Хроматические аберрации: Страница не найдена

Содержание

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.

Юпитер-37А 135/[email protected] (слева) vs Carl Zeiss Planar 135/2.8@F4

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 ↑

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.

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.

Аберрации хроматические — Энциклопедия по машиностроению XXL

Хроматическая аберрация. Хроматическая аберрация проявляется в виде окрашивания изображения, происходящего вследствие того, что линза, обладая свойствами преломляющей призмы, разлагает белый луч на составные спектральные лучи, которые не сходятся в одной точке, а образуют в фокальной плоскости окрашенный кружок рассеяния. [c.12]

ХРОМАТИЧЕСКИЕ АБЕРРАЦИИ Хроматическая аберрация положения [c.246]

Следующая основная погрешность оптических систем — хроматическая аберрация, природа которой непосредственно связана с зависимостью показателя преломления оптических материалов (стекло, кварц) от длины волны, т. е. с дисперсией вещества. Вследствие дисперсии фокусное расстояние зависит от длины волны, что и приводит к невозможности получить точечный фокус для немонохроматического излучения. [c.331]

Для уменьшения этой погрешности системы используют различную хроматическую аберрацию для разных сортов стекла. Обычно тот или иной сорт стекла характеризуют величиной [c.331]

Сформулируйте физический принцип возникновения основных ошибок оптических систем (астигматизм, сферическая и хроматическая аберрации). Как можно с ними бороться [c.459]

Аберрации, обусловленные зависимостью показателя преломления от длины волны (хроматические аберрации) [c.313]

Таким образом, / для данной линзы (т. е. для определенных / 1 и / 2) тем меньше, чем больше Л/ отсюда возникает хроматическая аберрация положения, или продольная хроматическая аберрация, т. е. искажение, в силу которого даже для параксиальных лучей немонохроматический пучок имеет целую совокупность фокусов вдоль отрезка оси 0 0 (рис. 13.16, сильно утрирован). В соответствии с этим точка на оси изображается цветными кружками, относительные размеры которых зависят от местоположения экрана. Чем меньше дисперсия стекла, тем меньше продольная хроматическая аберрация О О . [c.316]

Рис. 13.16. Хроматическая аберрация простой линзы.

Впрочем, хроматическая аберрация глаза не так мала (ср. 91). [c.316]

Аббе (1886 г.) ввел для микроскопии апохроматы, т. е. объективы, где соединены фокусы для трех сортов лучей и вместе с тем устранена сферическая аберрация для разных цветов (уничтожена хроматическая разность сферической аберрации, называемая обычно сферохроматической аберрацией). Апохроматы Аббе имеют большие [c. 317]

Окуляр работает с узкими пучками, но при этом приходится иметь дело и с наклонными пучками. Поэтому в окуляре стремятся к исправлению астигматизма, кривизны поля и хроматической аберрации (см. 86). Объектив и окуляр микроскопа делаются сменными, так что можно применять различные их комбинации в зависимости от задачи. Массивный штатив н тщательно выполненные приспособления для передвижения подвижных частей микроскопа составляют существенную часть хороших аппаратов. [c.331]

Параллельные пучки, выходящие из призмы, имеют для разных длин волн различное направление, составляя несколько градусов между собой в зависимости от материала призм и их числа. Однако даже при значительной дисперсии различие направлений не превышает нескольких градусов. Поэтому объектив камеры может иметь небольшое поле зрения зато в современных аппаратах нередко требуются объективы с большими относительными отверстиями ). Они должны быть исправлены на сферическую аберрацию и кому. Коррекция на хроматическую аберрацию не обязательна, ибо лучи разных длин волн дают изображение в разных точках пластинки. Поэтому резкость изображения для разных длин волн достигается соответствующим наклоном пластинки. Желательно, однако, рассчитать систему так, чтобы получить спектр, лежащий в одной плоскости. В противном случае фотопластинку приходится соот- [c.338]

Обладает ли зонная решетка хроматической аберрацией [c.881]

Хроматическая аберрация и ахроматизм, а) Хроматическую аберрацию линзы можно определить как вариацию фокусного расстояния для разных длин волн, характеризуемых различием в. / 1 бп 1 [c.887]

Хроматическая аберрация — аберрация, связанная с зависимостью показателя преломления оптических сред от длины волны света. [c.197]

Принцип работы призменного спектрографа описан в задаче 1. Роль коллиматорного объектива в спектрографе ИСП-22 выполняет вогнутое зеркало с алюминированной поверхностью. Его фокусное расстояние /1 = 600 мм, диаметр — 40 мм. Так как сфе-у)ическое зеркало не обладает хроматической аберрацией, лучи [c.32]

Заслуживает внимания еще один аспект оптико-механической аналогии. В заданной области пространства могут распространяться световые колебания различных частот. Может случиться так, что коэффициент преломления п зависит от частоты. Это явление называется дисперсией . При наличии дисперсии первоначальный волновой фронт оптических приборах это явление называется хроматической аберрацией . Явлению дисперсии в оптике тоже может быть предложена соответствующая механическая аналогия. Механические траектории, начинающиеся перпендикулярно базисной поверхности S = О, могут несколько различаться по своей полной энергии Е. Это происходит, например, в электронном микроскопе, где тепловое движение электронов вызывает небольшой разброс значений их полной начальной энергии Е. Это приводит к дисперсии и к небольшой хроматической аберрации в картине, получаемой с помощью электронного микроскопа. [c.312]

В свою очередь, телескопы-рефлекторы имеют ряд преимуществ по сравнению с рефракторами. Это отсутствие хроматической аберрации и большая светосила. Поэтому при спектральных исследованиях стали использовать рефлекторы. [c.364]

Привлечение данных физической оптики к объяснению некоторых вопросов теории оптических систем было вызвано практической необходимостью и в первую очередь стремлением оптиков увеличить разрешающую способность микроскопов. Главное препятствие для дальнейшего совершенствования микроскопов оптики XIX в. видели в чисто технических трудностях, а именно в устранении сферической и хроматической аберраций. Вероятно, считалось, что увеличение микроскопа можно повышать беспредельно. [c.368]

Хотя вклад Фуко в развитие практической оптики велик, все же его методы оптических измерений не были безупречны. В 1880 г. Г. Фогель ввел важное усовершенствование измерительного прибора для оценки хроматической аберрации оптических систем. На оси испытуемой оптической системы он предложил установить спектроскоп таким образом, чтобы изображение звезды получалось прямо на щели. Если хроматическая аберрация отсутствовала, то ширина светящегося диска на щели для всех длин волн была одинакова. [c.371]

Разработка теории аберраций не являлась самоцелью, а была вызвана практической необходимостью. Вторая половина XIX в. ознаменовалась бурным развитием фотографической оптики. На повестке дня стояла задача расчета фотографических объективов с высокой светосилой и большой разрешающей способностью. Чтобы фотографические объективы давали изображения высокого качества, к ним предъявляли повышенные требования аберрационной коррекции. До этого времени (до середины XIX в.) объективы фотоаппаратов строили в основном из комбинации двух линз. Аберрации таких объективов удавалось исправлять эмпирическим путем, последовательно изменяя радиусы кривизны линз и подбирая показатели преломления стекол, из которых эти линзы были изготовлены. Двухлинзовые объективы Шевалье значительно недоисправляли сферическую аберрацию. Хроматические аберрации в этих объективах удавалось исправлять подбором соответствующих сортов стекол. [c.366]

Микр о объективы. Любая линза обладает по своей сущности рядом недостатков, из-за которых изображение, созданное линзой, искажается, т. е. линза, как говорят, портит качество изображения. Эти недостатки называются аберрациями и проявляются в том, что изображение может быть размазанным, искривленным, окращенным и т. д. Здесь следует сказать о трех аберрациях хроматической, сферической и о кривизне ноля. [c.22]

Хроматическая аберрация положительна, или, как принято иногда говорить, она переис-правлена, так как простые линзы всегда дают отрицательную аберрацию. Хроматическая разность сферических аберраций отрицательна, что является большой редкостью, так как эта аберрация обычно положительна. [c.216]

Параболическая форма отражающей поверхности исключает сферическую аберрацию (хроматические аберрации, конечно, отсутствукя), но не обеспечивает выполне- [c. 337]

Хроматические аберрации. Хроматические аберрации возникают при преломлении белого с ета на оптических поверхностях-при этом происходит разложение света на спектральные составляющие. Это свойство преломляющей среды носит название дисперсии При расчете оптических систем микроскопов различают два вида хроматических аберраций (роматизм положения и хроматизм увеличения. [c.40]

АПЛАНАТ (от греч. ар1апё1оз — не отклоняющийся, безошибочный), фотогр. объектив с оптич. системой из двух симметрично расположенных относительно диафрагмы ахроматич. линз (рис.). А. исправлен в отношении сферической аберрации, хроматической аберрации и дисторсии, но в нём не устранён, хотя и значительно ослаб- [c.32]

Поскольку применение энергии света для тех или иных технологических процессов связано с фокусировкой луча, поли-хроматичность играет в данном случае отрицательную роль. Полихроматический свет при прохождении через линзу фокусируется в виде пятна довольно значительных размеров, так как волны разной длины по-разному преломляются при прохождении через стекло. Это явление носит название хроматической аберрации и значительно ограничивает возможности обычных полихроматических источников. [c.116]

Хроматическая аберрация. Из-за явления дисперсии (зависимость 1юказателя преломления от длины волны) для данной линзы [c.187]

При переходе от одного сорта стекла к другому Д изменяется в пределах 1/60- 1/30, что и позволяет ахроматизировать линзу, т. е. свести к минимуму хроматическую аберрацию в некоторой спектральной области. [c.331]

В. Хроматическая аберрация и ахромати-зация линз. Фокусное расстояние линзы определяется соотношением [c.316]

Ньютон на основании своих опытов ошибочно полагал, что величина относительной дисперсии, входящая в расчет ахроматизированной системы, не зависит от материала линз, и пришел отсюда к выводу о невозможности построения ахроматических линз. В соответствии с этим Ньютон считал, что для астрономической практики большое значение должны иметь рефлекторы, т. е. телескопы с отражательной оптикой. Однако Эйлер, основываясь на отсутствии заметной хроматической аберрации для глаза ), высказал мысль о существовании необходимого разнообразия преломляющих сред и рассчитал, каким образом можно было бы коррегировать хроматическую аберрацию линзы. Доллон построил (1757 г.) первую ахроматическую трубу. В настоящее время имеются десятки сортов стекол с разными показателями преломления и разной дисперсией, что дает очень широкий простор расчету ахроматических систем. Труднее обстоит дело с ахроматизацией систем, предназначенных для ультрафиолетового света, ибо разнообразие веществ, прозрачных для ультрафиолета, ограничено. Удается все же строить ахроматические линзы, комбинируя кварц и флюорит или кварц и каменную соль. [c.316]

Так, для объективов астрономических труб, где источником служат точки, расположенные вблизи оси, важно соблюдение условий синусов и устранение с( )ерической и хроматическй аберраций для точек в центре поля для микрообъективов и ( )отообъективов, предназначенных для (фотографирования щирокого поля зрения, необходимо, кроме соблюдения условия синусов, устранение аберраций, искажающих поле (дисторсия, искривление поля и т. д.), а также хроматической аберрации. Объективы, предназначенные для наблюдения объектов малой яркости, должны иметь возможно большее относительное отверстие, и это вынуждает мириться с некоторыми аберрациями, неизбежными при работе с очень широкими пучками. Исправление хроматизма в приборах, предназначенных для визуальных наблюдений и для фотографии, рассчитано на разные спектральные области применительно к тому обстоятельству, что максимум чувствительности глаза лежит в желто-зеленой части спектра, а чувствительность фотопластинок обычно сдвинута в более коротковолновую область. Объектив коллиматора спектрального аппарата должен быть очень хорошо исправлен на хроматическую аберрацию, тогда как объектив камеры может быть совсем не ахроматизован, но в нем весьма вредны астигматизм наклонных пучков и кома впрочем обычно оптика спектрографа рассчитывается как целое, так что недостаток одной ее части в большей или меньшей степени компенсируется за счет другой части. [c.318]

Здоровый глаз в общем можно рассматривать как центрированную систему поверхностей вращения. Строго говоря, это не очень совершенная система, ибо в ней ясно выражены и с( )ерическая аберрация, и астигматизм наклонных пучков, и значительная хроматическая аберрация. Однако все эти недоетатки очень мало чувствуются благодаря ряду особенностей глаза. Так, с( )ерическая аберрация не очень заметна, потому что распределение освещенности в пятнах рассеяния неравномерно, а самая светлая и самая важная для зрительного ощущения часть пятна очень мала при [c.326]

Зрительные трубы имеют очень широкое распространение и существуют в виде разнообразных вариантов, начиная от биноклей разного типа и кончая астрономическими телескопами. Главное внимание при коррекции объективов этих инструментов направляется на исправление сферической и хроматической аберраций и выполнение условия синусов, чего можно добиться применением двулинзовых систем (см. 82). Впрочем, современные трубы нередко делаются с более сложными объективами, позволяющими отчетливо видеть обширные участки горизонта. Окуляры труб должны обладать значительным углом зрения (от 40 до 70″) и, следовательно, в них надлежит устранять астигматизм наклонных пучков, кривизну поля и хроматизм. Поэтому окуляры изготовляют всегда сложными, по крайней мере из двух линз. [c.333]

НОМ (1672 г.), обратившимся к зеркалам в предположении, что линзовые объективы неизбежно страдают хроматической аберрацией. Известно, что заключение Ньютона было ошибочно (см. 86), и построение ахроматических объективов возможно. В настоящее время имеются первоклассные рефракторы, однако технически легче изготовить зеркало большого диаметра, чем однородный стеклянный диск, пригодный для изготовления большого линзового объектива. Поэтому, хотя требования к точности изготовления отражающей поверхности примерно в четыре раза выше, чем для преломляющей, изготовление очень больших зеркальных объективов оказалось более легкой задачей. Так, в настоящее время существует рефлектор с диаметром зеркала около 5 м (обсерватория Маунт-Паломар) и вступает в строй рефлектор диаметром 6 м (СССР), тогда как диаметр объектива наибольшего из существующих рефракторов достигает всего 1 м. [c.334]

Хотя рефлекторы свободны от хроматической аберрации, однако при сферической форме зеркал весьма значительной помехой является сферическая аберрация. Поэтому в хороших рефлекторах приходится пользоваться асферическими зеркалами, например, в виде параболоида вращения, которые технически значительно сложнее изготовлять. Обычно применяют сложные системы из двух неплоских асферических зеркал (главного и вторичного), подобные изображенной на рис. 14.18 (система Кассегрена). Дальнейшее усовершенствование подобных рефлекторов может быть получено за счет взаимной компенсации аберраций, вносимых каждым из зеркал. [c.335]

Назначение проекционной системы — давать увеличенное действительное изображение светящегося или освешенного предмета. Для этого его располагают около главной фокальной плоскости проекционного объектива, могущего перемещаться для резкой наводки. Наиболее распространена проекция диапозитива или чертежа, размеры которых обычно больше размеров проекционного объектива. Последний должен быть исправлен на сферическую и хроматическую аберрации, на астигматизм и кривизну поля. Хороший проекционный объектив приближается по своим данным к фотографическому. [c.336]

Непараллельность пучков, падающих на призму, возникает вследствие неточной установки щели в фокусе коллиматорного объектива. При наличии в нем хроматической аберрации точная установка невозможна, так как фокусное расстояние такого объектива зависит от длины волны. Поэтому коллиматорные объективы обычно исправляют на хроматическую аберрацию, для чего их склеивают из линз различных сортов стекла или используют в качестве коллиматор-ного объектива вогнутое зеркало. Оно не обладает хроматической аберрацией. [c.20]

Считалось, что цвета образуются смешением белого и черного цвета. Правда, еще в 1648 г. профессор медицины в Праге М. Марци наблюдал с помощью призмы разложение белого цвета, но не дал правильного объяснения этому явлению. Ньютон же на основании опытов, хотя и вопреки здравому смыслу , установил, что сам белый цвет возникает в результате сложения красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового цветов, отличающихся показателем преломления. Сделав из этого ошибочный вывод о невозможности устранения в приборах с линзами хроматической аберрации— окрашенности изображения, он своими руками построил новый тип телескопа с тщательно отшлифованными вогнутыми зеркалами. Телескоп был отправлен в Королевское общество, где его рассмотрела комиссия и опробовал… король. 11 января 1672 г. Ньютон стал членом этого общества, а уже в феврале оно опубликовало в своих Выпусках его трактат о природе света. [c.84]

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

Хроматические аберрации в АЕ

Хроматические аберрации в АЕ — как сделать? Как исправить? Внизу набор уроков по созданию этого эффекта, а также по его удалению . Я думаю не стоит рассказывать, что такое хроматические аберрации, в свое время данный эффект был очень популярен в видео и использовался чуть ли не в каждом клипе в связке с data glitch. Внизу есть ряд видео, где помимо оригинального создания используются и дополнительные плагины, и скрипты, такие как RGB Split, Sapphire WarpChroma, Magic Bullet Looks, Panopticon Lens, Separate RGB.

C помощью стандартных средств:

Вариант Quba HQ (Chromatic Aberration Rig скрипт)

Скачать этот бесплатный скрипт вы можете здесь.

Создание с помощью Magic Bullet плагина:

Еще один вариант от Майки:

Общий тутор с разбором нескольких способов:

И наконец, очень полезный тутор по удалению этого эффекта:

Смотрите также:

Как убрать хроматические аберрации в ручную с помощью Photoshop

Хроматическая аберрация является проклятием цифровых фотографов. Она может появляться как ореол или кайма по краям объекта, когда вы фотографируете при определенном освещении. Например, вы можете увидеть это на фотографиях, где более темный объект находится на фоне светлого неба. Некоторые инструменты в Lightroom имеют настройки, которые помогают избавится от хроматической аберрации, но иногда она настолько очевидна, что требуется более серьезное решение проблемы.

На этом изображении (нажмите, чтобы увеличить) статуя имеет очень заметный синий край и даже Lightroom с ним не справится. Для того, чтобы решить проблему, давайте откроем изображение в Photoshop и поработаем над ним.

Шаг 1

Скопируйте фоновый слой, выбрав Слои> Создать дубликат слоя.

Шаг 2

Так как в этом изображении проблемный участок настолько отчетливый, а края такие резкие, что самым простым способом будет выделить эту часть изображения и применить к нему исправление. С помощью инструмента Быстрое выделения я выделил небо. Сохраните это выделение следующим образом: Выделение> Сохранить выделение и присвойте ему имя.

Шаг 3

Теперь увеличьте его так, чтобы выделение покрывало проблемный участок. Я использовал Выделение> Модификация> Расширить и добавил достаточное количество пикселей, чтобы выделить нужную областью. Количество пикселей будет варьироваться – при большом разрешении изображения понадобится большее значение, чем при низком. Я использовал 30 пикселей для этого большого изображения.

Шаг 4

Теперь нужно вычесть первое выделение от этого нового выделения, чтобы в итоге получить выделенным только синий участок. Для этого выберите Выделение> Загрузить выделенную область и выбрать то выделение, которые вы сохранили. Задайте Вычитание и нажмите ОК.

Шаг 5

Теперь синяя область выделена, поэтому нажмите кнопку Добавить маску внизу палитры слоев, чтобы создать маску для этого слоя. Это изолирует синий участок изображения.

В данном случае самым простым способом решения проблемы будет обесцветить верхний слой, чтобы синий цвет исчез. Для этого выберите верхний слой и перейдите Изображение> Коррекции> Цветовой тон/Насыщенность и уменьшайте насыщенность до тех пор, пока синий цвет не исчезнет – вы можете сделать это в общем канале или только в синем и пурпурном каналах, или в том, где у вас проблема с цветом.

Вы также можете решить проблему с помощью корректирующего слоя Кривые, выбрав канал Синие. Точное решение будет зависеть во многом от данных изображения, в котором присутствует ореол – вам нужно удалить или обесцветить немного синего, но делайте это так, чтобы сохранить как можно больше данных изображения нетронутыми и правильно окрашенными.

Шаг 6

Если проблемный край слишком резкий, вы можете размыть маску слоя, став на нее и выбрав Фильтр> Размытие> Размытие по Гауссу.

Автор: Helen Bradley

Перевод: Татьяна Сапрыкина

Исследователи нашли способ устранить хроматические аберрации во всех видах оптики

Очевидно, что у большинства фотографов возникают проблемы с хроматическими аберрациями в их объективах. Но благодаря новому решению, разработанному в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук (SEAS) эта проблема может быть решена в ближайшем будущем, сообщает Engadget.

Недавно изобретенный метакорректор сможет удалить хроматические аберрации во всех видах объективов: в смартфонах, фотоаппаратах и микроскопах.

Несмотря на то, что оптические системы прошли долгий путь развития, основные принципы не слишком сильно изменились с середины восемнадцатого века. В SEAS рассказали, что составные объективы были изобретены в 1730-х годах, и сегодня используются те же самые технологии для борьбы с хроматическими аберрациями. Они эффективны, но сложны, дороги, требуют тщательной полировки или отливки и очень тщательной подгонки линз. Однако, новые исследования показывают, что есть возможность обновить эту схему.

Метакорректор от команды из SEAS может устранить хроматические аберрации в разных типах линз во всем спектре видимого света. Метакорректор представляет собой однойслойную поверхность, которая состоит из наноколонн, которые исправляют хроматические аберрации. Причем применять их можно в оптике любого назначения.

Вэй Тин Чен и Федерико Капассо из SEAS объясняют это так:

«Вы можете представить свет, как разные пакеты, которые доставляются с разной скоростью, когда они проходят через наноколонны. Мы разработали наноколонны, чтобы все эти пакеты попадали в фокальное пятно в одно и то же время в одном импульсе».

Федерико Капассо утверждает, что метакорректор может работать совместно с традиционными компонентами оптических систем. Это изобретение предполагает улучшение производительности и снижение сложности. Также предполагается использовать метакорректор в самом широком спектре устройств. На текущий момент его можно применять в любых коммерческих объективах. Но исследователи планируют еще больше повысить эффективность и применять технологи метакорректора в высокопроизводительных и миниатюрных оптических устройствах.

Теперь осталось дождаться внедрения этой технологии в объективах для фото- и видеокамер. Ведь получается, что можно улучшить качество оптики убрав некоторые линзы, то есть уменьшив размер и вес объективов.

Хроматическая аберрация — что это и как ее избежать

На фотографии выше вы можете заметить, что цвета в левой части кажутся полосами зеленого и красного цвета вдоль острых краев объекта; это то, что называется хроматической аберрацией.

Что такое хроматическая аберрация?

Хроматическая аберрация (также известная как цветовая окантовка или дисперсия) — распространенная проблема в линзах, которая возникает, когда цвета неправильно преломляются (изгибаются) линзой, что приводит к несоответствию в фокусной точке, где цвета не сочетаются должным образом.

Чтобы лучше понять это, помните, что фокальная плоскость — это точка фокусировки вашего сенсора; где весь свет от вашего объектива должен соединиться вместе, чтобы ваш датчик правильно распознал его. Дело в том, что в зависимости от конструкции вашего объектива, выбранного вами фокусного расстояния и даже диафрагмы, которую вы использовали, определенные длины волн (цвета) могут достигать точек до или после того, где находится фокальная плоскость.

Когда это происходит, вы получаете характерную цветную окантовку по краям на фотографии; и хотя вы можете удалить низкие уровни хроматической аберрации в Photoshop и Lightroom, реальность такова, что каждый дополнительный момент, который вы тратите на исправление фотографии, на один момент меньше, чем вам нужно сделать что-то еще!

Почему возникает хроматическая аберрация?

Хроматическая аберрация возникает из-за того, что ваш объектив действует как призма; Изгибание света зависит от различных свойств стекла, и, как и в случае с треугольником, известным Pink Floyd, проходящие через него цвета разделяются под разными углами.

Помните, что свет на самом деле состоит из нескольких волн (цветов) разной длины. Итак, чтобы сенсор вашей камеры мог определять комбинированный цвет света, ваш объектив должен заставлять все длины волн этого конкретного луча попадать в одну и ту же точку на сенсоре.

Звучит просто, но вы должны учитывать тот факт, что на линзу будут попадать разные длины волн (и, следовательно, разных цветов), и что каждый из этих лучей будет вести себя немного по-разному в зависимости от стекла, через которое он проходит .

Технический подвиг, необходимый для правильного выравнивания всех этих различных световых лучей, обычно достигается за счет использования производителем линзовой матрицы. На самом деле, если бы вы раздвинули линзу, не было бы ничего удивительного, если бы вы обнаружили более 16 линз, каждая из которых предназначена для корректировки различных факторов на пути света между линзой и сенсором.

К сожалению, именно здесь хроматическая аберрация имеет тенденцию поднимать свою уродливую голову. В конструкции этих элементов объектива скрыты дефекты — либо в стекле, либо в конструкции самого объектива, — которые в определенных условиях могут вызвать на ваших фотографиях аберрацию такого типа.

Я не пытаюсь сказать, что вам нужен объектив профессионального уровня, на самом деле, ключевой момент, о котором следует помнить, это то, что все линзы страдают от хроматической аберрации в той или иной форме. Важно то, демонстрирует ли ваш объектив видимую хроматическую аберрацию и является ли это в вашем конкретном случае препятствием или нет.

Предотвращение дефектов хроматической аберрации

Хроматическую аберрацию можно эффективно удалить при постобработке, если вы снимаете в формате RAW.Однако хорошая практика гласит, что вы должны сначала попытаться устранить проблемы в камере, а не создавать дополнительную работу в будущем.

Хорошая новость заключается в том, что если вы застряли в работе с объективом, который демонстрирует некоторую форму видимой хроматической аберрации, существует несколько простых для понимания стратегий, которые могут помочь вам удалить или минимизировать видимый эффект ее на ваших фотографиях.

Избегайте высококонтрастных сцен

Хроматические аберрации имеют тенденцию вспыхивать в высококонтрастных сценах.Особенно виноваты снимки на белом фоне, пейзажные снимки на фоне яркого восхода солнца или, как в примере с этим гепардом, когда источник света находится позади объекта.

Это означает, что иногда ничего не остается, кроме как попытаться переосмыслить кадр. Измените фон на какой-нибудь, который лучше соответствует основному цвету вашего объекта, или дождитесь более благоприятных условий освещения. Если вам абсолютно необходимо сделать этот снимок как есть, переключитесь на RAW и приготовьтесь к тому, что вам может потребоваться подправить изображение на этапе пост-обработки.

Проверьте фокусное расстояние

Хотя хорошо иметь доступ к широкому диапазону фокусных расстояний, факт в том, что большинство зум-объективов демонстрируют различные аберрации на самых коротких и самых длинных крайних точках их фокусного диапазона. Таким образом, возможность выбора другого фокусного расстояния обычно помогает устранить проблему видимой хроматической аберрации.

Аналогичным образом, использование зум-объектива под широким углом обычно приводит не только к хроматическим аберрациям, но и к различным другим дефектам в вашем изображении.Вместо этого подумайте о выборе широкоугольного объектива с постоянным фокусным расстоянием для выполнения этой работы или, что более практично для вашего случая, сделайте панораму с фокусным расстоянием, которое не вызывает проблемы с хроматической аберрацией, а затем присоедините фотографии к пост-обработке для безупречного результат.

Остановите диафрагму

Хотя это будет зависеть от конкретного типа объектива, который вы используете, уменьшение диафрагмы обычно помогает приглушить заметные эффекты большинства дефектов объектива, включая хроматические аберрации.Помните, что вам может потребоваться уменьшить выдержку или увеличить ISO, чтобы компенсировать потерю света, если вы работаете в нестудийных условиях.

Если у вас есть доступ к освещению или вспышкам, то обязательно поэкспериментируйте с эффектом усиления и добавления дополнительного света.

Измените кадр объекта в центре изображения

Хроматические аберрации возникают чаще по мере удаления от центра кадра. Обычно это происходит из-за кривизны линз внутри оправы.Поэтому возможность перефокусировать объект ближе к центру может помочь уменьшить или даже полностью устранить проблемы с хроматической аберрацией и другими дефектами линз.

Это означает, что вам может потребоваться кадрировать изображение после съемки, чтобы получить желаемый кадр, что может стать проблемой, если вам абсолютно необходимо сохранить каждый пиксель на фотографии. Если, с другой стороны, вы работаете с мелкими отпечатками или цифровым распространением, то различия между разрешениями не так заметны, пока вы не уменьшите их значительно.

Итак, понимание хроматической аберрации, как ее избежать и что вы можете с этим сделать, поможет вам улучшить окончательное качество ваших изображений. Если у вас есть другие советы или комментарии, поделитесь ими ниже.

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 Выберите образец , которое можно использовать для выбора нового образца.Положение изображения Ползунок используется для управления учебным курсом 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 до 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 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 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, объединенные дисперсии будут примерно равными и противоположными, что устранит осевое разбросание цвета (Рисунок 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, 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, и цветность , 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 (синим и красным) 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 коронных 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 объединения двух групп длин волн в общую фокальную плоскость (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 пурпурные полосы на изображениях с резкими краями. В более качественных апохроматных объективах используются очки 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 апохроматными и флюоритовыми 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 быть не 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, прямо 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. На таких окулярах часто присутствует 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 сильных магнитных полей, 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 обслуживается 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 .: 96846
Для получения дополнительной информации о производителях микроскопов

используйте кнопки ниже для перехода на их веб-сайты:
Хроматическая аберрация
Хроматическая аберрация
Хроматическая аберрация
Напомним из раздела 4.1 видно, что световая энергия обычно представляет собой беспорядочную смесь волн со спектром длин волн. Вы, наверное, видели, что цвета всего видимого спектра хорошо разделяются, когда белый свет проходит через призму. Это прекрасное явление, но для линз это ужасное раздражение, потому что оно разделяет сфокусированное изображение на основе цвета. Эта проблема называется хроматической аберрацией .
Рисунок 4.17: Хроматическая аберрация возникает из-за того, что более длинные волны проходят через линзу быстрее.Плохой результат — разные фокальные плоскости для каждой длины волны или цвета.
Рисунок 4.18: Верхнее изображение правильно сфокусировано, тогда как нижнее изображение страдает хроматической аберрацией. (Рисунок Стэна Зурека, лицензия CC-BY-SA-2.5.)
Проблема в том, что скорость света в среде зависит от длины волны. Следовательно, мы должны записать показатель преломления материала как чтобы указать, что это функция.На рис. 4.17 показан эффект простой выпуклой линзы. Глубина фокуса становится функцией длины волны. Если мы направим красный, зеленый и синий лазеры прямо в линзу вдоль одного луча, то каждый цвет пересечет оптическую ось в другом месте, что приведет к появлению красной, зеленой и синей фокусных точек. Вспомните спектральное распределение мощности и функции отражения из раздела 4.1. Для обычных источников света и материалов свет, проходящий через линзу, приводит к целому континууму фокусных точек.На рис. 4.18 показано изображение с артефактами хроматической аберрации. Хроматическую аберрацию можно уменьшить с большими затратами, комбинируя выпуклые и вогнутые линзы из разных материалов, так что распространяющиеся лучи частично вынуждены сходиться [303].

Стивен М. ЛаВалль 2020-11-11
Хроматическая аберрация
Хроматическая продольная ошибка, также называемая хроматической аберрацией, в первую очередь является нормальным эффектом, который проявляется на всех сферических линзах. Эффект преломления света призмой основан на этом эффекте: преломление света зависит от длины волны, т.е.е. в зависимости от цвета используемого света фокус линзы смещается в зависимости от длины волны.
Хроматическая аберрация
Белый свет с некорректированной системой линз. Особенно по краю картинки видна.
Хроматическая продольная ошибка
Разница в фокусировке приводит к появлению цветных полос
В частности, при использовании сверхширокоугольной оптики и другого цветного освещения это приводит к значительному уменьшению или увеличению изображений, поскольку точки фокусировки (и, следовательно, фокусное расстояние объектива) смещаются.
Ошибка может быть исправлена остановкой объектива, так как это увеличивает глубину резкости и уменьшает размытые зоны.
Конструктивно эту ошибку можно исправить, сгруппировав две линзы, так называемые дихроматы. Эффекты продольной аберрации сильно преломляющей и низкопреломляющей расходящейся линз нейтрализуют друг друга. В качестве альтернативы можно использовать очень дорогие асферические линзы.

Коррекция хроматической аберрации (продольная)
Боковая аберрация имеет ту же причину, что и продольная аберрация, и возникает с лучами света, близкими к краю.Разноцветные части изображения имеют разный размер. Эту ошибку нельзя исправить остановкой.
Линзы с цветовой коррекцией
Особенно в случае цветных приложений важно, чтобы в изображении не было ошибок цвета. Благодаря своей конструкции линзы с цветокоррекцией придают большое значение предотвращению хроматической аберрации. Если линза скорректирована для двух цветов, синего и красного, мы говорим о ахроматах . Если линзы оптимизированы для синего, зеленого и красного света, чтобы избежать цветовых ошибок, мы говорим об апохроматической коррекции .На практике вы скоро заметите, исправлен ли ваш объектив в этом отношении или нет. Осветите красным светом и сфокусируйте свое изображение. Теперь измените свет и используйте синюю подсветку. Если изображение стало расплывчатым и вам пришлось перефокусироваться, ваш объектив специально не корректируется. Смещение фокальной точки еще больше при использовании ИК-подсветки. Для этих целей существуют специальные линзы с ИК-коррекцией .
Важно для машинного зрения
Хроматические продольные ошибки могут быть немного скомпенсированы за счет остановки оптики, хроматические поперечные ошибки, к сожалению, нет.Пожалуйста, притормози!
При использовании монохромной камеры эта ошибка также видна на изображении, но не в виде цветной, а серой полосы. Если использование белого света не является строго обязательным, вы можете работать с цветным монохроматическим светодиодным светом. Хроматическая продольная ошибка таким образом не может возникнуть.
Купите подходящую оптику, конструкция линз которой исправляет как можно больше ошибок.
Дифракционные линзы с коррекцией хроматической аберрации для сверхширокополосной фокусировки
Недавняя работа предложила использование металин для широкополосной ахроматической фокусировки ¹.Здесь мы показываем, что нет необходимости использовать концепции метаповерхностей или метаповерхностей, чтобы обеспечить такую фокусировку. Скалярная дифракционная оптика при соответствующей конструкции может легко обеспечить сверхширокополосную ахроматическую фокусировку. Такая дифракционная оптика может быть намного проще в изготовлении и может обеспечивать независимую от поляризации фокусировку. Идеальный объектив фокусирует одну точку в пространстве объекта на одну точку в пространстве изображения ². Почти все системы визуализации страдают от хроматических аберраций, что означает, что свет с разной длиной волны создает фокусные пятна в разных пространственных точках ².Это явление ухудшает производительность как систем формирования изображений ^3,4, так и систем без формирования 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 рис. 1 (а) показан простой пример двояковыпуклой стеклянной линзы и соответствующий сдвиг ее фокуса, рассчитанный по уравнению производителя линз ². С другой стороны, обычная дифракционная линза (зонная пластина) демонстрирует противоположную хроматическую аберрацию (рис. 1 (b)) ^6,7,8. Угол дифракции пропорционален длине волны ², поэтому более длинные волны фокусируются ближе, чем более короткие.
Рисунок 1
Фокусирующая оптика с номинальным фокусным расстоянием f = 120 мм при λ = 540 нм (верхний ряд) и их расчетной осевой хроматической аберрацией Δf (нижний ряд).
Предполагается, что обычно падающее равномерное освещение. ( a ) Двояковыпуклая 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 концепцию 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 в качестве материала устройства мы используем фоторезист положительного тона SC1827, нанесенный на подложку из известково-натриевого стекла. Коммерческий инструмент для литографии в оттенках серого был использован 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 поперечных сечений двух CACDL, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (масштабные полосы: 5 мкм).
Для достижения суперахроматических характеристик мы применили модифицированный алгоритм прямого двоичного поиска (DBS) для оптимизации распределения высот канавок, h _i ^{21,22,23,24,27}.Это итерационный метод, основанный на возмущениях. Подробности алгоритма проектирования включены в Дополнительные материалы. Целевая функция рассеяния точки (PSF) определяется как гауссово ограниченное дифракцией с полной шириной на полувысоте (FWHM), определяемой. 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 конструирования дифракционной линзы реализует оптимальное распределение по высоте, которое может приблизительно соответствовать такой конструктивной интерференции.В нашем объективе есть канавки N , и каждая канавка может занимать дискретные уровни высоты P . Следовательно, общие степени свободы могут быть огромными, P ^N. Это обеспечивает исключительную гибкость конструкции, как показано ниже. Мы разработали и изготовили четыре CACDL (см. Рис. 2 (г)). Для каждого устройства были приняты периодические границы при проектировании и изготовлено 7 периодов, каждый длиной L = 8,4 мм. 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 металентанов 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 размещалось одномодовое волокно (SMF, диаметр сердцевины ~ 8 мкм), подключенное к спектрометру (Ocean Optics Jaz). Волокно сканировали с использованием моторизованного 2-осевого столика с шагом 3 мкм и 10 мкм по осям X ′ и Z соответственно. Спектры пропускания собирались в каждом месте. Окончательные результаты были получены после вычитания темного спектра из исходных данных и деления на эталонный спектр (прошедший через фоторезист без рисунка).
Сначала мы рассмотрим CACDL, разработанные для трех дискретных длин волн (460 нм, 540 нм и 620 нм). Чтобы продемонстрировать гибкость нашего подхода, мы разработали 3 различных линзы со следующими параметрами: количество канавок, N = 2800, 2800, 280; фокусное расстояние, f = 120 мм, 25 мм и 10 мм, что соответствует числовой апертуре, NA = 0,035, 0,166 и 0,042 соответственно. На рис. 3 (a – i) представлены смоделированные и измеренные распределения интенсивности света в фокальной плоскости на трех расчетных длинах волн.Как и ожидалось, все 3 линзы демонстрируют четкую апохроматическую фокусировку. Моделирование скалярной дифракции предсказывает среднюю оптическую эффективность 30,0%, 30,4% и 39,0% для трех конструкций. Соответствующие измеренные средние оптические эффективности составляют 24,9%, 23,0% и 21,5%, что намного выше, чем у ахроматических линз ¹³, о которых сообщалось ранее. Еще более высокая эффективность (> 50%) возможна с более толстыми микроструктурами (рис. S13 в дополнительных материалах). Теоретически неидеальная эффективность (<100%) в первую очередь связана с отсутствием идеальной интерференции (конструктивной в фокусе и деструктивной на заднем плане).Вообще говоря, эта эффективность определяет контраст или разрешение в оптической системе. Здесь мы определяем оптическую эффективность как отношение мощности в пределах области, определяемой первым нулем, к полной падающей мощности. Мы также можем количественно оценить ахроматичность CACDL, измеряя поперечный и осевой сдвиг фокуса как функцию длины волны. Их можно рассчитать, сравнивая 2D PSF (плоскость X ′ Z ) на каждой длине волны с центральной длиной волны 540 нм.Боковое и осевое смещение фокуса для первой конструкции составляло 0,32 мкм, 6,7 мкм (моделирование) и 1,3 мкм, 25 мкм (эксперимент), соответственно. Это лучше, чем то, что 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 наибольшей числовой апертурой (рис. 3 (г – е)). Ошибки изготовления, а также ограниченный угол приема SMF способствуют снижению оптической эффективности. 2D PSF ( X ′ Z ) первой конструкции на пяти длинах волн (460 нм, 500 нм, 540 нм, 580 нм и 620 нм) показаны на рис. 3 (j – n) (моделирование) и Рис. 3 (o – s) (измерение).Моделирование скалярной дифракции имеет разрешение 0,2 мкм и 2,5 мкм в направлениях X ′ и Z . Измеренные графики численно интерполируются в ту же сетку для визуального сравнения. Вблизи номинальной фокальной плоскости (белые пунктирные линии) четко наблюдается фокусировка только для проектных длин волн (460 нм, 540 нм и 620 нм). На других длинах волн фокусировки не обнаружено (рис. 3 (k, p, m, r)). Еще одно простое свидетельство апохроматической фокусировки — это изображения, полученные в фокальной плоскости с помощью монохромного датчика (DMM22BUC03-ML, The Imaging Source) с длиной волны освещения, выбранной фильтром VARIA, показанные на вставках на рис.3 (о – с). Обратите внимание, что схема SMF-спектрометра использовалась для точного измерения PSF (рис. 3 (a – i) и (o – s)), поскольку спектрометр имеет более высокое спектральное разрешение (0,4 нм), чем фильтр VARIA, и больший динамический диапазон ( 16 бит), чем датчик (8 бит).
Затем мы расширили наш CACDL, чтобы сфокусировать непрерывное широкополосное освещение в видимом спектре (450–690 нм, суперхроматический). Это достигается за счет увеличения выборки длины волны до 5 нм во время проектирования. Он был разработан с N = 2500, фокусным расстоянием, f = 280 мм и NA = 0.013. Смоделированные и измеренные одномерные PSF в проектной фокальной плоскости в зависимости от длины волны показаны на рис. 4 (a, b), соответственно. Обратите внимание, что графики нормализованы к пику на каждой длине волны, чтобы учесть спектр источника. Белые точки (слева) и крестики (справа) указывают на поперечный (Δ x ) и осевой (Δ f ) смещения 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 сопоставим с таковым у коммерческих ахроматических дублетов ⁹. Однако наш CACDL тонкий (плоский), недорогой и состоит только из одного материала. Спектр оптической эффективности показан на рис. 4 (c). Расхождения между смоделированными и измеренными кривыми в основном связаны с ошибками изготовления в профиле высоты CACDL. Эффективность падает на более длинных волнах. Это может быть потенциально компенсировано соответствующим взвешиванием эффективности различных длин волн во время проектирования ^21, и оптимизацией процесса формирования рисунка. Как и раньше, монохромные изображения, освещенные тремя длинами волн (выбранными VARIA), показаны на вставках на рис.4 (г – я).
Рисунок 4
CACDL для широкополосной (от 450 нм до 690 нм) фокусировки (суперахромат).
( a ) Смоделированы и ( b ) измерены одномерные PSF как функция длины волны. На вставках слева: сдвиг бокового фокуса Δ x в зависимости от длины волны (белые точки). Правые вставки: сдвиг аксиального фокуса Δ f в зависимости от длины волны (белые крестики). ( c ) Смоделированная (черный) и измеренная (красный) оптическая эффективность в зависимости от длины волны. На вставках: фотографии фокуса на белом наблюдательном экране 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, тогда как поперечное электрическое (TE) относится к поляризованному вдоль направления X (см. Вставку на рис. 5). (а)). Измеренные PSF для трех проектных длин волн (рис. 5 (a – c)) идентичны для ортогональных поляризаций.Кроме того, моделирование дифракции на одной канавке с помощью метода конечных разностей во временной области (FDTD) (рис. 5 (d)) подтверждает, что 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 осевого 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 конструктивная интерференция постепенно разрушается, когда фазовое распределение отклоняется от оптимального дизайна.Более того, усредненный по длине волны сдвиг аксиального фокуса увеличивается с ошибками (правая ось Y на рис. 5 (e)). Для CACDL # 1 поддерживается малым, когда ошибка меньше 100 нм, в то время как для CACDL # 4 она быстро ухудшается. Вероятно, это является следствием того факта, что широкополосная суперхроматическая фокусировка требует более строгого фазового согласования по сравнению со случаем фокусировки только трех длин волн.
Мы также смоделировали 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 в диапазоне θ ~ ± 4 ^o. Усредненный по длине волны сдвиг бокового фокуса (средняя панель) и сдвиг осевого фокуса (нижняя панель) нелинейно возрастают с увеличением θ. Однако обе конструкции сохраняют приемлемые хроматические аберрации в диапазоне θ ~ ± 4 ^o. Обратите внимание, что даже несмотря на то, что мы предполагали периодические границы во время проектирования, эксперименты показывают, что это не является строго необходимым, как указано в дополнительных материалах.Наконец, хотя наши устройства были одномерными, их можно легко расширить до 2D ^20,22,23, а также почти до любого электромагнитного спектра.
Хроматическая аберрация — Вселенная сегодня
[/ caption]
Некоторые цвета просто не поспевают за другими! Что ж, это, наверное, самый простой способ выразиться. Но когда ученые говорят о характеристиках света, правильнее было бы сказать, что разные цвета света распространяются с разной скоростью или имеют разные длины волн и, следовательно, по-разному преломляются. Хорошо известным примером этого является эффект призмы, когда луч белого света разбивается на цвета радуги. В результате, когда объекты просматриваются через простую линзу, свет будет преломляться (изгибаться) под разными углами, а это означает, что он не будет отображать все в одном и том же месте. Искажение приводит к появлению «полос» цвета вдоль границ, разделяющих темные и светлые части изображения. Этот эффект, известный как хроматическая аберрация, может стать настоящей проблемой для астрономов, геодезистов, фотографов или почти любого, кто хочет рассмотреть объект (или объекты) через объектив и должен делать это четко!
Сэр Исаак Ньютон был первым, кто продемонстрировал этот эффект около двухсот лет назад, когда он обнаружил, что свет состоит из нескольких длин волн.Эти цвета преломляются неравномерно: синий свет преломляется на более коротких длинах волн, а красный свет преломляется на более длинных, а зеленый преломляется в середине. С тех пор ученые, астрономы и оптики пришли к выводу, что два основных вида аберраций. Первый — осевой (или продольный), когда разные длины волн фокусируются на разном расстоянии, потому что линза не может фокусировать разные цвета в одной и той же фокальной плоскости. Вторая — это поперечная (или боковая) аберрация, когда разные длины волн фокусируются в разных положениях в фокальной плоскости, а эффект заключается в боковом смещении изображения.В первом случае искажение происходит по всему изображению, тогда как во втором искажение отсутствует от центра, но увеличивается к краю.
Есть много способов исправить хроматическую аберрацию. В 17 веке телескопы должны были быть очень длинными, чтобы исправлять искажения цвета. Сэр Исаак Ньютон решил эту проблему, создав в 1668 году сравнительно компактный телескоп-рефлектор, в котором для решения этой проблемы использовались изогнутые зеркала. Другой — ахроматический объектив (или ахроматический дублет); двойная линза, в которой используются два вида стекла, которые фокусируют весь белый свет, попадающий в одну и ту же точку с другой стороны линзы. Многие типы стекла, известные как стекла с низкой дисперсией, были разработаны для уменьшения хроматической аберрации, наиболее заметными из которых являются стекла, содержащие флюорит.
Открытие хроматической аберрации и разработка корректирующих линз были важными шагами в развитии оптического микроскопа, телескопа; что, в свою очередь, стало благом для астрономов и биологов, которые в результате смогли лучше понять Вселенную и мир природы.
Мы написали много статей о хроматической аберрации для Universe Today.Вот статья об оптической аберрации, а вот статья об ахроматическом объективе.
Если вам нужна дополнительная информация о хроматической аберрации, загляните в Hyperphysics, чтобы найти отличную статью о хроматической аберрации, а вот ссылку на обсуждение хроматической аберрации Мудрым Гиком.
Мы также записали целый эпизод Astronomy Cast, посвященный выбору и использованию телескопа. Послушайте, Эпизод 33: Выбор и использование телескопа.
Источники:
http: // en. wikipedia.org/wiki/Chromatic_aberration
http://toothwalker.org/optics/chromatic.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/geoopt/aber2.html
http: // www. yorku.ca/eye/chroaber.htm
http://www.yorku.ca/eye/achromat.htm
Как это:
Нравится Загрузка …
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 некоторая 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 пятно, 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 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 после импорта.
No related posts.