Что такое дисторсия. Объектив: аберрация, дисперсия и дисторсия

Пусть - информация в форме, допускающей дискретизацию, имеющаяся в так называемой плоскости изображения. Произвольная точка на этой плоскости задается радиус-вектором х. Функциональная

зависимость от х записывается как

Функциональные зависимости всех других величин, заданных в плоскости изображения, представляются аналогичным образом.

Предположим теперь, что информация подвергается инвариантному во времени искажению, определяемому функцией значение функции в точке «размывается» на плоскости изображения в соответствии с видом функции Это означает, что рассматриваются только линейные искажения, так что искаженный сигнал может быть в достаточно общем виде записан следующим образом:

где через обозначен элемент площади с центром в точке (плоскости изображения), определяемой радиус-вектором В выражении (3.2) указан двойной интеграл ввиду двумерности плоскости изображения. Бесконечные пределы просто говорят о том, что интегрированием охватывается все изображение.

Если искажение имеет столь общий характер, что выражение (3.2) невозможно конкретизировать и упростить, то редко удается успешно восстановить функцию но функции Широко применимые методы восстановления и реконструкции были разработаны для пространственно-инвариантных искажений (характеризующихся тем, что размытие получается одним и тем же для всех точек х), либо для искажений. которые можно представить как пространственно-инвариантные одним из двух методов. Первый метол основан на геометрическом преобразовании изображения для перевода иространственно-зависимого искажения в пространственно-инвариантное. Во втором методе изображение с пространственно-зависимым искажением разбивается на ряд фрагментов, в каждом из которых его можно рассматривать как пространственно-инвариантное. Оба эти метода подробно рассматриваются в § 15.

Пространственная инвариантность означает, что функция, задающая искажение, имеет вид

Если функцию (3.3) подставить в выражение (3.2), то мы получим так называемый интеграл свертки. Операцию свертки будем обозначать звездочкой, поставленной в качестве знака умножения. Тогда выражение (3.2) с учетом равенства (3.3) можно записать в компактной форме

Даже если искажение является пространственно-инвариантным, не существует каких-либо априорных ограничений, налагаемых на вид ялра свертки Олнако на практике часто встречаются вполне определенные вилы этой функции, четыре из которых приведены в табл. 1.1 (см. пример 1 в конце данной главы). Линейный смаз возникает, если фотографируемый объект перемещается в процессе экспозиции по прямой линии (или же, что эквивалентно, если камера случайно качнется, а объект неподвижен). Промежуточный профиль, изображенный в табл. 1.1 в случае смаза, показывает, как движется фотографируемый объект в ходе экспозиции (резкий срез профиля на краях отвечает очень быстрому срабатыванию затвора камеры). Если высота сечения постоянна в процессе экспозиции, то такой линейный смаз называется однородным.

Другая обычная причина фотографического искажения - эффект расфокусировки. В этом случае функция имеет вид, очень близкий к кругу. (Это можно сказать из простых соображений геометрической оптики: данный круг есть пересечение плоскости изображения с конусом лучей, исходящим из дальней точки поля фотокамеры, который сходился бы в точку в плоскости изображения, если бы камера находилась в фокусе; тогда плоскость изображения была бы фокальной плоскостью.) Когда объект рассматривается через турбулентную среду при помощи оптической системы с высоким разрешением, искажение в случае короткой экспозиции (на протяжении которой состояние среды не успевает измениться) часто хорошо описывается функцией имеющей форму набора случайных импульсов. В случае же длительных экспозиций форма функции приближается к гауссовской. Хотя причины этих четырех видоп искажения могут быть самыми разными, указанные выше, пожалуй, наиболее типичны.

Обратимся теперь к процессу формирования изображений в оптической системе, отделенной от объекта искажающей средой. Мы будем предельно кратки. Подробный анализ можно найти в литературе. Указанная в § 1 произвольная точка в плоскости, на которую падает излучение, характеризуется радиус-вектором Если поле излучения в каждой точке представляет собой просто модулированное по амплитуде и фазе поле, которое существовало бы в этой точке в отсутствие искажения, то искажение называется изопланатическим. Изопланатизм - очень простое понятие, но оно имеет весьма важное практическое значение, а поэтому целесообразно дать и другое его определение. Рассмотрим луч, исходящий из произвольной точки источника излучения и приходящий в точку Будем характеризовать ослабление и задержку этого луча, отвечающие искажению, модулем и фазой комплексного числа Условием

изоиланатичности является независимость комплексного числа от т. е. равенство

Подчеркнем, что на практике при изопланатическом искажении комплексное число может сильно меняться в зависимости от точки Чем больше линейные размеры источника излучения, тем менее вероятно выполнение условия (3.5) для произвольной конкретной искажающей среды. К тому же, тобы условие (3.5) оставалось справедливым, размеры «ячеек» среды, которая вводит искажение, должны превышать некоторое минимальное значение, определяемое геометрией источника и среды. Таким образом, мы приходим к понятию участка изопланатизма. размер которого есть наибольший «эффективный размер» источника излучения. Удобно выражать размеры участка изопланатизма в угловой мере. Если во всех точках видимые угловые размеры источника излучения меньше размеров участка изопланатизма, то искажение является изопланатическим.

Обозначим поле излучения в произвольный момент времени в точке через а его фурье-образ через (§ 6). Предположим, что точка лежит в плоскости зрачка (т. е. в плоскости апертурной диафрагмы) устройства, формирующего изображение (например, телескопа, ультразвукового преобразователя, радиоантенны). Если фокальную поверхность такого устройства отождествить с плоскостью изображения, введенной в § 1, то сигнал будет «мгновенным изображением», формируемым этим устройством.

Введем теперь понятие аналитического сигнала. Эго сигнал, который не имеет отрицательных временных частот. Аналитический сигнал обязательно является комплексным, причем его мнимая часть связана преобразованием Гилъберта с его вещественной частью. За вещественную часть аналитического сигнала обычно принимают фактически измеряемый сигнал. Самый простой аналитический сигнал - экспоненциальная функция , где постоянная угловая частота, постоянная фаза. Вещественный сигнал, соответствующий этой функции, равен . В данной книге аналитические сигналы будут встречаться мало, и поэтому здесь мы не будем подробно останавливаться на них (исчерпывающее изложение теории аналитических сигналов лано в литературе, указанной в § I). Однако подчеркнем, что всюду, где будет вводиться сигнал, явным образом зависящий от времени он будет считаться комплексным и не имеющим отрицательных временных частот.

Свойства «изображения», формируемого соответствующим устройством, зависят от степени пространственной когерентности источника излучения. В формируемом изображении степень

пространстве иной когерентности находит выражение в том, как зависит от величина

где интервал времени, достаточно большой для рассматриваемого приложения. Полная когерентность имеет место, когда величина для любых двух точек х их, в которых величины конечны, тоже отлична от нуля. В случае полной пространственной некогерентности величина (3.6) равна нулю при значениях превышающих наименьший линейный размер самой малой детали, которая может быть разрешена устройством, формирующим изображение.

Отметим, что чертой над любой функцией времени в данной книге всегда обозначается усреднение по времени.

Излучение с пространственной когерентностью, промежуточной между полной и нулевой, почти не применяется, а потому далее будут рассматриваться только крайние случаи полной пространственной когерентности и полной пространственной некогерентности. Конечно, эти крайние случаи - идеализация, но на практике возможно то или иное приближение к ним. Например, это имеет место при отражении и преломлении излучений, испускаемых радио- и СВЧ-передатчиками, ультразвуковыми преобразователями и лазерами, с одной стороны, и различными естественными источниками излучения в природе - с другой. Поэтому и имеет смысл рассматривать только эти два предельных случая когерентности.

При оценке степени пространственной когерентности для удобства обычно рассматривают отдельные спектральные составляющие (изображений и излучений), считая их монохроматическими. Например, мгновенное изображение рассматривается в виде Идеальное записываемое изображение, которое мы будем обозначать символом выражается через следующим образом:

Отметим, что усреднение по времени в определении (3.7) должно проводиться по большому числу периодов центральной частоты поля, падающего на фокальную поверхность устройства, формирующего изображение. Временной интервал такого усреднения обычно составляет малую долю длительности реального процесса записи (например, экспонирования пленки, сканирования одного элемента

многоэлементного фотоприемника, получения достаточно большого сигнала СВЧ-приемника). Заметим, что миллион периодов видимого спета составляют только несколько наносекунд, а для большей части СВЧ-диапазона временной интервал в охватывает более тысячи периодов. С точки зрения обработки изображений различие между случаями пространственной когерентности и пространственеюй некогерентноети сводится к следующему:

В данной книге обработка изображений пространственно-когерентных полей не рассматривается главным образом из-за практических трудностей, связанных с реализацией «оптических» вычислений (§ 2). Далее там, где специально не оговаривается противное, предполагается, что

Если пренебречь шумом, который неизбежно вносится при записи изображений, а также считать искажение идеально изопланатичсским, функция совпадает с функцией в формуле (3.4). Это - следствие теоремы о свертке для фурье-образов (см. § 7, а также § 8, в котором далее рассматривается вопрос об изображениях пространственно-некогерентных источников). В соответствии с условием (3.9) в данной книге всюду, где специально не оговаривается противное, предполагается, что

Подчеркнем, что дифракционно-ограниченное изображение, поскольку диаметр апертуры (или зрачка) любого устройства, формирующего изображение, обязательно конечен. Если X - центральная длина волны излучения, то устройство, формирующее изображение, не может разрешить детали реальной картины источников, которые соответствуют углам, меньшим . В принципе сверхразрешение возможно, но лишь при условии, что размеры разрешаемых деталей в исходном изображении значительно превышают размер одного элемента изображения.

Искажения, обсуждавшиеся до сих пор в данном параграфе, могут компенсироваться методами, излагаемыми в гл. 3 и 6. Методы, вводимые

в гл. 7-9, пригодны как для компенсации указанных искажений, гак и для коррекции геометрических искажений и улучшения визуального качества изображений (см. соответствующие определения в § 2).

Искажения изображений возникают не только вследствие влияния среды распространения и несовершенства или неверной настройки устройства, формирующего изображение. Иногда они связаны с тем, что не допускают измерения или отсутствуют некоторые очень важные данные, как в задачах, рассматриваемых в гл. 4. В других случаях они могут быть связаны с процедурой измерений, которая, хотя в конечном счете и идеальна, вносит искажения, так что без дополнительной обработки изображения практически непригодны для использования, как в приложениях, обсуждаемых в гл. 5.

Что такое аберрация? Аберрация - это искажения фотографического изображения, образованные оптической системой. Аберрации могут быть геометрическими и хроматическими, это зависит от природы их происхождения.

Хроматические, или как их ещё называют, цветовые аберрации возникают из-за низкого качества фотографической оптики. Проще говоря, это одно из свойств объектива. Хроматическая аберрация в принципе присуща почти каждому из них. Естественно, чем ниже качество линз и вообще качество объектива, тем заметнее эти цветовые искажения на снимках. Почти на каждом снимке, который сделан недорогим фотоаппаратом, можно видеть яркую разноцветную кайму, которая обрамляет контрастные объекты. Это и есть проявление цветовой аберрации.

Хроматические или цветовые аберрации проявляются на границах контрастных элементов

Для того, чтобы свести хроматическую аберрацию к минимуму, ученые создали специальные линзы, которые называли ахроматическими. Эти линзы состоят из двух разных сортов стекла. Стекло сорта крон имеет низкий коэффициент преломления света, а стекло сорта флинт - высокий. Если правильно подобрать соотношение этих сортов, то от хроматической аберрации можно почти избавиться.

Не нужно забывать и о таком явлении, как дисперсия стекла - преломление световых лучей с различной длиной цветовой волны под разными углами.

Пожалуй, не меньше чем хроматическая аберрация, «достаёт» фотографов аберрация геометрическая. При этом явлении точки объекта, которые находятся за пределами оптической оси, отображаются на фотографии как линии или затемнения. Такое искажение называется астигматизм. При астигматизме объекты на снимке получаются изогнутыми, искривленными и даже чуть нерезкими. Надо заметить, что геометрическая аберрация, так же как и хроматическая, влияют на резкость изображения. Правда, при астигматизме это не так заметно.

Асиметрия в фотографии

Часто можно видеть, что контуры объектов на снимке получаются неестественно выпуклыми или вогнутыми. Это проявление дисторсии, одного из видов геометрической аберрации. Дисторсия бывает подушкообразной - если контуры объектов выпуклы, и бочкообразной, если контуры вогнуты. Кстати, дисторсию можно использовать в работе как один из творческих приемов.

Бочкообразная форма зданий

Дисторсия - это результат изменений линейного увеличения, которое обеспечивается оптикой, по всему полю изображения. Проще говоря, лучи света, которые проходят через центр линзы, сходятся вместе в одну точку дальше от линзы, чем лучи, проходящие через её края. Особенно ярко этот эффект заметен при съемке широкоугольными объективами. При съемке зумами проявление бочкообразной дисторсии более заметно при минимальном значении зума, а подушкообразной. При максимальном.

Для того чтобы снизить дисторсию, нужно применять асферическую оптику. В асферические оптические системы включают специальные линзы, которые имеют эллиптическую или параболическую поверхности. Благодаря этому геометрическая аберрация сводится практически к нулю. Изображение на снимке становится идеально похожим на объект съемки. Правда, стоит заметить, что эти линзы очень сложны в изготовлении и их наличие в объективе серьезно сказывается на его стоимости. Начинающих же мастеров фотографии, не имеющих таких объективов, можно утешить тем, что проявление дисторсии в той или иной степени можно скорректировать в графических редакторах.

Те геометрические аберрации, которые препятствуют созданию объективом плоского изображения, называют кривизной поля изображения. При таком виде аберрации в фокусе могут находиться или края изображения, или его центр. Для того чтобы скорректировать эту кривизну, в сборку объектива вносятся некоторые изменения. Но при этом необходимо соблюдать правило Пацвала, которое определяет качество элементов объектива. С помощью этого правила вычисляют так называемую сумму Пацвала. Если обратная величина произведения показателя преломления одного элемента и фокусного расстояния в сумме с общим числом количества элементов равна нулю, значит это элемент хороший. Стоит заметить, что способы исправления кривизны изображений по краям фотографии не были известны до середины 19 века. Но мастеров художественного фото это совершенно не смущало. Они изобрели множество способов скрыть эти искажения, например, с помощью вычурных виньеток. А портреты вставляли в овальные рамы.

Иногда на снимках возникает достаточно сложная аберрация, которую фотографы в обиходе называют комой. Речь идет о коматической аберрации. Это довольно сложная аберрация, которая влияет только лишь на световые лучи, которые проходят через объектив под углом. На фотографиях коматическая аберрация выглядит как размытость отдельных точек изображения, похожая по форме на комету. Если «хвост» кометы направлен к краю снимка - это позитивная кома, если к центру - это негативная кома. Чем ближе эта точка к краю снимка, тем это явление боле заметно. Те же световые лучи, но проходящие четко через центр объектива, коматической аберрации не подвергаются.

Многие виды геометрических аберраций можно свести к минимуму регулировкой диафрагмы. Уменьшая её отверстие, мы одновременно уменьшаем и количество лучей, которые попадают на края объектива. Однако пользоваться этим нужно с осторожностью, так как излишнее диафрагмирование может привести к росту дифракции.

Что же такое дифракция ? Дифракцией называют оптический эффект, который ограничивает детальность снимка вне зависимости от установленного разрешения изображения. Причина дифракции в том, что световой поток при прохождении через диафрагму рассеивается. Чрезмерное диафрагмирование может привести к так называемому дифракционному пределу. При стремлении увеличить глубину резко изображаемого пространства, многие фотографы закрывают диафрагму до такой степени, что достигнутая при помощи этого резкость перекрывается сглаживающим действием дифракции. Это и есть дифракционный предел. И его величину нужно знать, иначе не избежать проблем с детализацией изображения. Для расчета дифракционного предела создан специальный калькулятор, который можно легко скачать на специализированных сайтах.

Дифракция

Ну и в завершении этой статьи стоит заметить, что идеального фотографического объектива без аберраций пока еще не создано. Даже оптика самых известных и уважаемых брэндов в той или иной мере подвержена их действию. Корректировка одного вида искажений неизбежно влечет за собой увеличение действия другого. Но - человеческая мысль не стоит на месте. Возможно, когда-нибудь идеальный объектив и будет создан. Но - пока его нет. Однако, чтобы стать настоящим фотохудожником, совсем не обязательно дожидаться появления такого объектива. Нужно просто хорошо изучить возможности имеющейся у вас оптики и умело ей пользоваться. И тогда успех вам гарантирован.

© 2013 сайт

Аберрации фотографического объектива – это последнее, о чём стоит думать начинающему фотографу. Они абсолютно не влияют на художественную ценность ваших фотографий, да и на техническое качество снимков их влияние ничтожно. Тем не менее, если вы не знаете, чем занять своё время, прочтение данной статьи поможет вам разобраться в многообразии оптических аберраций и в методах борьбы с ними, что, конечно же, бесценно для настоящего фотоэрудита.

Аберрации оптической системы (в нашем случае – фотографического объектива) – это несовершенство изображения, которое вызывается отклонением лучей света от пути, по которому они должны были бы следовать в идеальной (абсолютной) оптической системе.

Свет от всякого точечного источника, пройдя через идеальный объектив, должен был бы формировать бесконечно малую точку на плоскости матрицы или плёнки. На деле этого, естественно, не происходит, и точка превращается в т.н. пятно рассеяния, но инженеры-оптики, разрабатывающие объективы, стараются приблизиться к идеалу насколько это возможно.

Различают монохроматические аберрации, в одинаковой степени присущие лучам света с любой длиной волны, и хроматические, зависящие от длины волны, т.е. от цвета.

Коматическая аберрация или кома возникает, когда лучи света проходят через линзу под углом к оптической оси. В результате изображение точечных источников света приобретает по краям кадра вид ассиметричных пятен каплеобразной (или, в тяжёлых случаях, кометообразной) формы.

Коматическая аберрация.

Кома бывает заметна по краям кадра при съёмке с широко открытой диафрагмой. Поскольку диафрагмирование уменьшает количество лучей, проходящих через край линзы, оно, как правило, устраняет и коматические аберрации.

Конструкционно с комой борются примерно так же, как и со сферическими аберрациями.

Астигматизм

Астигматизм проявляется в том, что для наклонного (не параллельного оптической оси объектива) пучка света лучи, лежащие в меридиональной плоскости, т.е. плоскости, которой принадлежит оптическая ось, фокусируются отличным образом от лучей, лежащих в сагиттальной плоскости, которая перпендикулярна плоскости меридиональной. Это, в конечном итоге приводит к ассиметричному растягиванию пятна нерезкости. Астигматизм заметен по краям изображения, но не в его центре.

Астигматизм труден для понимания, поэтому я попробую проиллюстрировать его на простом примере. Если представить, что изображение буквы А находится в верхней части кадра, то при астигматизме объектива оно бы выглядело так:

Меридиональный фокус.	Сагиттальный фокус.
При попытке достичь компромисса мы получаем универсально нерезкое изображение.	Исходное изображение без астигматизма.

Для исправления астигматической разности меридионального и сагиттального фокусов требуется не менее трёх элементов (обычно два выпуклых и один вогнутый).

Очевидный астигматизм в современном объективе указывает обычно на непараллельность одного или нескольких элементов, что является однозначным дефектом.

Под кривизной поля изображения подразумевают характерное для весьма многих объективов явление, при котором резкое изображение плоского объекта фокусируется объективом не на плоскость, а на некую искривлённую поверхность. Например, у многих широкоугольных объективов наблюдается выраженная кривизна поля изображения, в результате которой края кадра оказываются сфокусированы как бы ближе к наблюдателю, чем центр. У телеобъективов кривизна поля изображения обычно выражена слабо, а у макрообъективов исправляется практически полностью – плоскость идеального фокуса становится действительно плоской.

Кривизну поля принято считать аберрацией, поскольку при фотографировании плоского объекта (тестовой таблицы или кирпичной стены) с фокусировкой по центру кадра, его края неизбежно окажутся не в фокусе, что может быть ошибочно принято за нерезкость объектива. Но в реальной фотографической жизни мы редко сталкиваемся с плоскими объектами – мир вокруг нас трёхмерен, – а потому свойственную широкоугольным объективам кривизну поля я склонен рассматривать скорее как их достоинство, нежели недостаток. Кривизна поля изображения – это то, что позволяет получить одинаково резкими и передний, и задний план одновременно. Посудите сами: центр большинства широкоугольных композиций находится вдалеке, в то время как ближе к углам кадра, а также внизу, располагаются объекты переднего плана. Кривизна поля делает и то, и другое резким, избавляя нас от необходимости закрывать диафрагму сверх меры.

Кривизна поля позволила при фокусировке на дальние деревья получить резкими ещё и глыбы мрамора внизу слева.
Некоторая нерезкость в области неба и на дальних кустах справа меня в этой сцене мало беспокоила.

Следует, однако, помнить, что для объективов с выраженной кривизной поля изображения непригоден способ автоматической фокусировки, при котором вы сперва фокусируетесь на ближнем к вам объекте, используя центральный фокусировочный датчик, а затем перекомпоновываете кадр (см. «Как пользоваться автофокусом »). Поскольку объект при этом переместится из центра кадра на периферию, вы рискуете получить фронт-фокус вследствие кривизны поля. Для идеального фокуса придётся сделать соответствующую поправку.

Дисторсия

Дисторсия – это аберрация при которой объектив отказывается изображать прямые линии прямыми. Геометрически это означает нарушение подобия между объектом и его изображением вследствие изменения линейного увеличения по полю зрения объектива.

Выделяют два наиболее распространённых типа дисторсии: подушкообразная и бочкообразная.

При бочкообразной дисторсии линейное увеличение уменьшается по мере удаления от оптической оси объектива, в результате чего прямые линии по краям кадра изгибаются наружу, и изображение выглядит выпуклым.

При подушкообразной дисторсии линейное увеличение, напротив, возрастает с удалением от оптической оси. Прямые линии изгибаются внутрь, и изображение кажется вогнутым.

Кроме того, встречается комплексная дисторсия, когда линейное увеличение сперва уменьшается по мере удаления от оптической оси, но ближе к углам кадра снова начинает возрастать. В таком случае прямые линии приобретают форму усов.

Дисторсия наиболее выражена в зум-объективах, особенно с большой кратностью, но заметна и в объективах с фиксированным фокусным расстоянием. Для широкоугольных объективов характерна преимущественно бочкообразная дисторсия (экстремальный пример такой дисторсии – объективы типа fisheye или «рыбий глаз»), в то время как телеобъективам чаще свойственна подушкообразная дисторсия. Нормальные объективы, как правило, наименее подвержены дисторсии, но полностью исправляется она только в хороших макрообъективах.

У зум-объективов часто можно наблюдать бочкообразную дисторсию в широкоугольном положении и подушкообразную дисторсию в телеположении при практически свободной от дисторсии середине диапазона фокусных расстояний.

Степень выраженности дисторсии может также изменяться в зависимости от дистанции фокусировки: у многих объективов дисторсия очевидна, когда они сфокусированы на близлежащем объекте, но делается почти незаметной при фокусировке на бесконечность.

В XXI в. дисторсия не является большой проблемой. Практически все RAW-конвертеры и многие графические редакторы позволяют исправлять дисторсию при обработке фотоснимков, а многие современные камеры и вовсе делают это самостоятельно в момент съёмки. Программное исправление дисторсии при наличии надлежащего профиля даёт прекрасные результаты и почти не влияет на резкость изображения.

Хочу также заметить, что на практике исправление дисторсии требуется не так уж часто, ведь дисторсия бывает заметна невооружённым глазом только тогда, когда по краям кадра присутствуют заведомо прямые линии (горизонт, стены зданий, колонны). В сценах же, не имеющих на периферии строго прямолинейных элементов, дисторсия, как правило, совершенно не режет глаз.

Хроматические аберрации

Хроматические или цветовые аберрации обусловлены дисперсией света. Не секрет, что показатель преломления оптической среды зависит от длины световой волны. У коротких волн степень преломления выше, чем у длинных, т.е. лучи синего цвета преломляются линзами объектива сильнее, чем красного. Как следствие, изображения предмета, формируемые лучами различного цвета, могут не совпадать между собой, что приводит к появлению цветных артефактов, которые и называются хроматическими аберрациями.

В чёрно-белой фотографии хроматические аберрации не так заметны, как в цветной, но, тем не менее, они существенно ухудшают резкость даже чёрно-белого изображения.

Различают два основных типа хроматических аберраций: хроматизм положения (продольная хроматическая аберрация) и хроматизм увеличения (хроматическая разность увеличения). В свою очередь, каждая из хроматических аберраций может быть первичной или вторичной. Также к хроматическим аберрациям относят хроматические разности геометрических аберраций, т.е. различную выраженность монохроматических аберраций для волн разной длины.

Хроматизм положения

Хроматизм положения или продольная хроматическая аберрация возникает, когда лучи света с разной длиной волны фокусируются в разных плоскостях. Иными словами, лучи синего цвета фокусируются ближе к задней главной плоскости объектива, а лучи красного цвета – дальше, чем лучи зелёного цвета, т.е. для синего цвета наблюдается фронт-фокус, а для красного – бэк-фокус.

Хроматизм положения.

К счастью для нас, хроматизм положения научились исправлять ещё в XVIII в. путём комбинирования собирательной и рассеивающей линз, изготовленных из стёкол с разными показателями преломления. В результате продольная хроматическая аберрация флинтовой (собирательной) линзы компенсируется за счёт аберрации кроновой (рассеивающей) линзы, и лучи света с различной длиной волны могут быть сфокусированы в одной точке.

Исправление хроматизма положения.

Объективы, в которых исправлен хроматизм положения, называются ахроматическими. Практически все современные объективы являются ахроматами, так что о хроматизме положения на сегодняшний день можно спокойно забыть.

Хроматизм увеличения

Хроматизм увеличения возникает за счёт того, что линейное увеличение объектива различается для разных цветов. В результате изображения, формируемые лучами с различной длиной волны, имеют немного разные размеры. Поскольку изображения разного цвета отцентрированы по оптической оси объектива, хроматизм увеличения отсутствует в центре кадра, но возрастает к его краям.

Хроматизм увеличения проявляется на периферии снимка в виде цветной каймы вокруг объектов с резкими контрастными краями, такими как, например, тёмные ветви деревьев на фоне светлого неба. В областях, где подобные объекты отсутствуют, цветная кайма может быть незаметной, но общая чёткость всё равно падает.

При конструировании объектива хроматизм увеличения исправить значительно труднее, чем хроматизм положения, поэтому эту аберрацию можно в той или иной степени наблюдать у весьма многих объективов. Этому подвержены в первую очередь зум-объективы с большой кратностью, особенно в широкоугольном положении.

Тем не менее, хроматизм увеличения не является сегодня поводом для беспокойства, поскольку он достаточно легко исправляется программными средствами. Все хорошие RAW-конвертеры в состоянии устранять хроматические аберрации в автоматическом режиме. Кроме того, всё больше цифровых фотоаппаратов снабжаются функцией исправления аберраций при съёмке в формате JPEG. Это означает, что многие объективы, считавшиеся в прошлом посредственными, сегодня с помощью цифровых костылей могут обеспечить вполне приличное качество изображения.

Первичные и вторичные хроматические аберрации

Хроматические аберрации подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные хроматические аберрации – это хроматизмы в своём исходном неисправленном виде, обусловленные различной степенью преломления лучей разного цвета. Артефакты первичных аберраций окрашены в крайние цвета спектра – сине-фиолетовый и красный.

При исправлении хроматических аберраций хроматическая разность по краям спектра устраняется, т.е. синие и красные лучи начинают фокусироваться в одной точке, которая, к сожалению, может не совпадать с точкой фокусировки зелёных лучей. При этом возникает вторичный спектр, поскольку хроматическая разность для середины первичного спектра (зелёных лучей) и для его сведённых вместе краёв (синих и красных лучей) остаётся не устранённой. Это и есть вторичные аберрации, артефакты которых окрашены в зелёный и пурпурный цвета.

Когда говорят о хроматических аберрациях современных ахроматических объективов, в подавляющем большинстве случаев имеют в виду именно вторичный хроматизм увеличения и только его. Апохроматы, т.е. объективы, в которых полностью устранены как первичные, так и вторичные хроматические аберрации, чрезвычайно сложны в производстве и вряд ли когда-нибудь станут массовыми.

Сферохроматизм – это единственный заслуживающий упоминания пример хроматической разности геометрических аберраций и проявляется как едва заметное окрашивание зон вне фокуса в крайние цвета вторичного спектра.

Сферохроматизм возникает из-за того, что сферическая аберрация, о которой говорилось выше , редко бывает в равной степени скорректирована для лучей разного цвета. В результате пятна нерезкости на переднем плане могут иметь лёгкую пурпурную кайму, а на заднем плане – зелёную. Сферохроматизм в наибольшей степени свойственен светосильным длиннофокусным объективам, при съёмке с широко открытой диафрагмой.

О чём стоит беспокоиться?

Беспокоиться не стоит. Обо всём, о чём следовало побеспокоиться, разработчики вашего объектива, скорее всего, уже побеспокоились.

Идеальных объективов не бывает, поскольку исправление одних аберраций ведёт к усилению других, и конструктор объектива, как правило, старается найти разумный компромисс между его характеристиками. Современные зумы и так содержат по двадцать элементов, и не стоит усложнять их сверх меры.

Все криминальные аберрации исправляются разработчиками весьма успешно, а с теми, что остались легко поладить. Если у вашего объектива есть какие-то слабые стороны (а таких объективов – большинство), научитесь обходить их в своей работе. Сферическая аберрация, кома, астигматизм и их хроматические разности уменьшаются при диафрагмировании объектива (см. «Выбор оптимальной диафрагмы »). Дисторсия и хроматизм увеличения устраняются при обработке фотографий. Кривизна поля изображения требует дополнительного внимания при фокусировке, но тоже не смертельна.

Иными словами, вместо того чтобы обвинять оборудование в несовершенстве, фотолюбителю следует скорее начать совершенствоваться самому , досконально изучив свои инструменты и используя их в соответствии с их достоинствами и недостатками.

Спасибо за внимание!

Василий А.

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект , внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

Вы считаете, что мой дорогой объектив не идеален?

Все объективы имеют оптические дефекты, поэтому они создают образы, которые не являются совершенными копиями фотографируемых предметов. Но производители упорно пытаются создать безупречную оптику, не смотря на то, что пока не существует способа изготовления объектива, который не страдал бы в какой-то степени от искажений и хроматических аберраций.

Если я куплю более дорогой объектив, то буду получать менее искаженную картину?

Стоимость не обязательно является показателем качества. Количество искажений в объективе в значительной степени зависит от типа объектива и его конструкции. Цена играет роль, но не менее важны такие факторы, как фокусное расстояние.

Например, чем шире угол объектива, тем труднее прямой линии не оказаться изогнутой. Уменьшение фокусного расстояния также способствует искажению, потому что невозможно корректировать аберрации при каждом фокусном расстоянии.

Никто не утверждает, что премьер-объектив безупречен, но чем больше диапазон зума, тем более заметны становятся эти искажения.

Я никогда не замечал никаких проблем со своим объективом.

И это вполне может быть правдой для многих потребителей. Дело в том, что строение объективов за последние годы значительно улучшилось. Стремительная эволюция новейших цифровых датчиков с высокой точностью ускорила и прогресс в конструкции объектива. Сочетание мощного сенсора с качественным объективом сводит искажения к минимуму, но они все же остаются.

Неужели раньше не было такого качества?

Это бесспорно. Но есть проблемы, которые не утратили своей актуальности. Например, потемнение в углу изображения по-прежнему остается неразрешимой задачей в современной фотографии, так же, как это было во времена зарождения фотоискусства. Этот эффект, называемый виньетированием, не настолько настойчиво проявляется в наши дни, но все же имеет место. Мы действительно вынуждены констатировать, что фотографии немного темнее по краям, но не значительно. Так что даже не все это замечают, а некоторые преднамеренно делают темные углы, используя Photoshop для усиления эффекта.

Сфотографируйте равномерно освещенную белую поверхность и внимательно посмотрите на нее на мониторе вашего компьютера. Вы сможете разглядеть едва заметную яркость в центре и затенение в углах. Этот эффект потемнения может быть устранен с помощью пользовательских настроек, которые предусмотрены в некоторых камерах, либо с помощью стандартного программного обеспечения для редактирования изображений.

Сколько есть различных типов оптических искажений?

Существуют десятки этих дефектов, в том числе астигматизм, но есть два-три, на которые стоит обратить особенное внимание.

Начнем с самых простых для понимания

Начнем с криволинейных искажений. Они бывают нескольких различных типов, но самое распространенное, это бочкообразное искажение. Легко возникает при использовании ультра-широкоугольного объектива, и вызывает выпуклость прямых линий. Этот эффект еще более очевиден при съемке объективом «рыбий глаз», где такие деформации остаются неисправленными, так как дизайнеры стремятся к ним преднамеренно. Они используют этот прием, чтобы получить как можно более широкое поле зрения.

Какие еще существуют криволинейные искажения?

Подушкообразное искажение часто возникает при использовании длинных телеобъективов. Линии при этом становятся вогнутыми. Эффект, как правило, едва заметен, если вы фронтально фотографируете прямоугольный предмет. Некоторое масштабирование способно спровоцировать признаки искажений, где изображение может показаться подушкообразным или бочкообразным.

Чего еще я должен остерегаться?

Самая большая проблема в фотографии с современной зеркальной фотокамерой это хроматические аберрации. Поскольку мы изменяем масштаб во время съемки, то на изображениях возникает цвет окантовки, особенно в тех местах кадра, где имеется большой цветовой контраст. Для пленочного фотоаппарата такое искажение не настолько характерно и могло проявиться лишь при сильном увеличении снимка.

Где я, скорее всего, увижу хроматические аберрации?

Это свойственно объективам всех фокусных расстояниях, но более выраженным будет на максимальном фокусном расстоянии, причем с недорогой моделью. Также стоит взглянуть на тесты этого явления, проведенные с разными объективами, потому что хроматические аберрации для некоторых моделей характерны в большей степени, чем для других. Вы обнаружите их по краям предметов, а также вдоль края изображения. Проще всего увидеть их там, где у вас есть белая линия, пересекающая темную область, например, оконная рама.

Что я могу с этим сделать?

Да, вы можете исправить это во время редактирования. Даже, ваша камера может поставляться с программой, которая поможет вам решить такую проблему. Photoshop CS имеет несколько хороших инструментов для минимизации влияния аберраций на ваши фотографии. Пользователям Elements 8 меньше повезло, но отдельные коррекции искажения все же доступны. Неплохо подходит PTLens и стоит всего $ 25.

Виды искажений объектива

Ниже приведены примеры самых распространенных видов искажений объектива иллюстрирующие, как они влияют на ваши композиции.

Бочкообразное искажение

Бочкообразное искажение создает образ, в котором линии отклоняются наружу к краям (выпуклость). Что делает прямоугольники бочкообразными.

Подушкообразное искажение

Подушкообразное искажение создает вогнутость линии к центру. Прямоугольники выглядят, как контуры подушки.

Хроматическая аберрация

Хроматическая аберрация (или ахроматизм) обычно наблюдается в виде цветной окантовки. Она создает на линии и по краям в изображении не характерный для оригинала цвет.

Виньетирование

Все типы объективов создают образ, который темнее по краям, чем в центре. Такое явление известно как виньетирование, и может быть намеренно использовано как стилистический прием.

Без искажений

Нет искажений объектива. Все линии прямые, как в реальности. Здесь нет затемнения по краям, и все цвета сосредоточены в одной точке.

Почему возникают хроматические аберрации?

Цель объектива - преломлять свет, направлять прямой путь лучей в сторону датчика.

К сожалению, световые волны различной длины, поэтому преломляются не в одной точке, а это означает, что путь красного цвета поворачивается на угол, отличный от синего цвета, который также не совпадает с преломлением зеленого цвета.

Затем различные цвета сосредотачиваются в различных точках, так что это создает цветную окантовку.

Производители объективов на многое идут, чтобы свести к минимуму влияние этого неизбежного закона физики. Некоторые элементы объектива используются в комбинации для устранения, возникающих аберраций.

Есть два типа хроматической аберрации. Траверс (боковая) хроматическая аберрация, которая создает цветную окантовку. Она вызвана тем, что увеличение изображения изменяется в зависимости от длины волны.

Продольная (осевая) хроматическая аберрация вызывается волнами различной длины, сосредоточенными на различных расстояниях.

Дисторсия (от distorsio лат. - искривление) - это оптическое искажение пространства. Наиболее характерно дисторсия проявляется при использовании широкоугольных объективов. Бывает дисторсия трех видов: бочкообразная (выпуклая), подушкообразная (вогнутая) и перспективная .

Подушкообразная дисторсия характерна для широкого угла. На телеобъективах она отсутствует, но зато может проявляться подушкообразная дисторсия (обычно от фокусного расстояния 200 мм и выше). Портретные и штатные объективы (например, 85 мм и 50 мм) наименее подвержены эффекту дисторсии, там она практически не заметна. Так что корректировать дисторсию чаще всего надо при съемке на широкоугольные объективы.

Когда дисторсия наиболее заметна?

Когда в кадре присутствуют прямые линии по всей его площади. К примеру, при съемке архитектуры широкоугольным или сверх-широкоугольным объективом вам непременно нужно будет заняться коррекцией дисторсии подушкообразной. А если точка съемки была низкой - то привет, дисторсия перспективная!*

Однако, есть в этом и позитивные моменты. Как я уже говорил ранее, кадры, сделанные сверх-широкоугольными объективами (т.н. «рыбий глаз») имеют ярко выраженные оптические дисторсии. Но в данном случае это не минус, а плюс объектива, его сильная сторона и этим он так ценится в фото-сообществе. Уверяю вас, никакой штатник, портретник и тем более телевик не смогут дать такого яркого вау-эффекта, когда охватывается пространство на все 180 градусов! И это, кстати, еще не предел для фишая! Существуют экземпляры, позволяющие за одно срабатывание затвора сделать фото на 270 градусов! Хотя, конечно, у каждого объектива есть свое предназначение и свои сильные стороны, определенный шарм у фишаев все же имеется:)

Коррекция дисторсии

К счастью, в случае необходимости, каждое из перечисленных выше искажений можно исправить. В пейзажной фотографии, кстати, дисторсии менее заметны, чем, например, фото архитектуры, изобилующее вертикальными линиями.

В качестве примера берем фото с бочкообразной дисторсией, на котором есть оба вида линий (горизонтальные и вертикальные), это наилучшим образом продемонстрирует эффективность инструментария Lens Correction. Если вы прочитали профиль на иллюстрации справа, то уже знаете, что фотография снята «сладкой парочкой» - полнокадровым фотоаппаратом и фишай-объективом.

Для начала исправим дисторсию - применим профиль и более точно откорректируем результат слайдером. Как видите, мы помахали ручкой бочкообразной дисторсии. Осталось выровнять горизонтальные и вертикальные линии.

Также здесь можно исправлять перспективные искажения. Для этого воспользуемся слайдерами, отвечающими за соответствующую коррекцию. А выстроить правильную геометрию кадра поможет специальная сетка (появляется по нажатию клавиши V). На иллюстрации вы видите, что вертикальная дисторсия уже исправлена.

Итак, все линии выстроены практически идеально (на иллюстрации используемые слайдеры отмечены). Из-за того, что мы исправляли бочкообразную дисторсию, у нас в нижней части кадра по центру произошла незначительная потеря информации. Поэтому финальный штрих - кадрирование (шестой инструмент в верхнем левом углу иллюстрации). Чтобы автоматически скадрировать, оставив все полезное пространство и исключить «съеденное» - ставим галочку напртив функции Constrain to Image (см. иллюстрацию).

Недостатки коррекции дисторсии

В результате коррекции искажений может потребоваться обрезание (кадрирование) изогнутых краев исправленного кадра, это может повлиять на композицию. Коррекция также перераспределяет разрешение изображения: при подушкообразной дисторсии после коррекции может подняться резкость по краям кадра по отношению к центру. При исправлении бочкообразной дисторсии - наоборот, резкость по краям кадра может упасть.

*Перспективная дисторсия технически не является искажением, поскольку она - естественное проявление передачи объективом трехмерного пространства. Наш мозг в свою очередь «знает», как правильно выглядят объекты в реальности, и следовательно, воспринимает сходящиеся линии на фото (в тех случаях, когда они должны быть параллельны), как не соответствующие действительности. Для корректного отображения перспективы используются специальные tilt/shift объективы, в которых свойства наклона /сдвига линз позволяют исключить появление перспективной дисторсии.

Вот мы и рассмотрели основные недостатки фотографической оптики и научились, как избежать их появления. А также овладели методами их нейтрализации при появлении на снимках.

Надеюсь, теперь ваши фотографии станут еще лучше. По крайней мере, в техническом плане стать таковыми они просто обязаны!

Юрий Кривенко , специально для funPhoto.ua