Хроматические аберрации

О семи аберрациях простыми словами

Материал рассчитан в первую очередь на тех, кто стремится понять, как работают объективы. С практической точки зрения (насколько можно приблизиться к «практичности» в такой теме), знание природы различных оптических аберраций подскажет, почему для многих объективов настолько критичны открытая диафрагма и края кадра, а подавляющее большинство резко по центру кадра на F/8, что уже можно применять на практике.

Объектив в разрезе

Предисловие

Простой вопрос: зачем в современных объективах десять и более элементов в нескольких группах, а каждое описание объектива обязательно содержит его оптическую схему и упоминание о присутствующих в ней специальных элементах? Сложные и многоэлементные конструкции призваны уменьшить количество аберраций. Под «аберрацией» понимается ошибка или погрешность изображения, формируемого объективом на матрице фотоаппарата. Идеальный объектив – если бы он существовал – формировал бы четкие точки, соответствующие точкам на фотографируемом предмете. В действительности (и даже в теории) добиться идеала невозможно, и все объективы лишь стремятся к совершенству.

Стремление к идеальному изображению – примета не только наших дней компьютерного просчета оптических схем, элементов из флюорита и лазерных измерений. С аберрациями боролись задолго до того, как Жозеф Нисефор Ньепс впервые зафиксировал изображение в 1826 году (по другим данным это произошло в 1822 году, но до нас дошло изображение 1826 года): микроскопы, телескопы и очки существовали задолго до фотоаппаратов.

Аберрации можно разделить на две группы: хроматические (цветовые) и монохроматические. Пять монохроматических аберраций были определены и математически описаны Филиппом фон Зейделем (сферическая аберрация, кома, дисторсия, кривизна поля и астигматизм) в 1857 году. Два других основных типа аберраций - продольная и боковая хроматические - были известны задолго до этого.

Хроматические аберрации

Есть два типа хроматических (цветовых) аберраций. Первый тип, способный серьезно ухудшить качество изображения, формируемого объективом, упоминается сейчас нечасто, поскольку с ним научились успешно справляться уже в 1800-е годы. Со вторым – боковыми или поперечными хроматическими аберрациями - знаком практически каждый фотограф – они до сих пор являются проблемой многих объективов.

Продольные хроматические аберрации (Wikipedia Commons)

Продольные или осевые (longitudinal) хроматические аберрации (они же – продольный хроматизм, он же - хроматизм положения)

Известно, что линзы преломляют световые лучи, и многие знают, что синие лучи преломляются сильнее, чем красные: эффект, схожий с разделением белого на цвета радуги, когда он проходит через призму – так же разделяется и свет, проходящий через линзу. В результате, точка фокуса для синего цвета будет ближе к линзе, затем сфокусируется зеленый, и лишь потом - красный. Эта аберрация осевая (продольная) - она действует по всему полю изображения, от центра до края.

Продольные хроматические аберрации доставляли множество трудностей уже на заре черно-белой фотографии. Проблему в определенной степени решили применением ахроматических линз, использовавшихся в телескопах до появления фотографии. Ахромат состоит из двух линз, сделанных из разных типов стекла с различными преломляющими свойствами: крона и флинта. Крон делается из стекла с низкой дисперсией и низким коэффициентом преломления, а флинт – наоборот - из стекла с высоким коэффициентом преломления и высокой дисперсией. Крон и флинт подбираются таким образом, чтобы минимизировать суммарную продольную хроматическую аберрацию. Ахромат достаточен для того, чтобы свет двух различных длин волн (зеленого и синего, например) попадал на матрицу в одной точке.

Ахромат (Wikipedia Commons)

Практически во всех современных объективах используется один или несколько ахроматов. В наши дни один из элементов ахромата, как правило, изготавливается из специальных типов оптического стекла с ультранизкой дисперсией.

История изобретения ахромата занимательна сама по себе. Около 1730 года идея пришла в голову Честеру Холлу (Chester Moore Hall), производителю телескопов. Стараясь сохранить открытие в тайне, он обратился к двум оптикам – Эдварду Скарлету (Edward Scarlett) и Джеймсу Манну (James Mann), заказав каждому лишь один элемент ахромата, чтобы соединить их потом самостоятельно. Манн и Скарлетт разместили заказ у одного и того же производителя оптических линз – Джорджа Басса (George Bass), который догадался, что заказчик на самом деле один и «вычислил» ахроматические свойства такой пары линз, но долгие годы хранил свое знание в тайне. Холл собрал немало телескопов-ахроматов, но изобретение так и не запатентовал. Басс же рассказал о свойствах ахроматов другому своему клиенту, Джону Доллонду (John Dollond), который запатентовал технологию в 1758 году. Доллонд передал права своему сыну Питеру, который выиграл в начале 60-х годов несколько судов у производителей оптики за нарушение патента. Но уже в 1764 году ему самому пришлось защищаться от коллективного иска 35 производителей оптики, заявлявших, что истинным изобретателем ахромата был Честер Холл и телескопы-ахроматы производились задолго до регистрации оспариваемого патента.

Развитием ахромата стали апохроматические линзы, способные исправить ошибки преломления уже 3 различных длин волн света. Изобрел апохромат в 1763 году все тот же Питер Долланд (PeterDolland), которого таскали по судам за ахромат.

Апохромат (Wikipedia Commons)

Боковые или поперечные (lateral) хроматические аберрации (они же хроматические аберрации увеличения/хроматизм увеличения)

Боковые (латеральные) хроматические аберрации отличаются от продольных, но причина их появления та же: стекло по разному преломляет свет в зависимости от длины волны. Боковая хроматическая аберрация (которую часто называют «фиолетовым ореолом») вызывается преломлением лучей, попадающих в объектив под углом. Поскольку лучи попадают в объектив под углом, обычный ахромат, работающий с параллельными лучами, прямо попадающими в объектив, их не исправляет. В результате, наклонные лучи разных цветов фокусируются на матрице в разных местах – получается, что размер объекта различен в различных длинах волн.

Схема симметричного объектива

Боковые хроматические аберрации совершенно не влияют на центр изображения, но проявляются в возрастающей степени по мере удаления от центра кадра. Фиолетовые ореолы чаще всего появляются в областях высокого контраста (обычно темного объекта на светлом фоне); присутствие боковых хроматических аберраций делает изображение нерезким по краям кадра, даже если фиолетовые ореолы не заметны (или исправлены в постобработке).

Схема телеобъектива

Менее всего подвержены боковым хроматическим аберрациям объективы, разработанные "симметрично относительно кольца диафрагмы". Изобретена такая схема была в 1866 году с разницей в несколько недель Хуго Штайнхайлем (Hugo Adolph Steinheil) и Джоном Далльмайером (John Henry Dallmeyer). Первый дал изобретенному объективу название «Апланат», второй назвал свое изобретение «Быстрым Прямолинейным» (Rapid Rectilinear) объективом. Такая схема и в наши дни используется в объективах типа Planar – названию «Планар» мы обязаны Цейсу, назвавшему так в 1886 году свой первый апохромат. Таким образом, боковым хроматическим аберрациям наиболее подвержены объективы, схема которых несимметрична, например, телеобъективы.

Сферические аберрации (Wikipedia Commons)