Chromatische Abweichung

Nicht zu verwechseln mit Chromosomenaberration.
Optische Aberration
Out-of-focus image of a spoke target..svg Defokus

HartmannShack 1lenslet.svg Neigung
Spherical aberration 3.svg Sphärische Aberration
Astigmatism.svg Astigmatismus
Lens coma.svg Koma
Barrel distortion.svg Verzerrung
Field curvature.svg Petzval Feldkrümmung
Chromatic aberration lens diagram.svg Chromatische Abweichung

Fotografisches Beispiel zeigt hochwertige Linsen (oben) im Vergleich zu einem Modell mit geringerer Qualität, das eine transversale chromatische Aberration aufweist (als Unschärfe und Regenbogenkante in Kontrastbereichen angesehen.)

Im Optik, chromatische Abweichung (Ca.), auch genannt Chromatische Verzerrung und Spherochromatismus, ist ein Versagen von a Linse zu Fokus alle Farben zum gleichen Punkt.[1] Es wird ausgelöst von Dispersion: das Brechungsindex der Linsenelemente variieren mit dem Wellenlänge von hell. Der Brechungsindex der meisten transparenten Materialien nimmt mit zunehmender Wellenlänge ab.[2] Seit der Brennweite Von einer Linse hängt von dem Brechungsindex ab, diese Variation des Brechungsindex wirkt sich auf die Fokussierung aus.[3] Chromatisch Abweichung manifestiert sich als "Fransen" der Farbe an Grenzen, die dunkle und helle Teile des Bildes trennen.

Typen

Vergleich eines idealen Bildes eines Rings (1) und einer mit nur axial (2) und nur transversaler (3) chromatischer Aberration

Es gibt zwei Arten der chromatischen Aberration: axial (Längsschnitt), und Quer (seitlich). Die axiale Aberration tritt auf, wenn verschiedene Lichtwellenlängen auf unterschiedliche Abstände von der Linse fokussiert sind (Fokus Wechsel). Die Längsschnitt Aberration ist bei langen Brennweiten typisch. Die Queraberration tritt auf, wenn verschiedene Wellenlängen an verschiedenen Positionen in der Fokussierung fokussiert sind Fokusebene, weil die Vergrößerung und/oder Verzerrung der Linse variiert auch mit der Wellenlänge. Die Quer Aberration ist bei kurzen Brennweiten typisch. Das mehrdeutige Akronym LCA wird manchmal für beide verwendet Längsschnitt oder seitlich chromatische Abweichung.[2]

Die beiden Arten der chromatischen Aberration haben unterschiedliche Eigenschaften und können zusammen auftreten. Axial Ca tritt im gesamten Bild auf und wird von optischen Ingenieuren, Optikern und Visionswissenschaftlern in angegeben Diopter.[4] Es kann durch reduziert werden durch anhalten, was zunimmt Tiefenschärfe Obwohl sich die unterschiedlichen Wellenlängen auf unterschiedliche Entfernungen konzentrieren, stehen sie sich jedoch immer noch in akzeptablen Fokus. Transvers CA tritt nicht in der Bildmitte auf und nimmt zur Kante zu. Es wird nicht durch Anhängen betroffen.

In digitalen Sensoren führt die axiale CA dazu, dass die roten und blauen Ebenen defokoliert werden (vorausgesetzt, die grüne Ebene befindet sich im Fokus), was bei der Nachbearbeitung relativ schwer zu beheben ist bei unterschiedlichen Vergrößerungen (Vergrößerungsänderung entlang der Radien, wie in Geometrische Verzerrung) und kann korrigiert werden, indem die Ebenen radial skalieren, damit sie sich ausrichten.

Minimierung

Graph show degree of correction by different lenses and lens systems
Chromatische Korrektur von sichtbaren und nahezu Infrarotwellenlängen. Die horizontale Achse zeigt den Grad der Aberration, 0 ist keine Aberration. Objektive: 1: Einfach, 2: achromatisches Dublett, 3: apochromatisch und 4: Superachromat.

Bei den frühesten Anwendungen von Linsen wurde die chromatische Aberration durch Erhöhen der Brennweite der Linse nach Möglichkeit verringert. Zum Beispiel könnte dies extrem lang führen Teleskope wie das sehr lange Luft Teleskope des 17. Jahrhunderts. Isaac NewtonTheorien über weißes Licht aus a bestehen Spektrum von Farben führte ihn zu dem Schluss, dass eine ungleiche Brechung des Lichts eine chromatische Aberration verursachte (führte ihn zum Aufbau des ersten Reflexionsteleskop, seine Newtonian Teleskop1668.[5]))

Moderne Teleskope sowie andere katoprisch und Catadioptric -SystemeVerwenden Sie weiterhin Spiegel, die keine chromatische Aberration haben.

Es gibt einen Punkt namens das Kreis der geringsten Verwirrung, wo chromatische Aberration minimiert werden kann.[6] Es kann durch Verwendung eines weiter minimiert werden Achromatische Linse oder Achromat, in denen Materialien mit unterschiedlicher Dispersion zusammengebaut werden, um eine zusammengesetzte Linse zu bilden. Der häufigste Typ ist ein achromatisches Doublet, mit Elementen aus Krone und Flintglas. Dies verringert die Menge an chromatischer Aberration über einen bestimmten Wellenlängenbereich, obwohl sie keine perfekte Korrektur erzeugt. Durch die Kombination von mehr als zwei Linsen unterschiedlicher Zusammensetzung kann der Korrekturgrad weiter erhöht werden, wie in einem zu sehen ist Apochromatische Linse oder Apochromat. Beachten Sie, dass "Achromat" und "Apochromat" sich auf die beziehen Typ der Korrektur (2 oder 3 Wellenlängen korrekt fokussiert), nicht die Grad (Wie die anderen Wellenlängen defokusioniert sind) und ein Achromat mit ausreichend niedrigem Dispersionsglas kann eine signifikant bessere Korrektur erzielen als ein Achromat mit herkömmlicherem Glas. In ähnlicher Weise ist der Nutzen von Apochromaten nicht einfach, dass sie drei Wellenlängen stark fokussieren, sondern dass ihr Fehler in anderen Wellenlängen auch recht klein ist.[7]

Viele Arten von Glas wurden entwickelt, um die chromatische Aberration zu verringern. Diese sind Low Dispersion GlasVor allem Gläser enthalten Fluorit. Diese hybridisierten Brillen haben eine sehr geringe optische Dispersion; Nur zwei kompilierte Linsen aus diesen Substanzen können ein hohes Maß an Korrektur erzielen.[8]

Die Verwendung von Achromaten war ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung von Optische Mikroskope und Teleskope.

Eine Alternative zu achromatischen Dubletten ist die Verwendung von diffraktiven optischen Elementen. Diffraktive optische Elemente können beliebige komplexe Wellenfronten von einer Probe von optischem Material erzeugen, das im Wesentlichen flach ist.[9] Diffraktive optische Elemente weisen negative Dispersionsmerkmale auf, ergänzt zur positiven Abbe -Anzahl von optischen Brillen und Kunststoffen. Insbesondere im sichtbaren Teil der Spektrum -Diffraktive haben eine negative ABBE -Nummer von –3,5. Diffraktive optische Elemente können mit Verwendung hergestellt werden Diamant drehen Techniken.[10]

Chromatic aberration of a single lens causes different wavelengths of light to have differing focal lengths
Die chromatische Aberration einer einzelnen Linse bewirkt unterschiedliche Lichtwellenlängen, die unterschiedliche Fokuslängen aufweisen
Diffractive optical element with complementary dispersion properties to that of glass can be used to correct for color aberration
Diffraktisches optisches Element mit komplementären Dispersionseigenschaften zu der von Glas kann verwendet werden, um die Farbaberration zu korrigieren
For an achromatic doublet, visible wavelengths have approximately the same focal length
Für ein Achromatisches Dublettsichtbare Wellenlängen haben ungefähr die gleiche Brennweite

Mathematik der chromatischen Aberrationsminimierung

Für ein Doublet, das aus zwei in Kontakt bestehenden dünnen Linsen besteht, die ABBE -Nummer Von den Objektivmaterialien wird die korrekte Brennweite der Linsen berechnet, um die Korrektur der chromatischen Aberration zu gewährleisten.[11] Wenn die Brennweiten der beiden Objektive für Licht im Gelb Fraunhofer D-Line (589,2 nm) sind f1 und f2Dann tritt die beste Korrektur für die Bedingung auf:

wo V1 und V2 sind die ABBE -Anzahl der Materialien der ersten bzw. zweiten Linsen. Da ABBE -Zahlen positiv sind, muss eine der Brennweiten negativ sein, d. H. Eine divergierende Linse, damit die Erkrankung erfüllt wird.

Die allgemeine Brennweite des Dubletts f wird durch die Standardformel für dünne Linsen in Kontakt angegeben:

und die obige Erkrankung stellt sicher, dass dies die Brennweite des Doublet für Licht an den blauen und roten Fraunhofer -F- und C -Linien (486,1 nm bzw. 656,3 nm) sein wird. Die Brennweite für Licht bei anderen sichtbaren Wellenlängen ist ähnlich, aber nicht genau dem.

Eine chromatische Aberration wird während a verwendet Duochrome Augentest Um sicherzustellen, dass eine korrekte Linsenleistung ausgewählt wurde. Der Patient wird mit roten und grünen Bildern konfrontiert und gefragt, was schärfer ist. Wenn das Rezept stimmt, fokussieren die roten und grünen Wellenlängen direkt vorne und hinter der Netzhaut, die gleicher Schärfe erscheint. Wenn das Objektiv zu mächtig oder schwach ist, konzentriert sich einer auf die Netzhaut und der andere wird im Vergleich viel verschwommen.[12]

Bildverarbeitung, um das Erscheinungsbild einer lateralen chromatischen Aberration zu verringern

Unter bestimmten Umständen ist es möglich, einige der Auswirkungen der chromatischen Aberration bei der digitalen Nachbearbeitung zu korrigieren. Unter realen Umständen führt die chromatische Aberration jedoch zu einem dauerhaften Verlust einiger Bilddetails. Eine detaillierte Kenntnis des optischen Systems zur Erzeugung des Bildes kann eine nützliche Korrektur ermöglichen.[13] In einer idealen Situation würde die Nachbearbeitung zum Entfernen oder die korrekte laterale chromatische Aberration die Skalierung der Fransen-Farbkanäle oder das Subtrahieren einiger skalierter Versionen der Fransenkanäle umfassen, sodass sich alle Kanäle im Endbild richtig korrekt überlappen.[14]

Da die chromatische Aberration komplex ist (aufgrund ihrer Beziehung zur Brennweite usw.), verwenden einige Kamerathersteller eine linsenspezifische Minimierung von chromatischen Aberrationstechniken der Aberration. Fast jeder große Kamerathersteller ermöglicht eine Form einer chromatischen Aberrationskorrektur, sowohl in der Kamera als auch über ihre proprietäre Software. Software -Tools von Drittanbietern wie PTLENS sind auch in der Lage, eine komplexe minimierende chromatische Aberration mit ihrer großen Datenbank mit Kameras und Linsen durchzuführen.

In Wirklichkeit erhöhen selbst ein theoretisch perfekter nachbearbeitungsbasierter chromatischer Aberrationsreduktionskorrektursysteme das Bilddetail als eine Linse, die aus den folgenden Gründen optisch gut korrigiert wird:

  • Die Umschlüsse gilt nur für die laterale chromatische Aberration, aber es gibt auch eine längste chromatische Aberration
  • Das Neus neu der einzelnen Farbkanäle führt zu einem Auflösungsverlust aus dem Originalbild
  • Die meisten Kamerassensoren erfassen nur einige und diskrete (z. B. RGB-) Farbkanäle, aber die chromatische Aberration ist nicht diskret und tritt über das Lichtspektrum auf
  • Die Farbstoffe, die in den Digitalkamerassensoren zum Erfassen von Farbe verwendet werden, sind nicht sehr effizient, so .

Die oben genannten sind eng mit der spezifischen Szene verbunden, die erfasst wird, so dass keine Menge an Programmierung und Kenntnis der Erfassungsgeräte (z. B. Kamera- und Linsendaten) diese Einschränkungen überwinden kann.

Fotografie

Der Begriff "lila Fransen"wird üblicherweise in verwendet FotografieObwohl nicht alle lila Fransen auf eine chromatische Aberration zurückgeführt werden können. Ähnlich gefärbte Randleuchten können auch durch verursacht werden durch Linsenflackern. Farbige Fransen um Highlights oder dunkle Regionen können auf die Rezeptoren für verschiedene Farben zurückzuführen sein, die sich unterscheiden Dynamikbereich oder Empfindlichkeit - Daher bei einem oder zwei Farbkanälen, während sie ausblasen oder nicht registriert werden, in einem oder zwei Farbkanälen erhalten. Auf Digitalkameras die besonderen Demosaierung Der Algorithmus beeinflusst wahrscheinlich den scheinbaren Grad dieses Problems. Eine weitere Ursache für dieses Fransen ist die chromatische Aberration in der sehr kleinen Mikrolensen Wird verwendet, um mehr Licht für jedes CCD -Pixel zu sammeln; Da diese Objektive so eingestellt sind, dass es das grünes Licht korrekt fokussiert, führt die falsche Fokussierung von rot und blau zu lila Ringen um Highlights. Dies ist ein einheitliches Problem im gesamten Rahmen und ist bei CCDs eher ein Problem mit einem sehr kleinen Pixel -Tonhöhe wie die in kompakten Kameras verwendeten. Einige Kameras wie die Panasonic Lumix Serie und neuer Nikon und Sony DSLRSverfügen über einen Verarbeitungsschritt, der speziell zum Entfernen entwickelt wurde.

Auf Fotos, die mit einer Digitalkamera aufgenommen wurden, scheinen sehr kleine Highlights häufig eine chromatische Aberration zu haben, bei der der Effekt tatsächlich darauf zurückzuführen ist, dass das Highlight -Bild zu klein ist, um alle drei Farbpixel zu stimulieren, und daher mit einer falschen Farbe aufgezeichnet. Dies kann nicht bei allen Arten von Digitalkamerassensor auftreten. Auch hier kann der De-Mosa-Algorithmus den scheinbaren Grad des Problems beeinflussen.

  • Color shifting through corner of eyeglasses.

    Farbwechsel durch die Ecke der Brille.

  • Severe purple fringing can be seen at the edges of the horse's forelock, mane, and ear.

    Schwer lila Fransen kann an den Rändern des Pferdes auf den Vordertock, Mähne und Ohr gesehen werden.

  • This photo taken with the lens aperture wide open resulting in a narrow depth-of-field and strong axial CA. The pendant has purple fringing in the near out-of-focus area and green fringing in the distance. Taken with a Nikon D7000 camera and an AF-S Nikkor 50mm f/1.8G lens.

    Dieses Foto mit der Breite der Linse, die weit geöffnet ist und zu einer schmalen Tiefe des Feldes und einer starken axialen CA führt. Der Anhänger hat lila Fransen in der Nähe außerhalb des Fokus und in der Ferne grünes Fransen. Mit a genommen Nikon D7000 Kamera und ein AF-S Nikkor 50 mm 1: 1,8 g Objektiv.

  • Severe chromatic aberration

    Schwere chromatische Aberration

Schwarz-Weiß-Fotografie

Die chromatische Aberration beeinflusst auch die Schwarz-Weiß-Fotografie. Obwohl es keine Farben auf dem Foto gibt, verwischt die chromatische Aberration das Bild. Es kann durch Verwendung eines schmalen Bandfilters oder durch Umwandlung eines einzelnen Farbkanals in Schwarz und Weiß reduziert werden. Dies erfordert jedoch längere Belichtung (und das resultierende Bild ändert). (Dies gilt nur mit panchromatisch Schwarz-Weiß-Film seitdem orthochromatisch Film ist bereits empfindlich gegenüber einem begrenzten Spektrum.)

Elektronenmikroskopie

Die chromatische Aberration beeinflusst auch ElektronenmikroskopieObwohl anstelle verschiedener Farben unterschiedliche Schwerpunkte mit unterschiedlichen Schwerpunkten mit unterschiedlichen Elektronenergien unterschiedlich sind.[15]

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Marimont, D. H.; Wandell, B. A. (1994). "Übereinstimmende Farbbilder: Die Auswirkungen der axialen chromatischen Aberration" (PDF). Zeitschrift der Optical Society of America a. 11 (12): 3113. Bibcode:1994Josaa..11.3113m. doi:10.1364/josaa.11.003113.
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  3. ^ Kruger, P. B.; Mathews, s; Aggarwala, K. R.; Sanchez, N (1993). "Chromatische Aberration und Augenfokus: Fincham Revisited". Visionsforschung. 33 (10): 1397–411. doi:10.1016/0042-6989 (93) 90046-y. PMID 8333161. S2CID 32381745.
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  8. ^ Elert, Glenn. "Abweichung." - Das Physik Hypertextbook.
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Externe Links