Aberración cromática - Chromatic aberration

Aberración óptica
Imagen desenfocada de un objetivo radial..svg Desenfocar

HartmannShack 1lenslet.svg Inclinación Aberración esférica Astigmatismo Coma Distorsión Curvatura del campo Petzval Aberración cromática
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Diagrama de lente de aberración cromática.svg

Ejemplo fotográfico que muestra una lente de alta calidad (arriba) en comparación con un modelo de menor calidad que muestra una aberración cromática transversal (vista como un desenfoque y un borde de arco iris en las áreas de contraste).

En óptica , la aberración cromática ( CA ), también llamada distorsión cromática y esferocromatismo , es una falla de una lente para enfocar todos los colores en el mismo punto. Es causado por la dispersión : el índice de refracción de los elementos de la lente varía con la longitud de onda de la luz . El índice de refracción de la mayoría de los materiales transparentes disminuye al aumentar la longitud de onda. Dado que la distancia focal de una lente depende del índice de refracción, esta variación en el índice de refracción afecta el enfoque. La aberración cromática se manifiesta como "franjas" de color a lo largo de los límites que separan las partes oscuras y brillantes de la imagen.

Tipos

Comparación de una imagen ideal de un anillo (1) y otras con solo aberración cromática axial (2) y solo transversal (3)

Hay dos tipos de aberración cromática: axial ( longitudinal ) y transversal ( lateral ). La aberración axial se produce cuando se enfocan diferentes longitudes de onda de luz a diferentes distancias de la lente ( cambio de enfoque ). La aberración longitudinal es típica en distancias focales largas. La aberración transversal ocurre cuando se enfocan diferentes longitudes de onda en diferentes posiciones en el plano focal , porque el aumento y / o distorsión de la lente también varía con la longitud de onda. La aberración transversal es típica en distancias focales cortas. El acrónimo ambiguo LCA se utiliza a veces para aberraciones cromáticas longitudinales o laterales .

Los dos tipos de aberración cromática tienen características diferentes y pueden ocurrir juntos. La CA axial ocurre en toda la imagen y es especificada por ingenieros ópticos, optometristas y científicos de la visión en dioptrías . Puede reducirse deteniéndose , lo que aumenta la profundidad de campo de modo que, aunque las diferentes longitudes de onda se enfocan a diferentes distancias, siguen estando en un enfoque aceptable. La CA transversal no ocurre en el centro de la imagen y aumenta hacia el borde. No se ve afectado por detenerse.

En los sensores digitales, el CA axial da como resultado que los planos rojo y azul se desenfoquen (suponiendo que el plano verde esté enfocado), lo cual es relativamente difícil de remediar en el posprocesamiento, mientras que el CA transversal da como resultado los planos rojo, verde y azul. estar a diferentes aumentos (aumento que cambia a lo largo de los radios, como en la distorsión geométrica ), y se puede corregir escalando radialmente los planos de manera apropiada para que se alineen.

Minimización

El gráfico muestra el grado de corrección de diferentes lentes y sistemas de lentes.
Corrección cromática de longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas. El eje horizontal muestra el grado de aberración, 0 es sin aberración. Lentes: 1: simple, 2: doblete acromático, 3: apocromático y 4: superacromático.

En los primeros usos de las lentes, la aberración cromática se reducía aumentando la distancia focal de la lente siempre que era posible. Por ejemplo, esto podría resultar en telescopios extremadamente largos como los telescopios aéreos muy largos del siglo XVII. Las teorías de Isaac Newton acerca de que la luz blanca está compuesta por un espectro de colores lo llevaron a la conclusión de que la refracción desigual de la luz causaba aberraciones cromáticas (lo que lo llevó a construir el primer telescopio reflector , su telescopio newtoniano , en 1668).

Existe un punto llamado círculo de menor confusión , donde se puede minimizar la aberración cromática. Puede minimizarse aún más utilizando una lente acromática o acromática , en la que los materiales con diferentes dispersiones se ensamblan para formar una lente compuesta. El tipo más común es un doblete acromático , con elementos de corona y vidrio de sílex . Esto reduce la cantidad de aberración cromática en un cierto rango de longitudes de onda, aunque no produce una corrección perfecta. Combinando más de dos lentes de diferente composición, el grado de corrección puede incrementarse aún más, como se ve en una lente apocromática o apocromática . Tenga en cuenta que "acromático" y "apocromático" se refieren al tipo de corrección (2 o 3 longitudes de onda correctamente enfocadas), no al grado (qué tan desenfocadas están las otras longitudes de onda), y un acromático hecho con vidrio de dispersión suficientemente baja puede producir una corrección significativamente mejor que un acromático hecho con vidrio más convencional. De manera similar, el beneficio de los apocromáticos no es simplemente que enfocan tres longitudes de onda de manera nítida, sino que su error en otras longitudes de onda también es bastante pequeño.

Se han desarrollado muchos tipos de vidrio para reducir la aberración cromática. Se trata de vidrios de baja dispersión , sobre todo vidrios que contienen fluorita . Estos vidrios hibridados tienen un nivel muy bajo de dispersión óptica; solo dos lentes compilados hechos de estas sustancias pueden producir un alto nivel de corrección.

El uso de acromáticos fue un paso importante en el desarrollo de microscopios ópticos y telescopios .

Una alternativa a los dobletes acromáticos es el uso de elementos ópticos difractivos. Los elementos ópticos difractivos pueden generar frentes de onda complejos arbitrarios a partir de una muestra de material óptico que es esencialmente plano. Los elementos ópticos difractivos tienen características de dispersión negativa, complementarias a los números de Abbe positivos de los vidrios ópticos y plásticos. Específicamente, en la parte visible del espectro, los difractivos tienen un número de Abbe negativo de −3,5. Los elementos ópticos difractivos se pueden fabricar utilizando técnicas de torneado con diamante .

La aberración cromática de una sola lente hace que diferentes longitudes de onda de luz tengan diferentes distancias focales
La aberración cromática de una sola lente hace que diferentes longitudes de onda de luz tengan diferentes distancias focales
Se puede utilizar un elemento óptico difractivo con propiedades de dispersión complementarias a las del vidrio para corregir la aberración del color.
Se puede utilizar un elemento óptico difractivo con propiedades de dispersión complementarias a las del vidrio para corregir la aberración del color.
Para un doblete acromático, las longitudes de onda visibles tienen aproximadamente la misma distancia focal
Para un doblete acromático , las longitudes de onda visibles tienen aproximadamente la misma distancia focal

Matemáticas de minimización de aberraciones cromáticas

Para un doblete que consta de dos lentes delgadas en contacto, el número de Abbe de los materiales de las lentes se utiliza para calcular la distancia focal correcta de las lentes para asegurar la corrección de la aberración cromática. Si las distancias focales de las dos lentes para la luz en el amarillo Fraunhofer línea D (589,2 nm) son f 1 y f 2 , a continuación, la mejor corrección se produce para la condición:

donde V 1 y V 2 son los números de Abbe de los materiales de la primera y segunda lentes, respectivamente. Dado que los números de Abbe son positivos, una de las distancias focales debe ser negativa, es decir, una lente divergente, para que se cumpla la condición.

La distancia focal total del doblete f viene dada por la fórmula estándar para lentes delgados en contacto:

y la condición anterior asegura que esta será la distancia focal del doblete para la luz en las líneas Fraunhofer F y C azul y roja (486,1 nm y 656,3 nm respectivamente). La distancia focal de la luz en otras longitudes de onda visibles será similar pero no exactamente igual a esto.

La aberración cromática se utiliza durante una prueba ocular duocromática para garantizar que se ha seleccionado una potencia de lente correcta. El paciente se enfrenta a imágenes en rojo y verde y se le pregunta cuál es más nítida. Si la prescripción es correcta, entonces la córnea, la lente y la lente prescrita enfocarán las longitudes de onda roja y verde justo al frente y detrás de la retina, apareciendo con la misma nitidez. Si el cristalino es demasiado potente o débil, uno se enfocará en la retina y el otro estará mucho más borroso en comparación.

Procesamiento de imágenes para reducir la apariencia de aberración cromática lateral

En algunas circunstancias, es posible corregir algunos de los efectos de la aberración cromática en el posprocesamiento digital. Sin embargo, en circunstancias del mundo real, la aberración cromática da como resultado la pérdida permanente de algunos detalles de la imagen. El conocimiento detallado del sistema óptico utilizado para producir la imagen puede permitir algunas correcciones útiles. En una situación ideal, el posprocesamiento para eliminar o corregir la aberración cromática lateral implicaría escalar los canales de color con flecos o restar algunas de las versiones escaladas de los canales con flecos, de modo que todos los canales se superpongan espacialmente entre sí correctamente en la imagen final.

Como la aberración cromática es compleja (debido a su relación con la distancia focal, etc.), algunos fabricantes de cámaras emplean técnicas de minimización de la apariencia de aberración cromática específicas del objetivo. Casi todos los principales fabricantes de cámaras permiten alguna forma de corrección de aberraciones cromáticas, tanto en la cámara como a través de su software propietario. Las herramientas de software de terceros, como PTLens, también son capaces de minimizar la apariencia de aberraciones cromáticas complejas con su gran base de datos de cámaras y lentes.

En realidad, incluso un sistema teóricamente perfecto de posprocesamiento basado en la reducción-eliminación-corrección de la aberración cromática no aumenta el detalle de la imagen como lo haría una lente ópticamente bien corregida para la aberración cromática por las siguientes razones:

  • El cambio de escala solo es aplicable a la aberración cromática lateral, pero también hay aberración cromática longitudinal
  • El cambio de escala de los canales de color individuales da como resultado una pérdida de resolución de la imagen original
  • La mayoría de los sensores de la cámara solo capturan unos pocos canales de color discretos (p. Ej., RGB), pero la aberración cromática no es discreta y se produce en todo el espectro de luz.
  • Los tintes utilizados en los sensores de la cámara digital para capturar el color no son muy eficientes, por lo que la contaminación del color entre canales es inevitable y hace que, por ejemplo, la aberración cromática en el canal rojo también se mezcle con el canal verde junto con cualquier aberración cromática verde. .

Lo anterior está estrechamente relacionado con la escena específica que se captura, por lo que ninguna cantidad de programación y conocimiento del equipo de captura (por ejemplo, datos de la cámara y la lente) puede superar estas limitaciones.

Fotografía

El término " franja púrpura " se usa comúnmente en fotografía , aunque no todas las franjas violetas pueden atribuirse a aberraciones cromáticas. El destello de la lente también puede causar franjas de colores similares alrededor de las luces altas . Las franjas de color alrededor de las zonas altas o oscuras pueden deberse a que los receptores de diferentes colores tienen un rango dinámico o sensibilidad diferente , por lo que se conservan los detalles en uno o dos canales de color, mientras se "apagan" o no se registran en el otro canal o canales. En las cámaras digitales, es probable que el algoritmo de demostración particular afecte el grado aparente de este problema. Otra causa de esta franja es la aberración cromática en las microlentes muy pequeñas que se usan para recolectar más luz por cada píxel del CCD; Dado que estas lentes están ajustadas para enfocar correctamente la luz verde, el enfoque incorrecto de rojo y azul da como resultado un borde morado alrededor de los reflejos. Este es un problema uniforme en todo el fotograma, y ​​es más un problema en los CCD con un tamaño de píxel muy pequeño , como los que se utilizan en las cámaras compactas. Algunas cámaras, como la serie Panasonic Lumix y las cámaras réflex digitales Nikon y Sony más nuevas , cuentan con un paso de procesamiento diseñado específicamente para eliminarlo.

En las fotografías tomadas con una cámara digital, los reflejos muy pequeños pueden parecer con frecuencia tener una aberración cromática cuando, de hecho, el efecto se debe a que la imagen de los reflejos es demasiado pequeña para estimular los tres píxeles de color, por lo que se registra con un color incorrecto. Es posible que esto no ocurra con todos los tipos de sensores de cámaras digitales. Nuevamente, el algoritmo de eliminación de mosaicos puede afectar el grado aparente del problema.

Fotografía en blanco y negro

La aberración cromática también afecta a la fotografía en blanco y negro. Aunque no hay colores en la fotografía, la aberración cromática desenfocará la imagen. Puede reducirse utilizando un filtro de color de banda estrecha o convirtiendo un solo canal de color a blanco y negro. Sin embargo, esto requerirá una exposición más prolongada (y cambiará la imagen resultante). (Esto solo es cierto con la película pancromática en blanco y negro, ya que la película ortocromática ya es sensible a un espectro limitado).

Microscopio de electrones

La aberración cromática también afecta a la microscopía electrónica , aunque en lugar de que diferentes colores tengan diferentes puntos focales, diferentes energías electrónicas pueden tener diferentes puntos focales.

Ver también

Referencias

enlaces externos