Оптические аберрации
В этой статье мы продолжаем изучать различные виды Оптических аберраций, включая Хроматическую аберрацию, Кривизну поля, Искажение и Астигматизм, в продолжение обсуждения в нашей предыдущей статье о Сферических аберрациях и Коме.
В оптике аберрации — это свойства оптической системы, такой как линзы, которые вызывают рассеивание света, который должен был бы сфокусироваться (сойтись или разойтись) в одну точку в идеальной модели параксиальной оптики. Это можно рассматривать как отклонение характеристик оптической системы от теоретических предсказаний параксиальной оптики. Оптические аберрации приводят к размытости и искажению изображений, а также к ухудшению их качества. Следует отметить, что аберрации являются неотъемлемой частью механизма формирования изображения через преломление и отражение света. Даже если бы линзы были идеальными с точки зрения геометрической формы, качества поверхности и центрирования на оптической оси, изображение всё равно подвергалось бы аберрациям, которые становятся значительными по мере того, как диафрагма и поле отклоняются от бесконечно малых значений. Причина существования аберраций заключается в том, что простая параксиальная модель не является точной и безупречной моделью реальных условий формирования изображения через оптическую систему.
Оптические аберрации можно разделить на монохроматические аберрации, которые также известны как аберрации Зейделя, названные в честь Филиппа Людвига фон Зейделя, немецкого математика, который первым описал их метод расчета в 1857 году; и хроматические аберрации. Существует пять аберраций Зейделя. Три из них — сферическая аберрация, кома и астигматизм — вызывают основное ухудшение качества изображения, делая его размытым. Оставшиеся две — кривизна поля Пецваля и дисторсия — изменяют геометрию изображения.
Вы также можете узнать больше об основах оптики в нашей серии материалов:
Основы оптики: Что такое FOV (Поле зрения)
Основы оптики: Природа света и оптические элементы
Хроматическая аберрация:
Хроматическая аберрация — это тип аберрации, возникающий при попадании хроматического источника света в объективы.
Явление хроматической дисперсии является причиной хроматической аберрации. Как показано на рисунке 1 ниже, когда белый свет проходит через призму, он разлагается на различные цвета. Причина этого разложения заключается в том, что длины волн различных цветов разные, а показатель преломления света с разными длинами волн тоже различен. Это означает, что свет с короткой длиной волны имеет высокий показатель преломления, а свет с длинной длиной волны — низкий.
Рисунок 1. Хроматическая дисперсия в треугольной призме. Луч белого светового источника разделяется на полихроматические лучи.
Объективы также производят то же явление, что и призмы (см. рисунок 2). Поскольку красный свет имеет низкий показатель преломления, а синий — высокий, после прохождения через объектив фокус красного света будет позади, а фокус синего — впереди (по отношению к идеальной фокусной точке). Это отклонение от предсказанной фокусной точки называется хроматической аберрацией. Это означает, что луч белого света, исходящий из точечного источника света и достигающий пленки или сенсора изображения, не может быть изображен как точка, а как цветное пятно, состоящее из разных цветов.
Существует два типа хроматической аберрации: Осевая хроматическая аберрация и Хроматическая аберрация увеличения. Осевая хроматическая аберрация относится к явлению хроматической аберрации, возникающему из-за различий в фокусном положении на оптической оси для разных длин волн; хроматическая аберрация увеличения относится к изменению бокового положения цвета изображения на плоскости изображения, перпендикулярной оптической оси, в результате различий в длине волны вокруг плоскости изображения. Это аберрация вне оси, которая увеличивается с угловым полем зрения (Нажмите на ссылку, чтобы узнать, что такое Поле зрения).
Рисунок 2. Хроматические аберрации в оптическом объективе.
Осевая хроматическая аберрация связана с фокусным расстоянием изображения, вызывая разделение цветов или ореолы; в то время как хроматическая аберрация увеличения связана с величиной плоскости изображения, вызывая цветовые сдвиги вокруг экрана, формируя диффузные цветные контуры, что называется явлением обводки. Хроматическая аберрация влияет на цветопередачу изображений на цветной пленке, а также снижает разрешение изображений, сделанных на черно-белой пленке.
Общий способ коррекции осевой хроматической аберрации заключается в использовании ахроматической двойной линзы, построенной из линз с разными показателями преломления/индексами дисперсии, так что их хроматические аберрации взаимно компенсируют друг друга. Линзовая группа часто состоит из положительной коронной линзы и отрицательной линзы из флинта. Сходящаяся коронная линза имеет низкий показатель преломления и небольшую дисперсию, в то время как расходящаяся линза из флинта имеет высокий показатель преломления и большую дисперсию.
Коррекция хроматической аберрации увеличения сложнее, чем коррекция осевой хроматической аберрации, и её ухудшающее воздействие на качество изображения увеличивается с увеличением фокусного расстояния и не уменьшается с уменьшением диафрагмы. Эффективной мерой коррекции хроматической аберрации увеличения является использование линз, изготовленных из аномального/ультранизкодисперсионного оптического стекла.
Кривизна поля:
Кривизна поля, также известная как «Кривизна поля» или «Петцвалевская кривизна поля», является распространенной оптической проблемой. Это явление, при котором объектная плоскость, перпендикулярная основному оптическому оси, не может сформировать плоское изображение, а вместо этого предполагаемая плоская область изображения изогнута внутрь в кривую, похожую на чашу. Последствием кривизны поля является то, что плоская объектная фракция кажется резкой в определенных частях кадра, вместо того чтобы быть резкой по всему кадру пленки. Причина в том, что из-за кривизны оптических элементов фактически существует две плоскости изображения: основная плоскость изображения — это фокусная плоскость поперечной касательной линии, а вторая, нижняя плоскость изображения — это фокусная плоскость радиальной линии. Оптические линзы проецируют изображение кривым образом, а не плоским.
Следовательно, все оптические линзы имеют основную кривизну поля, которая является функцией показателя преломления линзовых элементов и их кривизны поверхностей. При съемке с использованием линзы с кривизной поля, когда фокус линзы находится в центре кадра, центр будет четким, а окружающие области будут размыты. И наоборот, когда фокус линзы находится на окружности, центр становится размытым. Наиболее резкое изображение можно получить только на изогнутой фокусной поверхности, а не на плоской фокусной плоскости. Если геометрия плоскости изображения не соответствует этой изогнутой фокусной поверхности, размытие изображения неизбежно. Таким образом, невозможно получить изображение, которое было бы четким в центре и по краям на плоской изображающей поверхности. Поэтому в некоторых специализированных камерах пленка помещается в арочную позицию специально для уменьшения изображения кривизны поля. Это также объясняет, почему при съемке с использованием широкоугольных объективов сенсор камеры размещает объекты в арочной форме для улучшения качества изображения периферийного поля зрения, поскольку кривизна поля широкоугольного объектива больше, чем у других объективов.
Рисунок 3. Кривизна поля
Искажение:
Искажение — это изменение увеличения с углом поля зрения, вызывающее изменение формы изображения в зависимости от реального объекта. Искажение не влияет на качество изображения, но исключительно на сходство изображения с объектом.
Из-за искажения прямая линия на объектной плоскости становится кривой на плоскости изображения, что приводит к «ложному» изображению. Искажение не связано с относительным числом диафрагмы, но связано с углом поля зрения объектива. Поэтому особое внимание следует уделить влиянию искажения при использовании широкоугольных объективов.
Искажение можно рассматривать как отклонение от идеальной модели проекции через маленькое отверстие. В проекции через отверстие увеличение объекта обратно пропорционально его расстоянию от камеры вдоль оптической оси, так что камера, направленная прямо на плоскую поверхность, воспроизводит эту плоскую поверхность. Искажение можно представить как неравномерное растяжение изображения.
Искажение можно разделить на два типа: Бочкообразное искажение и Подушечное искажение. Бочкообразное искажение — это ситуация, когда изображение увеличивается в центре вокруг оптической оси сильнее, чем на периферии. Подушечное искажение — это обратное бочкообразному искажению, которое происходит, когда коэффициент увеличения по краям экрана изображения больше, чем в центре. Бочкообразное искажение обычно встречается в широкоугольных и рыбьих глазах объективах, в то время как подушечное искажение часто возникает при длинных фокусных расстояниях.
Рисунок 4. Бочкообразное искажение и подушечное искажение.
Один объектив не имеет искажения для всех расстояний до объекта, но искажение будет обязательно введено, если диафрагма установлена перед или за тонким объективом. Искажение не будет введено, если установить диафрагму непосредственно на объективе. В успешной конструкции камеры диафрагма часто размещается между двумя или более почти симметричными группами линз, что позволяет скорректировать часть искажения вместе с астигматизмом. Также существуют несколько алгоритмов, направленных на исправление искажений, таких как findChessboardCorners, calibrateCamera, initUndistortRectifyMap, remap и другие. Эти алгоритмы используются совместно. Процесс коррекции заключается в преобразовании специальной точки объекта из системы координат мира в систему координат камеры, затем в проекцию на систему координат изображающей плоскости, и наконец, данные на изображающей плоскости преобразуются в систему координат графических пикселей.
Аstigmatism:
Аstigmatism возникает, когда точка объекта не находится на оптической оси оптической системы, и луч, который она излучает, имеет угол наклона относительно оптической оси. Аstigmatism отличается от Комы. Это off-axis аберрация, описывающая дефект изображения бесконечно узких лучей и связана только с угловым полем зрения. Величина проекции расстояния между сходящейся точкой меридианного узкого луча и сходящейся точкой сагиттального узкого луча на оптической оси является величиной астигматизма.
Что касается всего узкого луча, то на меридианном фокусе получается короткая линия, перпендикулярная меридианной плоскости, которая называется Меридианальной фокальной линией; короткая линия, перпендикулярная меридианной фокальной линии и расположенная в сагиттальном фокусе, получается на меридианной плоскости и называется Сагиттальной фокальной линией. В других положениях сечение луча представляет собой эллиптическое диффузное пятно; в средней позиции между двумя фокальными линиями сечение луча представляет собой круговое диффузное пятно, и луч с такой структурой называется астигматическим, а этот дефект изображения называется астигматизмом.
Из-за наличия астигматизма качество изображения в области вне оси значительно снижается. Даже если диафрагма будет очень маленькой, получить очень четкие изображения в меридианальном и сагиттальном направлениях одновременно невозможно. Размер астигматизма зависит только от углового поля зрения, а не от размера диафрагмы. Поэтому астигматизм более выражен в широкоугольных объективов, и при съемке объект следует располагать как можно ближе к центру кадра.
Related Articles
Tags: Основы оптики: хроматическая аберрация, искривление поля, дисторсия, астигматизм.