Aberracja chromatyczna.docx

Aberracja chromatyczna

Tak nazywa się wada soczewki przejawiająca się tym, że promienie światła o różnej barwie mają ognisko w różnej odległości od soczewki. Innymi słowy, soczewka ma różne długości ogniskowej dla światła o różnej barwie. Wyróżnia się aberrację chromatyczną podłużna i poprzeczną. Na Rys.1 pokazujemy efekt aberracji chromatycznej podłużnej.

Rys.1. Aberracja chromatyczna podłużna

Wiązka światła białego pada na soczewkę równolegle do jej osi optycznej, pokazanej zieloną linią i rozszczepia się na barwy składowe. Każda z nich ma ognisko w nieco innym miejscu osi optycznej. Zjawisko to jest wynikiem dyspersji, czyli zależności współczynnika załamania światła n od jego barwy. Poprawniej jest mówić o zależności współczynnika załamania od długości fali światła ale fotoamator widzi barwy a nie długości fali więc używamy zamiennie barwę i długość fali światła.
Współczynnik załamania n jest tym większy im mniejsza jest długość fali świetlnej. Jest więc

·         największy dla światła niebieskiego

·         a najmniejszy dla czerwonego.

Najsilniej załamywane światło niebieskie skupia się najbliżej soczewki, czyli dla tego światła soczewka ma najkrótszą ogniskową FN a najdłuższą, FC, ma dla światła czerwonego. Efekt aberracji pokazujemy z dużą przesadą dla ułatwienia wyjaśnień. Efekt ten występuje również w obiektywach aparatów fotograficznych, choć jest tam minimalizowany różnymi metodami o których napiszemy dalej.

W przypadku aparatu fotograficznego aberracja chromatyczna powoduje, że obraz przedmiotów fotografowanych będzie nieco rozmyty. Z Rys.1 wynika, że nie można uzyskać ostrego obrazu dla wszystkich barw jednocześnie. Jeżeli ostrość będzie ustawiona dla barwy żółtej, której długość fali jest pomiędzy niebieską i czerwoną, to elementy obrazu o innym kolorze będą nieco rozmyte. Efekt aberracji chromatycznej podłużnej jest jednak bardzo mały i praktycznie nie degraduje jakości zdjęcia. Znacznie groźniejsza dla jakości zdjęć jest aberracja poprzeczna. Wyjaśniamy ja na Rys.2.

Rys.2 Aberracja chromatyczna poprzeczna.

Wiązka światła białego padająca pod dużym kątem do osi optycznej obiektywu (dla prostoty wyjaśnień jest to jedna soczewka) rozszczepia się na barwy składowe i na matrycy (filmie) powstaje kilka jej odwzorowań, przesuniętych względem siebie. Efekt aberracji poprzecznej jest wyraźnie widoczny na zdjęciach i zwiększa się w miarę oddalania się od środka zdjęcia. Jest on szczególnie wyraźny na zdjęciach wykonanych obiektywem szerokokątnym, gdy światło wpada do aparatu pod dużym kątem do osi optycznej. Aberracja chromatyczna jest również duża przy fotografowaniu obiektywem o długiej ogniskowej a to dlatego, że nawet minimalnie rozszczepione promienie o różnej barwie przebywają dłuższą drogę od obiektywu do matrycy i odwzorowują się w większej od siebie odległości.

Demonstracją aberracji chromatycznej jest zamieszczone poniżej zdjęcie wykonanego aparatem Canon PowerShot S2 IS. O dobrej jakości obiektywu świadczy fakt, że efekt aberracji widać dopiero na fragmencie zdjęcia powiększonym w komputerze 2x.

Zdjęcie starej dzwonnicy w Dubrowniku (Chorwacja).

Fragment górnego zdjęcia, powiększony cyfrowo 2x. Tu już można zauważyć lekkie obwódki kolorowe, powstałe w wyniku aberracji chromatycznej

Aberracja chromatyczna jest zjawiskiem pogarszającym jakość zdjęć i stosuje się kilka podstawowych metod jej minimalizacji.

Obiektywy achromatyczne

Najprostsza metoda to zbudowanie obiektywu z dwóch soczewek, jednej skupiającej i jednej rozpraszającej. Wyjaśniamy to na Rys.3.

Rys.3. Zasada budowy obiektywu achromatycznego.

Wiązka światła białego pada na soczewkę skupiającą S i, gdyby nie było kolejnej soczewki R, światło rozszczepione na barwy niebieską i czerwoną miało by ogniska w punktach 1 i 2. Przed miejscem położenia tych ognisk umieszczono soczewkę rozpraszającą S, która odchyla od osi optycznej światło czerwone i niebieskie odwrotnie niż soczewka skupiająca. W efekcie obie barwy mają ognisko w punkcie W. Niestety, pozostałe barwy nie będą miały wspólnego ogniska. Tym nie mniej "rozrzut" ognisk dla wszystkich innych barw będzie mniejszy niż w przypadku jednej soczewki skupiającej. Wypadkowa ogniskowa takiego układu wyraża się wzorem

F = (F1*F2)/(F1 + F2 - d) (Wzór 1)

w którym d jest odległością między dwoma soczewkami. Długość ogniskowej soczewki rozpraszającej oznaczana jest jako liczba ujemna. Dobór soczewek z odpowiednimi długościami ogniskowych i ustawienie ich we właściwej odległości pozwala uzyskać efekt zbieżności ognisk dla dwóch barw pokazany na Rys.3.

Obiektywy apochromatyczne

Konstruując obiektyw z dwóch soczewek, rozpraszającej i skupiającej a do tego każda z nich z innego gatunku szkła, można uzyskać wspólne ognisko dla trzech barw, np. czerwonej, żółtej i niebieskiej. Nadal jednak pozostałe barwy będą miały ogniska w różnych punktach. Inny gatunek szkła oznacza, że ma ono inne współczynniki załamania światła dla różnych barw, czyli inną dyspersję.

Obiektywy w aparatach fotograficznych

Obiektywy w aparatach fotograficznych są dużo bardziej złożone, niż ten z Rys.3. Konstruktorzy tak je projektują, by korygowały nie tylko aberrację chromatyczna ale i inne wady pojedynczej soczewki. Składają się z kilku a nawet kilkunastu soczewek, rozmieszczonych grupami po kilka. Patrząc na wzór 1 z poprzedniego punktu widzimy, że przesuwając względem siebie soczewki, czyli zmieniając odległości między nimi, możemy zmieniać wypadkową ogniskową obiektywu. Ustawiane ostrości i zmiana długości ogniskowej w obiektywach typu zoom jest realizowana w ten właśnie sposób.

Aberracja chromatyczna mikrosoczewek

W aparatach cyfrowych, obok obiektywu, źródłem aberracji chromatycznej są też mikrosoczewki umieszczone nad każdym pikselem matrycy. Niestety, tego efektu nie można skutecznie korygować konstrukcyjnie.

Blooming

Nie ma dotychczas uznanego polskiego odpowiednika tego terminu. Otóż ów blooming, polegający na "przepełnieniu" piksela elektronami i "przelaniu" się ich do sąsiednich pikseli też może dawać efekty podobne do aberracji chromatycznej. Tak więc, nie każde pojawianie się kolorowych obwódek wokół konturów na zdjęciu, to efekt wady obiektywu.

Aberracja chromatyczna - pożyteczna jej strona

Nawet bardzo dobre obiektywy wykazują słabą aberrację chromatyczną. Z Rys.1 i Rys.2 wynika, że aberracja ta jest najmniejsza w pobliżu osi optycznej obiektywu, czyli w środku zdjęcia. W miarę oddalania się od środka zdjęcia aberracja jest coraz większa. Odpowiednie programy komputerowe pozwalają określać stopień aberracji w zależności od położenia punktu na zdjęciu. Zmiana ta następuje od punktu do punktu bardzo małymi skokami, praktycznie w sposób płynny.

Wyobraźmy sobie, że ktoś zrobił fotomontaż, mający coś tam "udowodnić". Przy obecnej technice obróbki komputerowej, jest prawie niemożliwym stwierdzenie faktu manipulacji zdjęciem. Prawie, gdyż pomiar aberracji na powierzchni zdjęcia od razu wykaże, że zostało ono zmontowane z kilku innych, lub, że coś do niego wstawiono. Co jest tym dowodem manipulacji. Otóż stwierdzenia, że nagle w jakimś miejscu zdjęcia skokowo zmienia się wielkość aberracji, oznacza, że tu zaczyna się fragment innego zdjęcia. Do takiej analizy trzeba dysponować plikiem ze zdjęciem, gdyż odbitki na papierze nie można tak precyzyjnie analizować.

Komputerowa korekcja aberracji chromatycznej

Programy komputerowe do obróbki zdjęć pozwalają zmniejszać widoczne efekty aberracji chromatycznej, a także innych zniekształceń wnoszonych przez optykę aparatu. Jest to jednak procedura bardzo żmudna i czasochłonna. W normalnej praktyce fotografa amatora aberracja chromatyczna nie stanowi poważnego problemu. Warto jednak o niej wiedzieć, jeżeli fotografujemy przy użyciu obiektywu o bardzo długiej ogniskowej. Obiektywy takie muszą być bardzo dokładnie korygowane na aberrację chromatyczną i na inne wady obiektywów, stąd cena ich jest wysoka.

Powszechnie dostępny teleobiektyw o ogniskowej 600mm może kosztować nawet ponad 30 tys. złotych. teleobiektywy robione na zamówienie o ogniskowej 1000 mm i więcej kosztują po kilkadziesiąt do 100 tys. dolarów. To mówi o stopniu trudności w pozbywaniu się wad w układach optycznych, jakimi są obiektywy aparatów fotograficznych ale także mikroskopów, czy lunet astronomicznych.