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Articulo de referencia

Aberración cromática

La distancia focal de la lente varía con el color de la luz. Ejemplo fotográfico que muestra una lente de alta calidad (arriba) en comparación con una de menor calidad que prese...

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La distancia focal de la lente varía con el color de la luz.
Ejemplo fotográfico que muestra una lente de alta calidad (arriba) en comparación con una de menor calidad que presenta aberración cromática transversal (visible como un desenfoque y un borde de arcoíris en áreas de contraste).

En óptica , la aberración cromática ( AC ), también llamada distorsión cromática , aberración de color , franjas de color o franjas púrpuras , es la incapacidad de una lente para enfocar todos los colores en el mismo punto. [ 1 ] [ 2 ] 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. [ 3 ] Dado que la distancia focal de una lente depende del índice de refracción, esta variación en el índice de refracción afecta el enfoque. [ 4 ] Dado que la distancia focal de la lente varía con el color de la luz, los diferentes colores de luz se enfocan a diferentes distancias de la lente o con diferentes niveles de aumento. 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 situado en el eje óptico (1) y otras con aberración cromática únicamente axial (2) y únicamente lateral (3). [ notas 1 ]

Existen dos tipos de aberración cromática: axial ( longitudinal ) y transversal ( lateral ). La aberración axial se produce cuando diferentes longitudes de onda de luz se enfocan a distintas distancias de la lente ( desplazamiento del foco ). La aberración axial es típica en distancias focales largas. La aberración transversal se produce cuando diferentes longitudes de onda se enfocan en distintas posiciones del plano focal , ya que la magnificación y/o la distorsión de la lente también varían con la longitud de onda. La aberración transversal es típica en distancias focales cortas. El acrónimo ambiguo LCA se utiliza a veces tanto para la aberración cromática longitudinal como para la lateral . [ 3 ]

Los dos tipos de aberración cromática tienen características diferentes y pueden presentarse juntos. La aberración cromática axial (AC) se produce en toda la imagen y los ingenieros ópticos, optometristas y científicos de la visión la especifican en dioptrías . [ 5 ] Se puede reducir cerrando el diafragma , lo que aumenta la profundidad de campo de modo que, aunque las diferentes longitudes de onda se enfoquen a distancias diferentes, aún se mantengan con un enfoque aceptable. La aberración cromática transversal (ACT) no se produce en el eje óptico de un sistema óptico (que suele ser el centro de la imagen) y aumenta a medida que nos alejamos de él. No se ve afectada por el cierre del diafragma, ya que es causada por la diferente magnificación de la lente con cada color de luz.

En los sensores digitales, la aberración cromática axial provoca que los planos rojo y azul se desenfoquen (suponiendo que el plano verde esté enfocado), lo cual es relativamente difícil de remediar en el posprocesamiento, mientras que la aberración cromática transversal provoca que los planos rojo, verde y azul tengan diferentes aumentos (el aumento cambia a lo largo de los radios, como en la distorsión geométrica ), y se puede corregir escalando radialmente los planos adecuadamente para que se alineen.

Minimización

El gráfico muestra el grado de corrección mediante diferentes lentes y sistemas de lentes.
Corrección cromática de longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas. El eje horizontal muestra el grado de aberración; 0 indica ausencia de aberración. Lentes: 1: simple, 2: doblete acromático, 3: apocromática y 4: superacromática.

En los primeros usos de las lentes, la aberración cromática se reducía aumentando la distancia focal de la lente siempre que fuera posible. Por ejemplo, esto podía dar lugar a telescopios extremadamente largos , como los telescopios aéreos del siglo XVII. Las teorías de Isaac Newton sobre la luz blanca como un espectro de colores lo llevaron a la conclusión de que la refracción desigual de la luz causaba la aberración cromática (lo que lo llevó a construir el primer telescopio reflector , su telescopio newtoniano , en 1668. [ 6 ] )

Los telescopios modernos, así como otros sistemas catóptricos y catadióptricos , siguen utilizando espejos que no presentan aberración cromática.

Existe un punto denominado círculo de mínima confusión , donde la aberración cromática puede minimizarse. [ 7 ] Esta puede minimizarse aún más mediante el uso de una lente acromática o acromática , en la que se combinan 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 corrige perfectamente la aberración en dos longitudes de onda y reduce la cantidad de aberración cromática en un rango de longitudes de onda cercanas. Al combinar más de dos lentes de diferente composición, el grado de corrección puede incrementarse aún más, como se observa en una lente apocromática o apocromática , que proporciona una corrección perfecta en tres longitudes de onda. En general, la corrección en tres longitudes de onda hará que el error en otras longitudes de onda sea bastante pequeño, pero una acromática hecha con vidrio de baja dispersión aún puede proporcionar una mejor corrección que una apocromática hecha con vidrio más convencional. [ 8 ]

Se han desarrollado muchos tipos de vidrio para reducir la aberración cromática. Entre ellos se encuentran los vidrios de baja dispersión , especialmente los que contienen fluorita . [ 9 ] Estos vidrios híbridos presentan un nivel muy bajo de dispersión óptica; solo dos lentes compuestas de estas sustancias pueden proporcionar un alto nivel de corrección. [ 10 ]

El uso de lentes acromáticas fue un paso importante en el desarrollo de microscopios y telescopios ópticos .

Una alternativa a los dobletes acromáticos es el uso de elementos ópticos difractivos. Estos elementos pueden generar frentes de onda complejos arbitrarios a partir de una muestra de material óptico prácticamente plano. [ 11 ] Los elementos ópticos difractivos presentan características de dispersión negativa, complementarias a los números de Abbe positivos de los vidrios y plásticos ópticos. En concreto, en la parte visible del espectro, los difractivos tienen un número de Abbe negativo de −3,5. Los elementos ópticos difractivos pueden fabricarse mediante técnicas de torneado con diamante . [ 12 ]

Los teleobjetivos que utilizan elementos difractivos para minimizar la aberración cromática están disponibles comercialmente de Canon y Nikon para cámaras de objetivos intercambiables; estos incluyen:800  mm f /6.3 ,500  mm f /5.6 yModelos de 300  mm f /4 de Nikon (denominados "phase fresnel" o PF), y800  mm f /11 ,600  mm f /11 yLos modelos de 400  mm f /4 de Canon (conocidos como "ópticas difractivas" o DO) producen imágenes nítidas con aberración cromática reducida, con menor peso y tamaño que las ópticas tradicionales de especificaciones similares, y son generalmente bien considerados por los fotógrafos de vida silvestre. [ 13 ]

La aberración cromática de una misma lente provoca que las diferentes longitudes de onda de la luz tengan distancias focales diferentes.
La aberración cromática de una misma lente provoca que las diferentes longitudes de onda de la luz tengan distancias focales diferentes.
Se puede utilizar un elemento óptico difractivo con propiedades de dispersión complementarias a las del vidrio para corregir la aberración cromática.
Se puede utilizar un elemento óptico difractivo con propiedades de dispersión complementarias a las del vidrio para corregir la aberración cromática.
En un doblete acromático, las longitudes de onda visibles tienen aproximadamente la misma distancia focal.
En un doblete acromático , las longitudes de onda visibles tienen aproximadamente la misma distancia focal.

Matemáticas de la minimización de la aberración cromática

Para un doblete que consta de dos lentes delgadas en contacto, el número de Abbe de los materiales de las lentes se utiliza para calcular la distancia focal correcta de las lentes para asegurar la corrección de la aberración cromática. [ 14 ] Si las distancias focales de las dos lentes para la luz en la línea D amarilla de Fraunhofer (589,2  nm ) son f 1 y f 2 , entonces la mejor corrección se produce para la condición: F1⋅V1+F2⋅V2=0{\displaystyle f_{1}\cdot V_{1}+f_{2}\cdot V_{2}=0} donde V 1 y V 2 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 delgadas en contacto: 1F=1F1+1F2{\displaystyle {\frac {1}{f}}={\frac {1}{f_{1}}}+{\frac {1}{f_{2}}}} y la condición anterior garantiza que esta será la distancia focal del doblete para la luz en las líneas F y C de Fraunhofer azules y rojas (486,1  nm y656,3  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 de visión duocromática para asegurar que se haya seleccionado la potencia de lente correcta. Se le muestran al paciente imágenes rojas y verdes y se le pregunta cuál se ve más nítida. Si la prescripción es correcta, la córnea, el cristalino y la lente prescrita enfocarán las longitudes de onda roja y verde justo delante y detrás de la retina, respectivamente, de modo que aparecerán con la misma nitidez. Si la lente es demasiado potente o débil, una se enfocará en la retina y la otra se verá mucho más borrosa en comparación. [ 15 ]

Procesamiento de imágenes para reducir la apariencia de aberración cromática lateral.

Si bien las aberraciones cromáticas provocan una pérdida permanente de algunos detalles de la imagen, es posible reconstruirla mediante posprocesamiento digital. [ 16 ] En una situación ideal, el posprocesamiento para eliminar o corregir la aberración cromática lateral implicaría escalar los canales de color con franjas o restar algunas versiones escaladas de dichos canales, de modo que todos los canales se superpongan espacialmente de forma correcta en la imagen final. [ 17 ]

Dado que la aberración cromática es compleja (debido a su relación con la distancia focal, etc.), algunos fabricantes de cámaras emplean técnicas específicas para minimizar su apariencia. Casi todos los principales fabricantes de cámaras ofrecen algún tipo de corrección de la aberración cromática, tanto en la cámara como mediante su software propietario. Herramientas de software de terceros, como PTLens, también permiten minimizar la apariencia de la aberración cromática gracias a su amplia base de datos de cámaras y objetivos.

En realidad, incluso los sistemas de postprocesamiento teóricos perfectos para la reducción, eliminación y corrección de la aberración cromática no aumentan el detalle de la imagen tanto como lo haría una lente ópticamente bien corregida para la aberración cromática, por las siguientes razones:

  • El reescalado solo es aplicable a la aberración cromática lateral, pero también existe la aberración cromática longitudinal.
  • El reescalado de los canales de color individuales da como resultado una pérdida de resolución con respecto a la imagen original.
  • La mayoría de los sensores de las cámaras solo capturan unos pocos canales de color discretos (por ejemplo, RGB), pero la aberración cromática no es discreta y se produce en todo el espectro de luz.
  • Los tintes utilizados en los sensores de las cámaras digitales para capturar el color no son muy eficientes, por lo que la contaminación cromática entre canales es inevitable y provoca, por ejemplo, que la aberración cromática en el canal rojo se mezcle también con el canal verde junto con cualquier aberración cromática verde.

Los aspectos mencionados anteriormente están estrechamente relacionados con la escena específica que se captura, por lo que ninguna cantidad de programación ni conocimiento del equipo de captura (por ejemplo, datos de la cámara y del objetivo) puede superar estas limitaciones.

Fotografía

El término " bordes púrpuras " se usa comúnmente en fotografía , aunque no todos los bordes púrpuras se deben a la aberración cromática. Un borde de color similar alrededor de las zonas iluminadas también puede ser causado por destellos de lente . Los bordes de color alrededor de las zonas iluminadas o oscuras pueden deberse a que los receptores de diferentes colores tienen un rango dinámico o sensibilidad distintos , lo que preserva el detalle en uno o dos canales de color, mientras que se produce una saturación o falta de registro en el otro u otros canales. En las cámaras digitales, es probable que el algoritmo de interpolación de color afecte el grado aparente de este problema. Otra causa de estos bordes es la aberración cromática en las microlentes muy pequeñas que se utilizan para captar más luz por cada píxel del sensor; dado que estas lentes están ajustadas para enfocar correctamente la luz verde, el enfoque incorrecto del rojo y el azul produce bordes púrpuras alrededor de las zonas iluminadas. Este es un problema uniforme en todo el encuadre y es más frecuente en sensores con un tamaño de píxel muy pequeño , como los que se utilizan en cámaras compactas y teléfonos inteligentes. Algunas cámaras, como la serie Lumix de Panasonic y las cámaras réflex digitales y sin espejo más recientes de Sony , Nikon y Canon , incorporan un paso de procesamiento diseñado específicamente para eliminarlo. 

En las fotografías tomadas con una cámara digital, los brillos muy pequeños pueden presentar aberración cromática, cuando en realidad el efecto se debe a que la imagen del brillo es demasiado pequeña para estimular los tres píxeles de color, por lo que se registra con un color incorrecto. Esto puede no ocurrir con todos los tipos de sensores de cámaras digitales. Nuevamente, el algoritmo de interpolación cromática puede afectar la magnitud aparente del problema.

Fotografía en blanco y negro

La aberración cromática también afecta a la fotografía en blanco y negro. Aunque la fotografía no contenga colores, la aberración cromática difumina la imagen. Se puede reducir utilizando un filtro de color de banda estrecha o convirtiendo un único canal de color a blanco y negro. Sin embargo, esto requerirá un tiempo de exposición más prolongado (y modificará la imagen resultante). (Esto solo se aplica a la película pancromática en blanco y negro, ya que la película ortocromática ya es sensible 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. [ 18 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Marimont, DH; Wandell, BA (1994). "Imágenes en color coincidentes: Los efectos de la aberración cromática axial" (PDF) . Journal of the Optical Society of America A. 11 ( 12): 3113. Bibcode : 1994JOSAA..11.3113M . doi : 10.1364/JOSAA.11.003113 . Archivado del original (PDF) el 5 de marzo de 2016. Consultado el 28 de agosto de 2015 .
  2. ↑ Sacek, Vladimir. "Espectro secundario y esferocromatismo" . Óptica de telescopios . Consultado el 6 de junio de 2024 .
  3. 1 2 Thibos, LN; Bradley, A.; Still, DL; Zhang, X.; Howarth, PA (1990). "Teoría y medición de la aberración cromática ocular". Vision Research . 30 (1): 33– 49. doi : 10.1016/0042-6989(90)90126-6 . PMID 2321365 . S2CID 11345463 .  
  4. ↑ Kruger, PB; Mathews, S.; Aggarwala, KR; Sanchez, N. (1993). "Aberración cromática y enfoque ocular: una revisión de Fincham". Vision Research . 33 (10): 1397– 411. doi : 10.1016/0042-6989(93)90046-Y . PMID 8333161. S2CID 32381745 .  
  5. ^ Aggarwala, KR; Kruger, ES; Mateo, S.; Kruger, PB (1995). "Ancho de banda espectral y acomodación ocular" . Revista de la Sociedad Óptica de América A. 12 (3): 450– 5. Bibcode : 1995JOSAA..12..450A . CiteSeerX 10.1.1.134.6573 . doi : 10.1364/JOSAA.12.000450 . PMID 7891213 .  
  6. ↑ Hall, A. Rupert (1996). Isaac Newton: Aventurero del pensamiento . Cambridge University Press. pág . 67. ISBN  978-0-521-56669-8.
  7. ↑ Hosken, RW (2007). "Círculo de menor confusión de un reflector esférico". Applied Optics . 46 (16): 3107– 17. Bibcode : 2007ApOpt..46.3107H . doi : 10.1364/AO.46.003107 . PMID 17514263 . 
  8. ↑ Nave, CR (2000). "Aberración cromática" . HyperPhysics . Universidad Estatal de Georgia.
  9. ↑ "Las lentes desenfoque pueden ayudar a frenar la miopía leve" . Revista de Optometría . Archivado del original el 27 de marzo de 2025. Consultado el 27 de marzo de 2025 .
  10. ↑ Elert, Glenn (s.f.). "Aberración" . El libro de texto hipertextual de física .
  11. ↑ Zoric, N. Dj.; Livshits, IL; Sokolova, EA (2015). "Ventajas de la aplicación de elementos ópticos difractivos en sistemas de imágenes ópticas simples" . Revista Científica y Técnica de Tecnologías de la Información, Mecánica y Óptica . 15 (1): 6– 13. doi : 10.17586/2226-1494-2015-15-1-6-13 .
  12. ↑ Amako, J.; Nagasaka, K.; Kazuhiro, N. (2002). "Compensación de la distorsión cromática en la división y el enfoque de pulsos de femtosegundos mediante el uso de un par de elementos ópticos difractivos". Optics Letters . 27 (11): 969– 71. Bibcode : 2002OptL...27..969A . doi : 10.1364/OL.27.000969 . PMID 18026340 . 
  13. ↑ Hogan, Thom (14 de enero de 2019). "Análisis del objetivo Nikon 500mm f/5.6E PF" . DSLR Bodies . Archivado del original el 17 de enero de 2019. Consultado el 10 de octubre de 2022 .
  14. ↑ Sacek, Vladimir. "9.3. Diseño de un acromático doblete" . Óptica de telescopios . Archivado del original el 15 de julio de 2025. Consultado el 15 de septiembre de 2025 .
  15. ↑ Colligon-Bradley, P. (1992). "Prueba duocromática rojo-verde". Journal of Ophthalmic Nursing & Technology . 11 (5): 220– 222. PMID 1469739 . 
  16. ↑ Boult, TE; Wolberg, G. (1992). "Corrección de aberraciones cromáticas mediante deformación de imágenes". Actas de la Conferencia de la Sociedad de Computación del IEEE sobre Visión por Computadora y Reconocimiento de Patrones . Champaign, IL: IEEE. pág. 84. doi:10.1109/CVPR.1992.223201.
  17. ↑ Kühn, J.; Colomb, T.; Montfort, F.; Charrière, F.; Emery, Y.; Cuche, E.; Marquet, P.; Depeursinge, C. (2007). "Microscopía holográfica digital de doble longitud de onda en tiempo real con adquisición de un solo holograma" . Optics Express . 15 (12): 7231– 42. Bibcode : 2007OExpr..15.7231K . doi : 10.1364/OE.15.007231 . PMID 19547044 . 
  18. ↑ Misell, DL; Crick, RA (1971). "Una estimación del efecto de la aberración cromática en la microscopía electrónica". Journal of Physics D: Applied Physics . 4 (11): 1668– 1674. Bibcode : 1971JPhD....4.1668M . doi : 10.1088/0022-3727/4/11/308 . S2CID 250810329 . 

Notas

  1. ↑ La aberración cromática lateral es una aberración de rayo principal y se debe a la ubicación de la apertura. Lo que se muestra aquí es una ilustración simplificada.
  • Explicación de la aberración cromática (archivada en 2009) por Paul van Walree
  • Aberración cromática en la wiki de PanoTools