Аберрация – это погрешность изображения, которое передается оптическими системами: линзами, объективом и т. д. При неправильном прохождении лучей объекта через оптическую плоскость, возникают искажения линий, размытость, изменение цвета. На появление аберрации не влияет качество материала, из которого сделана оптическая система. Дефекты возникают при ошибке в проектировании либо изготовлении оптики.
Типы аберрации
Различают два основных вида аберраций: хроматические и монохроматические.
Сферическая аберрация
При прохождении через линзу происходит преломление излучения. Причем по краю это происходит сильнее, чем по центру или ближе к нему. Искажение объекта происходит в центральной и части и по краям, без изменений в ореоле.
Подобному явлениючаще подвержены сферические, выпуклые линзы. Уменьшить проявление такого аберрации позволяет исключение, блокирование краев, сочетание вогнутых и выпуклых линз либо применение менисков.
Коматическая аберрация возникает при прохождении световых лучей через оптику под углом. Вследствие преломления на выходе лучи не сходятся в одну точку, образуя размытый световой хвост в виде кометы. При позитивной (положительной) коме размытость исходит от центра объекта, а при негативной (отрицательной) – наоборот, к центру.
Чем дальше лучи проходят от центральной части оптической системы, тем сильнее проявляется коматическая аберрация. При прохождении через сам центр изображение практически не подвергается изменениям.
Астигматизм
При астигматизме аберрация проявляется по краям изображения и не влияет на картинку в центре. Он присущ оптическим системам любого качества. Разница лишь в степени проявления и коррекции.
Искажение картинки возникает из-за того, что во время прохождения через тангенциальную и сагиттальную плоскости оптики, происходит фокусировка лучей в разных местах. Происходит преображение точечного источника света в линии.
Кривизна поля
Это неизбежная и естественная аберрация при использовании оптических систем. Любые изогнутые линзы по своей природе не могут проецировать плоские лучи. Кривизна проявляется по краям изображения. Уменьшить ее можно за счет комбинации менисков, выпуклых и вогнутых линз.
Дисторсия
Это искажение геометрических форм оригинального изображения при прохождении через оптическую систему. Чаще всего геометрическая аберрация или дисторсия проявляется в виде подушкообразного либо бочкообразного искажения прямых линий. Реже встречается в виде усов и волнообразная, сочетающая подушкообразную и бочкообразную.
Степень дисторсии может меняться в зависимости от расстояния. Чем дальше находится оптическая диафрагма от линзы, тем сильнее проявляются геометрические искажения.
Аберрации в оптических системах невозможно полностью устранить. Можно лишь минимизировать степень их проявления, используя для изготовления оптики материалы и технологии с повышенными техническими требованиями.
Если вы носите очки или линзы, вы наверняка уже слышали слово «аберрации» и даже сталкивались с этим явлением на собственном опыте. Что же такое аберрации и можно ли обойтись без них? Рассказываем о новом диагностическом приборе для подбора очков без аберраций. С примерами из жизни!
Интерес к теме аберраций у меня возник после обследования на совершенно уникальном «космическом» приборе, который называется DNEye-сканер. Таких всего три в нашей стране, в частности, в Москве он пока один-единственный. Во время диагностики мое сознание уцепилось за фразу специалиста: «Он учитывает аберрации высшего порядка». Тогда и родилась идея этой статьи.
Что такое аберрации
Рассмотрим подробнее аберрации высшего порядка – те самые, которые DNEye-сканер считывает:
Виды аберраций
Аберрации высшего порядка появляются из-за неправильной кривизны роговицы и хрусталика, травмы, рубцов, сухости глаз, увеличенного размера зрачка – это все аберрации глаза. Ошибки и погрешности изображения также могут формироваться непосредственно очками или контактными линзами – их называют аберрации оптических систем.
Выделяют монохроматические и хроматические аберрации. Перечислим их для общего представления.
Монохроматические аберрации делятся на:
Хроматические аберрации – это цветовые искажения, ореол или цветные контуры вокруг предметов, «эффект радуги».
В реальной жизни наблюдается сочетание всех аберраций и деление их на виды условно, для облегчения диагностики.
Некоторые виды аберраций
Признаки и симптомы аберраций
Встречаются следующие жалобы при аберрациях:
Диагностика
Теперь, когда мы разобрались с понятием и симптомами аберраций высшего порядка, вернемся к DNEye-сканеру. Все новое вызывает живой интерес. А про сканер известно, что он отличается от всех других видов компьютерной диагностики зрения, потому что измеряет параметры по 1500 точек. Для сравнения:
авторефрактометр считывает параметры только по 10 точкам.
В DNEye-сканере работает лазер. В авторефрактометре – инфракрасный луч.
Итак, на сканере лазер через 1500 отверстий строит с высочайшей точностью модель глаза! На основании этих измерений получается очковая линза с точностью до 0,01 диоптрии.
Отзывы клиентов
Руслан Качанов, управляющий, 32 года
Елена Валерьевна Гришина, оптометрист
Консультанты все понятно объяснили, оформили, проверили на оборудовании – DNEye. Я такого, конечно, никогда еще не видела, новейшее, супер-современное! Очень понравилось, что работали два врача. Меня проверяла Елена Вильгельмовна Нам с моим сложным зрением и большой разницей между глазами. Когда пришли другие посетители, работу со мной подхватила Оксана Андреевна Гаврилова. И это отлично, когда все рядом, слышат друг друга и могут продолжить работу, начатую коллегой. Командная слаженная работа чувствуется во всем салоне в целом.
Яна Сажнева, управляющая, 37 лет
Изначально я посетила салон на Тишинке в начале апреля, проверила зрение у Елены Вильгельмовны, она, как всегда, очень трепетно и ответственно к этому подошла!
Коллективу салона Тишинка огромное спасибо, они большие молодцы, взяли на себя ответственность за работу с таким уникальным оборудованием! Я считаю, что справились с работой на нем на 5, по крайней мере, со мной.
Андрей Крохмальный, директор по персоналу
Впечатления о прохождении диагностики на DNEye фееричные! И интересно одновременно и познавательно. Понимаю, что техника не стоит на месте, растет вместе с нами. Визуализация на экране впечатляет, не все сразу понятно, но то, что не совсем понял, выяснил у врача после диагностики. В результате купил прогрессивные очки. Получил и уже ношу. Первый опыт использования на обучении сотрудников в аудитории. И лица видно хорошо, и записи можно почитать на листе. Большое спасибо за Заботу! Доволен и ценой, и качеством зрения!
Юлия Чернышева, менеджер
Шпальтер Наталья, работник розничной торговли
Подведем итоги:
Все глаза имеют, по крайней мере, некоторую степень аберраций высшего порядка. Эти аберрации теперь можно учесть во время диагностики на новейшем оборудовании Rodenstock. В результате получатся очки с точностью до 0,01 диоптрии и остротой зрения 1 в любой точке.
Судя по отзывам, люди очень довольны новыми очками, подобранными с помощью DNEye-сканера! Приходите и вы!
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.
Особняком стоит дифракция, которую хоть и можно отнести к аберрациям объектива, однако в силу её фундаментального характера и принципиальной неустранимости обычно рассматривают отдельно от прочих аберраций.
Монохроматические аберрации
В 1857 г. немецкий математик и астроном Филип Людвиг Зейдель выявил и математически описал пять т.н. монохроматических аберраций третьего порядка. Вот они:
Настоящая статья написана для фотографов, а не для математиков, а потому нас, прежде всего, интересует не то, какие формулы описывают каждую из аберраций, а то, как аберрации проявляют себя в практической фотографии.
Рассмотрим их по порядку.
Сферическая аберрация
Особенность сферической линзы такова, что лучи света, проходящие через линзу вблизи её края, преломляются сильнее, чем лучи, проходящие через центр. Объясняется это тем, что исходно параллельные лучи света падают на сферическую поверхность линзы под разными углами. Чем дальше лежит путь луча от оптической оси объектива, тем больше угол его падения, и тем сильнее он преломляется. В конечном итоге это приводит к невозможности сфокусировать точку иначе как в виде размытого по краям пятна, и всё изображение оказывается нерезким.
Ход световых лучей в идеальной линзе.
Ход лучей при сферической аберрации.
Диафрагмирование объектива заметно уменьшает сферическую аберрацию, поскольку при уменьшении отверстия диафрагмы отсекается часть лучей, проходящая через край линзы, а оставшиеся вблизи оптической оси лучи формируют более резкое изображение.
При конструировании объективов сферические аберрации устраняются комбинированием положительных и отрицательных линз, а также применением специальных асферических элементов, т.е. линз, преломляющая поверхность которых имеет асферическую форму, с тем расчётом, чтобы, вне зависимости от удалённости лучей света от оптической оси объектива, все они преломлялись по возможности одинаково, и таки сходились при фокусировке в одну точку. Чрезмерное исправление сферических аберраций, кстати, также ни к чему хорошему не приводит: пятно рассеяния становится ярче по краям, нежели в центре, что проявляется в виде кольцеобразного боке.
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.
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:
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.
Кривизна поля изображения
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.
Это не Земля закругляется, а обычная бочкообразная дисторсия.
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.
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.
Этот фрагмент фотографии иллюстрирует хроматизм увеличения. Наведите курсор для сравнения с программно исправленым вариантом.
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
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!
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.
Аберрация – это погрешность изображения, которое передается оптическими системами: линзами, объективом и т. д. При неправильном прохождении лучей объекта через оптическую плоскость, возникают искажения линий, размытость, изменение цвета. На появление аберрации не влияет качество материала, из которого сделана оптическая система. Дефекты возникают при ошибке в проектировании либо изготовлении оптики.
Аберрация – это погрешность изображения, которое передается оптическими системами: линзами, объективом и т. д. При неправильном прохождении лучей объекта через оптическую плоскость, возникают искажения линий, размытость, изменение цвета. На появление аберрации не влияет качество материала, из которого сделана оптическая система. Дефекты возникают при ошибке в проектировании либо изготовлении оптики.
