Аберрация объектива способы устранения

Аберрации и их влияние на изображение

Статья описывает базовые понятия аберраций, классификацию аберраций, а также возможные методики устранения аберраций применительно к микроскопным объективам. В статье описана методика выбора микроскопных объективов исходя из задач исследователя.
Аберрации в оптических системах – погрешность изображения, вызванная любым отклонением реальных лучей от геометрических направлений по которым они должны были бы идти в идеальной оптической системе. Аберрации можно классифицировать на монохроматические (то есть присущие монохроматическим лучам – лучам одной длины волны) и хроматические.

Монохроматические аберрации

Монохроматические аберрации – погрешности, присущие любой реальной оптической системе. Возникновение связано с тем, что поверхности, преломляющие лучи неспособны собрать в точку широкие пучки лучей, падающие на них под большими углами. Монохроматические аберрации приводят к искажению изображения точки в некоторую фигуру рассеяния, что снижает четкость изображения и нарушает подобие изображения и предмета.
Монохроматические аберрации классифицируют пятью аберрациями Зейделя:

S_I – сферическая аберрация

Сферическая аберрация оптических систем из-за несовпадения фокусов для лучей света проходящих на разных расстояниях от оптической оси. Нарушает гомоцентричность пучка света, но не нарушает симметричность.
Существует несколько путей исправления сферической аберрации:
Во-первых, снижение кривизны линзы (использование стекла с большим показателем преломления в совокупности с увеличением радиусов поверхностей линзы, сохраняя, тем самым, ее оптическую силу).
Во-вторых, применением комбинации из положительных и отрицательных линз. Обычно параллельно с исправлением сферической аберрации исправляют также хроматические аберрации.
В-третьих, применяют диафрагмирование – отсечение краевых лучей широкого пучка. Способ позволяет снизить значение рассеяния, но непригоден для оптических систем требующих высокой светосилы.
Полностью избавиться от сферической аберрации невозможно, но способы снизить ее эффективно применяются в микроскопии.

S_II – кома

Аберрация Кома обусловлена тем, что лучи, приходящие под углом к оптической оси, собираются не в одной точке. Методика исправления Комы схожа с методикой исправления сферических аберраций и, в основном, строится на использовании комбинаций положительных и отрицательных линз.

S_III – астигматизм

Астигматизм оптической системы. Аберрация, при которой изображение точки, лежащей вне оси и сформированное узким пучком лучей представляет собой два перпендикулярных отрезка расположенных на разном расстоянии плоскости Гаусса (плоскости безаберрационного фокуса).
Астигматизм не может быть исправлен диафрагмированием, т.к. проявляется и на узких пучках. Для коррекции астигматизма применяют дуплеты положительных и отрицательных линз.

S_IV – кривизна поля изображения

Аберрация, при которой изображение плоского объекта, перпендикулярного оси оптической системы лежит на выпуклой или вогнутой (обычно сферической в случае симметричной оптики) поверхности относительно объектива.
Погрешность вносимая аберрацией, очень сильно сказывается в микроскопии, так как получаемое изображение плоского объекта не находится полностью в фокальной плоскости и, таким образом, на нескорректированной системе мы не можем наблюдать полностью резкое изображение объекта по всему полю.
Кривизна поля корректируется при помощи расчета системы содержащей две и более отрицательных линз, а также использующей воздушное пространство между линзами.

S_V – дисторсия

Дисторсия – изменение коэффициента линейного увеличения оптической системы по полю зрения. Дисторсия не приемлема в микроскопии, так как система, подверженная дисторсии, не обеспечивает геометрическое подобие наблюдаемого объекта и его изображения. Дисторсия исправляется подбором линз на этапе проектировки объектива. Также возможно исправление дисторсии на этапе компьютерной обработки изображения.

Хроматические аберрации (ХА)

Хроматические аберрации – погрешности вносимые в изображение разницей коэффициента преломления для пучков с различными длинами волн.
При прохождении света через оптические материалы наблюдается дисперсия – разложение белого света на спектр. Именно явление дисперсии запечатлено на самой знаменитой обложке музыкального альбома 20 века – Pink Floyd – The Dark Side of the Moon.
Паразитная дисперсия не позволяет лучам с различными длинами волн сфокусироваться в одной точке.
Таким образом, различают три вида хроматизма: хроматизм положения, хроматизм увеличения и хроматизм разности геометрических аберраций. В статье мы рассмотрим хроматизм положения, так как природа ХА абсолютно одинакова во всех случаях.
Для любой оптической линзы коэффициент преломления синих лучей, как правило, больше, чем красных, поэтому точка фокуса синих лучей F_blue расположена ближе к задней главной точке линзы, чем точка фокуса красных лучей F_red. Отсюда следует, что лучи, полученные разложением белого света, будут иметь различное фокусное расстояние. Единого фокусного расстояния у одной линзы не существует, а есть совокупность фокусных расстояний — по одному фокусу на луч каждого цвета.
Разность F_blue-F_red это и есть «хроматизм положения» (или хроматической разностью положения, продольной хроматической аберрацией)
Диафрагмирование несколько уменьшает хроматизм положения. При этом изображения предмета в лучах разного цвета будут находиться на разных расстояниях от задней главной точки. Если наводить оптическую систему на резкость по красным лучам, изображение в синих лучах будет не в фокусе, и наоборот.
Конструкция микроскопных объективов рассчитана на устранение хроматических аберраций. Система линз, выполняющих сближение фокусов двух (например, синих и жёлтых) лучей, называется ахроматической, а при сближении фокусов трёх лучей —апохроматической системой.
Основное правило при исправлении ХА является исправление ХА суммарно для всей системы. Нет необходимости исправлять хроматизм каждого элемента. Важно, чтобы суммарная положительная и отрицательная дисперсия элементов системы была равна нулю.

Критерии при выборе микроскопных объективов

Рассмотрев основные типы различных оптических аберраций мы можем описать основные критерии при выборе объективов для лабораторного микроскопа, ведь именно характеристиками объектива определяются разрешающая способность микроскопа, дисторсия, возможность проведения точных измерений, возможность качественного получения большого поля изображения при сильном увеличении путем сшивки частичных полей.
В большинстве случаев при выборе объективов работает правило, что чем качественнее и дороже объектив – тем он лучше для решения любых задач. Но на самом деле, во-первых, это не всегда абсолютно достоверно, во-вторых – экономическую составляющую вопроса это правило не затрагивает. А ведь порой именно она играет решающую роль при выборе оборудования того или иного класса.
Объективы для микроскопов делятся на различные классы в зависимости от коррекции монохроматических и хроматических аберраций. Каждый производитель имеет свою классификацию и свои уникальные названия для каждого из классов, что крайне усложняет прозрачность выбора той или иной линейки.
Все производители различают три больших класса объективов: Ахроматы, Полу-апохроматы (или Флюотары) и Апохроматы. Критерием внесения объектива в тот или иной класс будет являться сходимость фокальных плоскостей для трех основных цветов: красного, зеленого и синего.
Компания Leica Microsystems предлагает следующую оценку критериев (она может незначительно отличаться от оценки других производителей – Zeiss, Olympus, Nikon и др). Эта оценка дает максимально прозрачное представление коррекции ХА в зависимости от класса объектива.

Источник

Хроматические аберрации: как исправить недостаток

Хроматическая аберрация — это нарушение цветопередачи, которое проявляется в виде «бахромы» (контура) на контрастных объектах. Поговорим о том, какие бывают виды аберраций, почему они возникают и как от них избавиться.

Какими бывают цветовые искажения на снимках

Эффект хроматической аберрации возникает в тот момент, когда луч света проходит через линзу объектива, преломляется и распадается на спектральные цвета (от красного до фиолетового). Все цвета разноволновые по длине, поэтому у каждого будет собственный угол преломления, что в результате приводит к возникновению на фотографии разного рода искажений: цветовых полос, бликов или колец.

• цветные полосы по контуру объектов;
• радужные блики;
• разноцветные круги;
• нивелирование границ между контрастными объектами;
• падение четкости на локальных участках снимка;
• плавный переход одного цвета к другому на границах снимаемого объекта.

Проще говоря, хроматическая аберрация в фотографии — это цветовые искажения на изображении.

Пример хроматической аберрации

Классификация искажений

Хроматические аберрации оптических систем были теоретически обоснованы в позапрошлом столетии немецким математиком Ф. Л. Зейделем. Всего было выделено 5 разновидностей искажений. Они относились к монохроматическому, то есть черно-белому изображению, когда все лучи имеют одну длину волны. Позже, когда появилась цветная пленка, были обнаружены еще и цветовые аномалии.

Монохроматизм — погрешность, присущая оптике. Аномалии появляются оттого, что поверхности, преломляющие лучи, не могут собрать световые потоки в одну точку, если те падают на плоскости под большими углами.

Выделяют следующие типы аномалий:

Сферическая аберрация

Это нивелирование границ между объектами, которые слишком контрастны по отношению друг к другу. Возникает из-за несовпадения фокусов для лучей света проходящих на разных расстояниях от оптической оси.

Пример сферической аберрации

Выглядит как размытость по краям объекта, на профессиональном жаргоне называют «коматической засветкой». Также может иметь вид капли или кометы с большим светящимся хвостом. Вызывается разницей преломления между лучами, исходящими из одной точки, когда одна часть лучей проходит по краю объектива, а другая по центру.

Астигматизм

Изображение получается резче на одном участке фото, чем на другом. Появляется вследствие того, что лучи, находящиеся вне оптической оси объектива, имеют различные точки сходимости.

Кривизна

Также проявляется неравномерной четкостью по всей поверхности снимка из-за особенностей формы линзы.

Кривизна поля изображения

Дисторсия

Это искажение прямых линий. В результате предметы по краям кадра выглядят неестественно сплюснутыми или вытянутыми. Об этом явлении мы поговорим чуть ниже.

Сферическая и хроматическая аберрации, а также дисторсия — это основные искажения линз.

Главные типы аберраций

Итак, выделяют два основных вида искажений: те, что связаны с геометрией, и цветовые. Первый тип — это дисторсия, эффект, который легко убрать в программе для редактирования фото. Данное явление хорошо знакомо владельцам широкоугольных объективов, когда картинка по краям получается выпуклой или вогнутой.

Второй вид — непосредственно хроматическая аберрация, которая делиться на два подвида: продольная аберрация и поперечная. Причина хроматической аберрации заключается в явлении дисперсии и связана с разложением цвета на световые волны. А причина геометрической аберрации — в дисторсии и связана с кривизной волны. Оба эффекта обязаны своим явлением форме линзы, но если геометрию еще можно исправить, то убрать хроматическую аберрацию целиком не получится. Можно только свести их к минимуму.

Цветовые искажения практически невозможно убрать полностью

Продольная аберрация

Мы уже знаем, что свет при попадании на линзу преломляется и распадается на цвета радуги. Каждый цвет обладает разной длиной волны. Поэтому угол преломления у всех оттенков будет свой. Например, синий излучает сильнее, поэтому точка, где лучи сойдутся воедино, будет располагаться ближе к линзе. С красным цветом все наоборот.

Хроматизм положения (как еще называют продольную аберрацию) — это расхождение между показателями вышеупомянутых цветов. Если, например, равняться по красному цвету, то все части изображения, которые содержат синий цвет, окажутся не в фокусе. Избавиться от данного явления целиком нельзя. Можно лишь уменьшить его проявление до той степени, когда человеческий глаз перестает видеть различия.

Этого можно добиться использованием двух линз: сферической и обратно вогнутой. Первая будет рассеивать пучки света и отклонять их от изначальной оси. Вторая — собирать обратно, нейтрализуя действие первой. В результате мы получим необходимый оттенок. Такие линзы называют ахроматическими. Стоит отметить, что дешевая оптика «хроматит» гораздо сильнее, чем объективы элитной серии, так что обращайте внимание на качество оптической системы. Такие дуплеты устраняют большинство разновидностей аберраций.

Принцип построения ахроматической линзы

Хроматизм увеличения

Его также называют поперечной аберрацией. Возникает тогда, когда волны различной длины фокусируются в разных точках одной фокальной плоскости. Это та самая «бахрома», о которой мы упоминали в начале статьи. Чаще всего цвет искажается на периферии снимков и не возникает в центре. Бороться с этим эффектом путем уменьшения диафрагмы бесполезно. Зато можно исправить аберрации при постобработке.

Нередко при съемке фотографу приходится сталкиваться с двумя типами аберраций: продольной и поперечной. В этом случае в процессе съемки избавиться лучше от хроматизма положения, стараясь уменьшить значение диафрагмы. А проблему хроматизма увеличений решать уже при наличии соответствующего ПО.

Как избавиться от хроматических аберраций во время съемки

С цветовыми аномалиями можно справиться в процессе постобработки. Но более действенный результат вас ожидает, если вы начнете бороться с проблемой еще перед началом съемки. Вот несколько практических советов, следуя которым вы сможете свести к минимуму проявление аберрации.

Ставьте узкую диафрагму

Закрытие лепестков до f/2.8 — f/4 позволит минимизировать выраженность искажений. Чтобы компенсировать потерю света, увеличивайте светочувствительность и выдержку.

Располагайте важные объекты подальше от периферии

Линза имеет свойство создавать искажения как раз по краям снимка, поэтому если другого выхода нет — нарушьте правило третей и скомпонуйте кадр со значимым объектом в центре. Конечно, во всем следует руководствоваться чувством меры и оставить данный пункт на крайний случай.

Снимайте со средним фокусным расстоянием

Это поможет сделать дефекты менее заметными. Как вариант, вы можете снять одну и ту же картинку с разным фокусным расстоянием, а потом сделать компоновку в графическом редакторе.

На фоне яркого неба ветви деревьев вероятнее всего приобретут цветную окантовку. Если есть возможность, перенесите часы съемки, измените фон или отредактируйте кадр в программе. В последнем случае съемку лучше производить в RAW формате, аберрации легче всего устраняются в специальном модуле «Камера RAW» в Фотошопе.

Покупайте качественные объективы

Дорогая оптика изготовлена из хороших материалов и проектируется с использованием больших компьютеров для проведения головоломных расчетов и моделирования высокого уровня, что в итоге приводит к подавлению искажений различных типов. Но такое «стекло» и стоит отнюдь не копейки.

Используйте все возможные методы, чтобы подавить искажения еще на этапе съемки

Удаление хроматических аберраций в фоторедакторе

В статье мы рассмотрим как ликвидировать искажения на примере редактора Photoshop. Благодаря этому редактору
вы сможете исправить большинство различных дефектов и нарушений, возникших в процессе съемки. Как выглядит хроматическая аберрация? Обратите внимание на пример, расположенный ниже:

Цветной кант на шляпе свидетельствует о наличии хроматизма

Она проявляется в виде зелено-красной окантовки по краям шляпы ковбоя. Именно от этой неприятности мы и будем избавляться, причем сделаем это несколькими способами.

Метод 1. Камера RAW

Данный модуль является встроенным, начиная с версии Photoshop СC. В ранних модификациях его придется ставить вручную. Однако если вы постоянно работаете с фотографиями, то это скорее необходимость, чем вынужденная мера.

Откройте снимок в «Камере RAW». Выберите опцию «Коррекция дисторсии» —> «Цветность». Поставьте галочку напротив пункта «Удалить хроматическую аберрацию» и цветная окантовка по полю шляпы исчезнет.

Камера RAW — самый легкий способ устранения аберраций

Метод 2. Размытие по Гауссу

Переместите изображение на рабочую область программы. Сделайте дубликат слоя (Ctrl+J). Далее пройдите по пути «Фильтр» —> «Размытие» —> «Размытие по Гауссу…» и установите значение на 4px. Затем поменяйте параметр наложения для копии слоя на «Цветность». Сравните эффект до и после на скриншотах:

Метод 3. «Губка»

Хроматические аберрации на фото легко устранить при помощи инструмента «Губка». Все участки, к которым прикасается этот инструмент, обесцвечиваются. Посмотрите местонахождение «Губки» на скриншоте, выберите ее, установите значение нажима на 100% и, приблизив нужную область, аккуратно пройдитесь вдоль краев шляпы.

Работать нужно аккуратно, чтобы случайно не удалить цвет на соседних участках. Данный способ более затратный по времени, чем два других, но если с их помощью не удается достичь приемлемых результатов, то используем «Губку».

Устранить несовершенства можно при помощи инструмента «Губка»

Как сделать хроматические аберрации

Вся статья была посвящена тому, как избежать цветовых погрешностей на снимках, но иногда их добавляют специально на изображения для создания интересных эффектов. Поэтому теперь давайте научимся создавать искажения!

Выберите подходящую картинку, откройте в программе и, не делая копии слоя (!), перейдите во вкладку «Каналы». Здесь вы видите иконки, которые обозначают три RGB-цвета: красный, зеленый и голубой. Выберите один из каналов. «Глазики» напротив других слоев автоматически отключатся. Ваша задача включить верхний, цветной слой. При этом «глазики» опять зажгутся напротив всех слоев, но выделенным должен быть только один! Пусть это будет зеленый.

Возьмите инструмент «Перемещение» и на выделенном активном слое канала начните сдвигать изображение влево или вправо. Корректируйте степень толщины цветовых линий углом сдвига. То же самое вы можете проделать и с другими каналами. Это достаточно простой способ, который помогает добиться любопытного эффекта.

Применяйте цветовые искажения для добавления необычных эффектов

ФотоМАСТЕР — программа для стильной обработки

Кстати, об эффектах. Хотим вам рассказать об одной занятной программе, с помощью которой вы сможете добиться интересных снимков. ФотоМАСТЕР обладает русскоязычным интерфейсом, поэтому никаких головоломок с пониманием меню и лихорадочных метаний среди кнопок не возникнет. 100+ уникальных фильтров, способных подчеркнуть настроение фотографии, полуавтоматизированный процесс работы, который позволит выделить лучшие стороны снимка в несколько кликов, и несложная замена фона — вот чем вам понравится эта программа.

Среди других возможностей ФотоМАСТЕРА:

• пресеты для эффектной бьюти-ретуши;
• инструменты для пластики лица и фигуры;
• функция пакетной обработки снимков;
• быстрое удаление ненужных предметов или людей из кадра;
• изменение цвета отдельных элементов;
• обрезка и исправление геометрических искажений.

Избавиться от дисторсии легко. Загрузите снимок, зайдите в раздел «Инструменты» –> «Геометрия». Потяните бегунок на шкале «Дисторсия» влево, если хотите исправить вогнутость, и вправо, если требуется уменьшить выпуклость. Скачайте фоторедактор и добивайтесь идеальных снимков, убирая искажения любого рода!

Уберите дисторсию одним движением

Подводим итоги

Хроматическая аберрация линзы — это дефект, с которым фотографы борются с момента возникновения цветной пленки. Еще 20 лет назад, когда техника и графические редакторы не были особо качественными, хроматика сильно отравляла жизнь фотоделов. Сегодня большинство искажений можно устранить либо во время подготовки к съемке, либо при помощи постобработки. Не допускайте, чтобы в результате хроматической аберрации ваши фотографии потеряли привлекательность. Следуя информации из этой статьи, вы сможете избежать грубых ошибок.

Источник