Aberración cromática

Longitud focal de la lente varía con el color de la luz

Ejemplo fotográfico que muestra lente de alta calidad (top) en comparación con el modelo de menor calidad que muestra la aberración cromática transversal (ver como un borrón y un borde arco iris en áreas de contraste.)

En óptica, la aberración cromática (CA), también llamada distorsión cromática y esferocromatismo, es un fallo de una lente para enfocar todos los colores en el mismo punto. Es causada 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 con sólo axial (2) y sólo transversal (3) aberración cromática

Hay dos tipos de aberración cromática: axial (longitudinal) y transversal (lateral). La aberración axial ocurre cuando diferentes longitudes de onda de luz se enfocan a diferentes distancias de la lente (enfoque desplazamiento). 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 la ampliación 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 la aberración cromática longitudinal o lateral.

Los dos tipos de aberración cromática tienen características diferentes y pueden ocurrir juntos. La CA axial ocurre en toda la imagen y los ingenieros ópticos, optometristas y científicos de la visión la especifican en dioptrías. Se puede reducir deteniéndose, lo que aumenta la profundidad de campo de modo que, aunque las diferentes longitudes de onda se enfocan a diferentes distancias, todavía están 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, la CA axial hace que los planos rojo y azul estén desenfocados (suponiendo que el plano verde esté enfocado), lo que es relativamente difícil de remediar en el posprocesamiento, mientras que la CA transversal hace que los planos rojo, verde y azul estén desenfocados. y los planos azules tienen diferentes aumentos (el aumento cambia a lo largo de los radios, como en la distorsión geométrica), y se pueden corregir escalando radialmente los planos adecuadamente para que se alineen.

Minimización

Corrección cromática de longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas. El eje horizontal muestra grado de aberración, 0 no es aberración. Lentes: 1: simple, 2: doblet acromático, 3: apocromático y 4: superacromat.

En los primeros usos de las lentes, la aberración cromática se reducía aumentando la distancia focal de la lente cuando 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 sobre la luz blanca compuesta por un espectro de colores lo llevaron a la conclusión de que la refracción desigual de la luz causaba aberración cromática (lo que lo llevó a construir el primer telescopio reflector, su telescopio newtoniano, en 1668).

Los telescopios modernos, así como otros sistemas catóptricos y catadióptricos, continúan usando espejos que no tienen aberración cromática.

Existe un punto llamado círculo de menor confusión, donde se puede minimizar la aberración cromática. Se puede minimizar aún más utilizando una lente acromática o acromática, en la que se ensamblan materiales con diferente dispersión para formar una lente compuesta. El tipo más común es un doblete acromático, con elementos hechos de vidrio crown y flint. Esto reduce la cantidad de aberración cromática en un cierto rango de longitudes de onda, aunque no produce una corrección perfecta. Al combinar más de dos lentes de diferente composición, se puede aumentar aún más el grado de corrección, como se ve en una lente apocromática o apocromática. Tenga en cuenta que "acromático" y "apocromático" refiérase al tipo de corrección (2 o 3 longitudes de onda enfocadas correctamente), no al grado (cuán desenfocadas están las otras longitudes de onda), y un acromático hecho con un 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 con nitidez, 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, en particular, vidrios que contienen fluorita. Estos vidrios hibridados tienen un nivel de dispersión óptica muy bajo; 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. Concretamente, en la parte visible del espectro las difractivas tienen un número de Abbe negativo de −3,5. Los elementos ópticos difractivos se pueden fabricar utilizando técnicas de torneado de diamantes.

Los teleobjetivos que utilizan elementos de difracción para minimizar la aberración cromática están disponibles comercialmente en Canon y Nikon para cámaras con objetivos intercambiables; estos incluyen modelos de 800 mm f/6.3, 500 mm f/5.6 y 300 mm f/4 de Nikon (marcados como "fase fresnel" o PF), y 800 mm f/11, 600 mm f/11 y 400 mm f /4 modelos de Canon (marcados como "óptica difractiva" o DO). Producen imágenes nítidas con una aberración cromática reducida con un peso y un tamaño más bajos que las ópticas tradicionales de especificaciones similares y, en general, son apreciados por los fotógrafos de vida silvestre.

La aberración cromática de un solo objetivo hace que diferentes longitudes de onda de luz tengan diferentes longitudes focales

El elemento óptico difractivo con propiedades de dispersión complementarias a la del vidrio se puede utilizar para corregir la aberración del color

Para un doblet acromático, longitudes de onda visibles tienen aproximadamente la misma longitud focal

Matemáticas de minimización de la aberración cromática

Para un doblete que consiste en dos lentes delgadas en contacto, el número de Abbe de los materiales de la lente se usa para calcular la distancia focal correcta de las lentes para garantizar la corrección de la aberración cromática. Si las distancias focales de las dos lentes para la luz en la línea D amarilla de Fraunhofer (589,2 nm) son f₁ y f ₂, entonces ocurre la mejor corrección para la condición:

${displaystyle f_{1}cdot V_{1}+f_{2}cdot V_{2}=0}$

donde V₁ y V₂ son los números de Abbe de los materiales de la primera y segunda lente, 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 de contacto delgadas:

${displaystyle {frac} {f}={frac} {1}{1}}+{frac} {1}{f_{2}}}$

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

La aberración cromática se utiliza durante una prueba ocular duocromática para garantizar que se haya seleccionado la potencia de lente correcta. El paciente se enfrenta a imágenes rojas y verdes y se le pregunta cuál es más nítida. Si la prescripción es correcta, entonces la córnea, el cristalino y el cristalino prescrito enfocarán las longitudes de onda rojas y verdes justo delante 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 reales, la aberración cromática provoca 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 procesamiento posterior para eliminar o corregir la aberración cromática lateral implicaría escalar los canales de color con franjas o restar algunas de las versiones escaladas de los canales con franjas, 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 la aberración cromática específicas del objetivo. Casi todos los principales fabricantes de cámaras permiten algún tipo de corrección de la aberración cromática, 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 los sistemas de reducción, eliminación y corrección de aberraciones cromáticas basados en posprocesamiento teóricamente perfectos no aumentan el detalle de la imagen tan bien como lo haría una lente que está ópticamente bien corregida para la aberración cromática por las siguientes razones:

• Rescaling sólo es aplicable a la aberración cromática lateral, pero también hay aberración cromática longitudinal
• Recalar canales de color individuales resulta en una pérdida de resolución de la imagen original
• La mayoría de los sensores de cámara sólo capturan unos pocos canales de color y discretos (por ejemplo, RGB), pero la aberración cromática no es discreta y se produce a través del espectro de luz
• Los tintes utilizados en los sensores de cámara digital para capturar el color no son muy eficientes, por lo que la contaminación del color del canal cruzado es inevitable y causa, por ejemplo, la aberración cromática en el canal rojo para ser mezclada también en 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 "flecos púrpura" se usa comúnmente en fotografía, aunque no todas las franjas moradas pueden atribuirse a la aberración cromática. El destello de la lente también puede causar franjas de colores similares alrededor de las luces. Las franjas de color alrededor de las zonas iluminadas o oscuras pueden deberse a que los receptores de diferentes colores tienen un rango dinámico o una sensibilidad diferente, por lo que se conservan los detalles en uno o dos canales de color, mientras que "se apaga" o en su defecto registrarse, 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 utilizadas para recolectar más luz para cada píxel CCD; dado que estos lentes están sintonizados para enfocar correctamente la luz verde, el enfoque incorrecto del rojo y el azul da como resultado un halo púrpura alrededor de las luces. Este es un problema uniforme en todo el cuadro, y es más un problema en los CCD con un tamaño de píxel muy pequeño, como los que se usan en las cámaras compactas. Algunas cámaras, como la serie Panasonic Lumix y las DSLR más nuevas de Nikon y Sony, cuentan con un paso de procesamiento diseñado específicamente para eliminarlo.

En las fotografías tomadas con una cámara digital, es posible que las luces muy pequeñas parezcan tener una aberración cromática cuando, de hecho, el efecto se debe a que la imagen de luces es demasiado pequeña para estimular los tres píxeles de color y, por lo tanto, se graba 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.

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  Color que pasa por la esquina de los anteojos.

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  El fring púrpura severo se puede ver en los bordes del precipicio del caballo, la manguera y la oreja.

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  Esta foto tomada con la abertura de la lente abierta resulta en una estrecha profundidad de campo y fuerte CA axial. El colgante tiene fring púrpura en la zona cercana fuera de foco y fring verde en la distancia. Tomada con una cámara Nikon D7000 y una lente AF-S Nikkor 50mm f/1.8G.

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  Aberración cromática severa

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. Se puede reducir 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 solo a un espectro limitado).

Microscopía electrónica

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