Aberração cromática - Chromatic aberration
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Em óptica , a aberração cromática ( CA ), também chamada de distorção cromática e esferocromatismo , é a falha de uma lente em focar todas as cores no mesmo ponto. É causado por dispersão : o índice de refração dos elementos da lente varia com o comprimento de onda da luz . O índice de refração da maioria dos materiais transparentes diminui com o aumento do comprimento de onda. Como a distância focal de uma lente depende do índice de refração, essa variação no índice de refração afeta o foco. A aberração cromática se manifesta como "franjas" de cor ao longo dos limites que separam as partes claras e escuras da imagem.
Tipos
Existem dois tipos de aberração cromática: axial ( longitudinal ) e transversal ( lateral ). A aberração axial ocorre quando diferentes comprimentos de onda de luz são focados em distâncias diferentes da lente ( mudança de foco ). A aberração longitudinal é típica em grandes distâncias focais. A aberração transversal ocorre quando diferentes comprimentos de onda são focados em diferentes posições no plano focal , porque a ampliação e / ou distorção da lente também varia com o comprimento de onda. A aberração transversal é típica em distâncias focais curtas. O acrônimo ambíguo LCA às vezes é usado para aberração cromática longitudinal ou lateral .
Os dois tipos de aberração cromática têm características diferentes e podem ocorrer juntos. A CA axial ocorre em toda a imagem e é especificada por engenheiros ópticos, optometristas e cientistas da visão em dioptrias . Ele pode ser reduzido parando para baixo , o que aumenta a profundidade de campo de forma que, embora os diferentes comprimentos de onda foquem em distâncias diferentes, eles ainda estejam em um foco aceitável. O CA transversal não ocorre no centro da imagem e aumenta em direção à borda. Não é afetado pela parada.
Em sensores digitais, CA axial resulta nos planos vermelho e azul sendo desfocados (assumindo que o plano verde está em foco), o que é relativamente difícil de remediar no pós-processamento, enquanto CA transversal resulta nos planos vermelho, verde e azul estando em diferentes ampliações (ampliação mudando ao longo dos raios, como na distorção geométrica ), e pode ser corrigido escalando radialmente os planos de forma adequada para que se alinhem.
Minimização
Nos primeiros usos de lentes, a aberração cromática foi reduzida com o aumento da distância focal da lente sempre que possível. Por exemplo, isso poderia resultar em telescópios extremamente longos , como os telescópios aéreos muito longos do século XVII. As teorias de Isaac Newton sobre a luz branca ser composta de um espectro de cores o levaram à conclusão de que a refração irregular da luz causava a aberração cromática (levando-o a construir o primeiro telescópio refletor , seu telescópio newtoniano , em 1668).
Existe um ponto denominado círculo da menor confusão , onde a aberração cromática pode ser minimizada. Ele pode ser minimizado ainda mais usando uma lente acromática ou acromática , na qual materiais com dispersões diferentes são montados juntos para formar uma lente composta. O tipo mais comum é um doublet acromático , com elementos feitos de coroa e vidro de sílex . Isso reduz a quantidade de aberração cromática em uma certa faixa de comprimentos de onda, embora não produza uma correção perfeita. Ao combinar mais de duas lentes de composição diferente, o grau de correção pode ser aumentado ainda mais, como visto em uma lente apocromática ou apocromática . Observe que "acromático" e "apocromático" referem-se ao tipo de correção (2 ou 3 comprimentos de onda corretamente focados), não ao grau (quão desfocados são os outros comprimentos de onda), e um acromático feito com vidro de dispersão suficientemente baixa pode render uma correção significativamente melhor do que um acromático feito com vidro mais convencional. Da mesma forma, o benefício dos apocromáticas não é simplesmente que eles focalizam três comprimentos de onda nitidamente, mas que seu erro em outros comprimentos de onda também é muito pequeno.
Muitos tipos de vidro foram desenvolvidos para reduzir a aberração cromática. Estes são vidros de baixa dispersão , mais notavelmente, vidros contendo fluorita . Esses vidros hibridizados têm um nível muito baixo de dispersão óptica; apenas duas lentes compiladas feitas dessas substâncias podem produzir um alto nível de correção.
O uso de acromáticos foi um passo importante no desenvolvimento de microscópios ópticos e telescópios .
Uma alternativa aos dupletos acromáticos é o uso de elementos ópticos difrativos. Elementos ópticos difrativos são capazes de gerar frentes de onda complexas arbitrárias a partir de uma amostra de material óptico que é essencialmente plana. Elementos ópticos difrativos têm características de dispersão negativa, complementares aos números de Abbe positivos de vidros ópticos e plásticos. Especificamente, na parte visível do espectro, os difrativos têm um número de Abbe negativo de -3,5. Elementos ópticos difrativos podem ser fabricados usando técnicas de torneamento de diamante .
Matemática da minimização da aberração cromática
Para um par que consiste em duas lentes finas em contato, o número Abbe dos materiais da lente é usado para calcular a distância focal correta das lentes para garantir a correção da aberração cromática. Se as distâncias focais das duas lentes para luz na linha D amarela do Fraunhofer (589,2 nm) forem f 1 e f 2 , a melhor correção ocorrerá para a condição:
onde V 1 e V 2 são os números de Abbe dos materiais da primeira e da segunda lentes, respectivamente. Como os números de Abbe são positivos, uma das distâncias focais deve ser negativa, ou seja, uma lente divergente, para que a condição seja atendida.
A distância focal geral do dupleto f é dada pela fórmula padrão para lentes finas em contato:
e a condição acima garante que esta será a distância focal do dupleto para a luz nas linhas azul e vermelha Fraunhofer F e C (486,1 nm e 656,3 nm, respectivamente). O comprimento focal da luz em outros comprimentos de onda visíveis será semelhante, mas não exatamente igual a este.
A aberração cromática é usada durante um teste ocular duocromático para garantir que a potência correta da lente foi selecionada. O paciente é confrontado com imagens em vermelho e verde e perguntado qual é mais nítida. Se a prescrição estiver correta, a córnea, o cristalino e o cristalino prescrito focalizarão os comprimentos de onda vermelho e verde bem na frente e atrás da retina, aparecendo com a mesma nitidez. Se a lente for muito potente ou fraca, uma focalizará a retina e a outra ficará muito mais desfocada em comparação.
Processamento de imagem para reduzir o aparecimento de aberração cromática lateral
Em algumas circunstâncias, é possível corrigir alguns dos efeitos da aberração cromática no pós-processamento digital. No entanto, em circunstâncias do mundo real, a aberração cromática resulta na perda permanente de alguns detalhes da imagem. O conhecimento detalhado do sistema óptico usado para produzir a imagem pode permitir algumas correções úteis. Em uma situação ideal, o pós-processamento para remover ou corrigir a aberração cromática lateral envolveria dimensionar os canais de cores com franjas ou subtrair algumas das versões em escala dos canais com franjas, de modo que todos os canais se sobreponham espacialmente corretamente na imagem final.
Como a aberração cromática é complexa (devido à sua relação com a distância focal, etc.), alguns fabricantes de câmeras empregam técnicas de minimização de aparência de aberração cromática específicas da lente. Quase todos os principais fabricantes de câmeras permitem alguma forma de correção de aberração cromática, tanto na câmera quanto por meio de seu software proprietário. Ferramentas de software de terceiros, como PTLens, também são capazes de realizar minimização de aparência de aberração cromática complexa com seu grande banco de dados de câmeras e lentes.
Na realidade, mesmo um pós-processamento teoricamente perfeito baseado em sistemas de redução-remoção-correção de aberração cromática não aumentam os detalhes da imagem como uma lente que é opticamente bem corrigida para aberração cromática faria pelos seguintes motivos:
- O reescalonamento só é aplicável à aberração cromática lateral, mas também há aberração cromática longitudinal
- O reescalonamento de canais de cores individuais resulta em perda de resolução da imagem original
- A maioria dos sensores de câmera captura apenas alguns canais de cor discretos (por exemplo, RGB), mas a aberração cromática não é discreta e ocorre em todo o espectro de luz
- Os corantes usados nos sensores da câmera digital para capturar a cor não são muito eficientes, então a contaminação da cor do canal cruzado é inevitável e faz com que, por exemplo, a aberração cromática no canal vermelho também seja misturada ao canal verde junto com qualquer aberração cromática verde .
Os itens acima estão intimamente relacionados à cena específica que é capturada, portanto, nenhuma quantidade de programação e conhecimento do equipamento de captura (por exemplo, dados da câmera e da lente) pode superar essas limitações.
Fotografia
O termo " franja roxa " é comumente usado em fotografia , embora nem todas as franjas roxas possam ser atribuídas à aberração cromática. Franjas de cores semelhantes ao redor dos realces também podem ser causadas pelo reflexo da lente . Franjas coloridas em torno de realces ou regiões escuras podem ser devidas aos receptores para cores diferentes com faixa dinâmica ou sensibilidade diferente - preservando, portanto, os detalhes em um ou dois canais de cores, enquanto "apagam" ou falham no registro no outro canal ou canais Em câmeras digitais, o algoritmo de demosaicing específico provavelmente afetará o grau aparente desse problema. Outra causa dessa franja é a aberração cromática nas microlentes muito pequenas usadas para coletar mais luz para cada pixel CCD; uma vez que essas lentes são ajustadas para focar corretamente a luz verde, o foco incorreto de vermelho e azul resulta em bordas roxas ao redor dos realces. Este é um problema uniforme em todo o quadro, e é mais um problema em CCDs com uma distância de pixel muito pequena , como os usados em câmeras compactas. Algumas câmeras, como a série Panasonic Lumix e as mais recentes DSLRs Nikon e Sony , apresentam uma etapa de processamento projetada especificamente para removê-la.
Em fotografias tiradas com uma câmera digital, realces muito pequenos podem freqüentemente parecer ter aberração cromática, onde na verdade o efeito é porque a imagem de realce é muito pequena para estimular todos os três pixels de cores e, portanto, é gravada com uma cor incorreta. Isso pode não ocorrer com todos os tipos de sensores de câmera digital. Novamente, o algoritmo de desmonte pode afetar o grau aparente do problema.
Mudança de cor pelo canto dos óculos.
Franjas roxas severas podem ser vistas nas bordas do topete, crina e orelha do cavalo.
Esta foto tirada com a abertura da lente totalmente aberta, resultando em uma profundidade de campo estreita e CA axial forte. O pingente tem franjas roxas na área quase fora de foco e franjas verdes à distância. Tirada com uma câmera Nikon D7000 e uma lente AF-S Nikkor 50mm f / 1.8G.
Aberração cromática severa
Fotografia em preto e branco
A aberração cromática também afeta a fotografia em preto e branco. Embora não haja cores na fotografia, a aberração cromática desfocará a imagem. Ele pode ser reduzido usando um filtro de cor de banda estreita ou convertendo um único canal de cor em preto e branco. No entanto, isso exigirá uma exposição mais longa (e alterará a imagem resultante). (Isso só é verdade com filme preto e branco pancromático , uma vez que o filme ortocromático já é sensível a apenas um espectro limitado.)
Microscópio eletrônico
A aberração cromática também afeta a microscopia eletrônica , embora em vez de cores diferentes com pontos focais diferentes, energias eletrônicas diferentes podem ter pontos focais diferentes.
Veja também
- Aberração em sistemas ópticos
- Lente acromática - uma correção para aberração cromática
- Telescópio acromático
- Lente apocromática
- Trio Cooke
- Superacromático
- Cromostereopsia - efeitos visuais estéreo devido à aberração cromática
- Teoria das Cores