов/длин волн. В реальном мире их нет, и эта характеристика называется дисперсией.
Все линзы работают за счет преломления: искривления света там, где он входит или выходит. Искривление вызвано тем, что скорость света в линзе меньше, чем в воздухе. Дисперсия возникает из-за непостоянства скорости света в материале линзы. Оно меняется в зависимости от длины волны, и в результате величина преломления становится функцией длины волны. Видимый результат называется хроматической аберрацией и проявляется двумя основными способами. Во-первых, фокусное расстояние линзы становится функцией цвета. Это называется осевой аберрацией. Один из двух объектов разного цвета может оказаться не в фокусе, даже если они находятся на одинаковом расстоянии от камеры. Человеческий глаз в этом отношении довольно паршив, особенно в синем свете, поэтому, прежде чем набрасываться на производителя линз, убедитесь, что причиной тому не ваши собственные глаза.
Два типа хроматической аберрации называются продольной хроматической аберрацией и боковой хроматической аберрацией и могут возникать одновременно. Изображение любезно предоставлено bestspottingscopereviews
Другая проблема, вызываемая дисперсией, — это цветные полосы, где просто должен быть скачок яркости изображения. Случилось так, что разные цветовые компоненты изображения, красный, зеленый и синий, не выровнялись идеально, потому что увеличение объектива непостоянно. Вместо шага яркости, когда R, G и B изменяются вместе, вы получаете цветные полосы, где они меняются в разных местах. В принципе, это можно исправить электронным способом, если добавить искусственные искажения, чтобы правильно совместить три основных изображения.
В телевидении нам легко работать с длиной световой волны менее октавы. Жалко бедного астронома, который хочет посмотреть и на инфракрасное, и на ультрафиолетовое излучение. Это одна из причин, по которой астрономические телескопы используют зеркала.
Поскольку они отражают, а не преломляют, дисперсии нет.
Проблема дисперсии в линзах была известна еще во времена Роберта Гука и Исаака Ньютона, и были приняты различные решения. Наиболее распространенным является так называемый ахроматический дуплет, в котором одна линза заменена парой элементов, изготовленных из разных видов стекла, имеющих разный показатель преломления. Одна из линз выпуклая, а другая вогнутая, поэтому дисперсия одной противоположна другой. Одна линза сильнее другой, поэтому возникает чистый эффект фокусировки. Хитрость в том, что у сильной линзы стекло с более низкой дисперсией, чем у слабой линзы, пропорционально их силе, поэтому дисперсия одной точно противоположна дисперсии другой.
Ахроматические двойные линзы обладают значительно лучшими оптическими характеристиками, чем одинарные линзы, в приложениях для визуализации видимого диапазона и манипулирования лазерным лучом. Изображение предоставлено Globalspec.com
На практике лучшее, что можно сделать, это полностью компенсировать дисперсию на двух длинах волн, обычно расположенных далеко друг от друга в видимом спектре, а в других местах наблюдается неполная компенсация.
Другой более поздний вариант заключается в использовании стекла с низкой дисперсией, которое сводит к минимуму первоначальную проблему и облегчает ее устранение.
Вам также может понравиться…
Если верить отраслевым отчетам, Apple готова выпустить гарнитуру смешанной реальности в какой-то момент в 2023 году.
Многие посетители выставок NAB не осознают, что часть наиболее ценной технической информации, публикуемой на выставках NAB, исходит от сессий BEITC. Названия должностей всех докладчиков на конференции, кроме одного, связаны с инженерией, технологиями, д…
По мере того, как мы приближаемся к выставке NAB 2023 в год столетия NAB, мы отмечаем уникальное понимание и влияние конференции Broadcast Engineering & IT, которая ежегодно проводится параллельно с выставкой.
Растут споры об этических и юридических последствиях использования миллионов изображений, взятых из Интернета, для обучения программного обеспечения на основе ИИ для создания «новых» изображений.
Это похоже на начало путешествия, которое может иметь глубокие последствия…
Фестиваль «Город культуры 2022» завершился выступлением, созданным Нитин Сони CBE. Снято на URSA Broadcast G2, отредактированной трансляции «Призраков в руинах», которая транслировалась на BBC.
Глобальная точка зрения
Оптические аберрации— Аберрации геометрического искажения — Учебное пособие по Java
Оптические аберрации— Аберрации геометрического искажения — Учебное пособие по Java
Искажение — это аберрация, обычно наблюдаемая в стереоскопической микроскопии и проявляющаяся в изменении формы изображения, а не в резкости или цветовом спектре. Два наиболее распространенных типа искажения, положительное и отрицательное (часто называемые подушкообразным и бочкообразным соответственно), часто могут присутствовать в очень резких изображениях, которые иначе были скорректированы на сферические, хроматические, коматические и астигматические аберрации.
В этом случае истинная геометрия объекта больше не сохраняется на изображении.
Учебное пособие начинается со случайно выбранной микрофотографии или цифрового изображения, появляющегося в окне просмотра микроскопа. Чтобы выбрать новое изображение, используйте раскрывающееся меню Choose A Specimen . Ползунок Distortion используется для введения либо подушкообразного (ползунок влево), либо бочкообразного (ползунок вправо) искажения как в изображении, так и в горизонтальной/вертикальной сетке, расположенной над ползунком. По мере того, как рисунок сетки изменяется, чтобы показать различные степени аберрации, приблизительный процент искажения отображается под рисунком.
Введение аберрации искажения более очевидно в образцах, имеющих сеть регулярных периодических элементов, таких как диатомовые водоросли или микропроцессоры. Другие образцы, не имеющие такой периодичности, не кажутся сильно искаженными при просмотре в микроскоп, о чем свидетельствуют биологические образцы, выбираемые в раскрывающемся меню.
Это не означает, что образцы с неправильными чертами невосприимчивы к аберрации искажения, просто аберрация должна быть гораздо более серьезной, чтобы произвести заметные эффекты.
Несмотря на то, что современные микроскопы исследовательского класса корректируются, чтобы предотвратить распространение аберраций изображения точечного источника за пределы диска Эйри, геометрическое искажение изображения, формируемого объективами микроскопа, как правило, не так хорошо корректируется по сравнению с фотографическими линзами при тот же ракурс изображения. Искажение создается в основном окулярами (между 5 и 10 процентами радиального расстояния) в оптической микроскопии, хотя некоторые искажения также обнаруживаются в объективах более низкого качества. Микроскопы можно контролировать на наличие искажений, отображая пересекающиеся линии решетки, например, в гемоцитометрах, в широкопольном режиме. При наблюдении через окуляры линии должны казаться прямыми и параллельными по всему полю изображения.
Большинство объективов, предназначенных для использования в биологических микроскопах, могут иметь подушкообразные искажения до одного процента, однако объективы, предназначенные для визуализации полупроводников, практически не имеют искажений. Это необходимо, поскольку большинство интегральных схем имеют поверхностные элементы с обилием сетчатых структур, состоящих из горизонтальных и вертикальных линий. Любые искажения, присутствующие в объективах при отображении этих образцов, будут очевидны в окулярах и на микрофотографиях. Изображения, создаваемые объективами, окулярами и другими оптическими компонентами, которые были скорректированы с учетом аберрации геометрического искажения, обозначаются как ортоскопических изображений.
Причина геометрических искажений заключается в разнице между поперечным увеличением объектива и внеосевым расстоянием изображения. Когда это расстояние отклоняется от предсказанного параксиальной теорией для постоянного поперечного увеличения, может возникнуть искажение из-за различий в фокусных расстояниях и увеличениях через различные части линзы.
В отсутствие других аберраций геометрические искажения проявляются в виде изображения неправильной формы, даже если каждая точка изображения находится в резком фокусе, как обсуждалось выше. Количественно искажение можно описать следующим уравнением :
ΔM = (Ml — M)/M
, где M — аксиальное поперечное увеличение, а M(l) — внеосевое увеличение в плоскости изображения. Если боковое увеличение увеличивается пропорционально удалению объекта от оси, искажение положительное, создавая эффект подушечки для булавок (рис. 1). В этом случае каждая точка изображения смещается радиально наружу от центра, при этом периферийные точки изображения перемещаются на наибольшее расстояние. В качестве альтернативы, когда увеличение уменьшается с расстоянием от объекта вне оси, искажение становится отрицательным и наблюдается бочкообразная аберрация. Бочкообразная дисторсия соответствует ситуации, когда поперечное увеличение уменьшается с осевым расстоянием, и каждая точка изображения перемещается радиально к центру изображения.
Как правило, тонкие линзы практически не дают искажений, тогда как более толстые положительные и отрицательные простые линзы будут страдать от положительных и отрицательных искажений соответственно. Знак (или тип) и величина геометрической дисторсии зависят от положения апертурной диафрагмы относительно объектива(ов). Когда апертурная диафрагма помещается перед положительной линзой, главный луч не формирует изображение в предсказанной гауссовой точке и возникает бочкообразная дисторсия, тогда как, когда диафрагма помещается за линзой (формируя выходной зрачок), возникает подушкообразная дисторсия. эффект наблюдается.
Искажение часто встречается в системах, использующих системы составных линз, содержащие мениск, двойной гаусс, телеобъектив, ретрофокус, «рыбий глаз» и зум-объективы. В конструкциях телеобъективов и ретрофокусных объективов передняя группа действует как ограничитель диафрагмы для задней группы, создавая подушкообразное искажение для отрицательной задней группы в телеобъективах и бочкообразное искажение для положительной задней группы в ретрофокусных линзах.