Погрешности оптики

Статья составлена на основе материалов из свободной энциклопеди Википедия.

Аберрации оптических систем — ошибки, или погрешности изображения в оптической системе, вызываемые отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в идеальной оптической системе.

Аберрации возможно описать, как геометрически с помощью рисунка на плоскости, так и на основе представлений волновой оптики (деформации световой волны). Оба способа описания взаимосвязаны, описывают одно и то же состояние, и различаются лишь формой описания. Как правило, если объектив обладает большими аберрациями, то их проще характеризовать величинами геометрических аберраций, а если малыми, то на основе представлений волновой оптики.
Аберрации можно разделить на монохроматические, то есть присущие монохромным пучкам лучей, и хроматические (цветные), а также дифракционные.
Монохроматические аберрации:
- сферическая аберрация;
- кома;
- астигматизм;
- кривизна поля (поверхности) изображения;
- дисторсия.
Для фотографа в принципе не трубуется знать природу этих явлений, потому как современный производитель объективов их минимизурует различными способами. И нам остаётся уяснить только одно — чем дороже объектив, тем лучше он сделан. Хотя некоторые представления об аберрациях полезно иметь. Рассмотрим нижеследующие картинки.

Сферическая аберрация линзы объясняется тем, что её преломляющие поверхности встречают отдельные лучи под различными углами. Вследствие чего, более удалённые от оптической оси лучи преломляются сильнее и образуют свои точки схода удалённые от фокальной плоскости (матрицы фотоаппарата).
Сферическая аберрация, источник света становится кольцом.

Кома проявляется в том, что каждый участок оптической системы даёт изображение светящейся точки в виде кольца. Центры колец не совпадают, в результате чего их наложение, то есть изображение точки, даваемое системой в целом, принимает вид несимметричного пятна рассеяния. В сложных оптических системах кому обычно исправляют совместно со сферической аберрацией подбором линз. Оптические системы с исправленными комотической и сферической аберрацией называются апланатами. Если при изготовлении системы допущена децентрировка одной из поверхностей, то кома искажает изображения и тех точек, которые расположены на оси оптической системы.
Кома, хроматизм и немного астигматизма.

Астигматизм наиболее трудная для простого объяснения аберрация и в общем-то особо нам и не нужна. Диафрагмирование никак не влияет на его величину. Поэтому, как и другие аберрации, астигматизм исправляется подбором кривизны поверхностей и толщин оптических компонентов, а также воздушных промежутков между ними.

Кривизна поля изображения — аберрация, в результате которой изображение плоского объекта лежит на поверхности, вогнутой либо выпуклой к объективу. Эта аберрация вызывает неравномерную резкость по полю изображения. Поэтому, когда центральная часть изображения фокусирована резко, то его края будут лежать не в фокусе и изобразятся нерезко. Если установку на резкость производить по краям изображения, то его центральная часть будет нерезкой. Если кривизна исправлена плохо, такой объектив обычно обладает и большим астигматизмом, что отрицательно сказывается на качестве изображения.

Дисторсия нарушение подобия между объектом и его изображением. Это наиболее важный практический случай. Прямые линии изображаются кривыми, кроме тех, которые лежат в одной плоскости с оптической осью. Например, изображение квадрата, центр которого пересекает оптическая ось, имеет вид подушки (подушкообразная дисторсия, подушка) при положительной дисторсии, и вид бочки (бочкообразная дисторсия, бочка) при отрицательной. Исправляется подбором линз и других элементов оптической системы при её разработке. Если присутствует в цифровом изображении, может быть исправлена программно.
Дисторсия на широкоугольном объективе Canon 8mm.

На самом деле виды монохроматических аберраций не встречаются отдельно друг от друга, а наблюдается сочетание всех аберраций. Так например эффект «бокэ» можно назвать результатом сферической + кривизна поля + хроматизм. То есть надо понимать, что аберрации минимальны вблизи оптической оси (центра объектива) и увеличиваются по мере удаления от неё. А значит влияние аберраций возрастает, по мере роста относительного отверстия объектива, причём очень быстро. Следовательно, всем известное достижение глубины резкости при ужатии диафрагмы, происходит как раз за счёт обрезания зоны с наибольшими аберрациями. Однако черезчур сильное сильное ужатие диафрагмы приведёт к явлению дифракции света, что снова уменьшит ГРИП (глубину резкости изображаемого пространства) путем рассеивания волн света.

Хроматические аберрации основываются на дисперсии света, проходящего через оптическую систему (фотографический объектив, бинокль, микроскоп, телескоп и т.д.). При этом белый свет разлагается на составляющие его цветные лучи, в результате чего изображения предмета в разных цветах не совпадают в пространстве изображений. Хроматические аберрации ведут к снижению чёткости изображения, а иногда также и к появлению на нём цветных контуров, полос, пятен, которые у предмета отсутствуют. Различают хроматизм положения и хроматизм увеличения.

Хроматизм положения — изображения предмета в лучах разного цвета будут находиться на разных расстояниях от задней главной точки. Если наводить на резкость по красным лучам, изображение в синих лучах будет не в фокусе, и наоборот. Диафрагмирование несколько её уменьшает. Может быть исправлен путем комбинирования собирательной и рассеивающей линз из стёкол с различной дисперсией.
Хроматизм увеличения — изображения одного и того же предмета в лучах разного цвета имеют несколько различный размер. Не уменьшается от диафрагмирования, как и от увеличения. Может быть в какой-то степени исправлен программным путём. Во многих преобразователях RAW-файлов такая функция имеется, но оптическая корректировка предпочтительнее, так как в сложных объективах присутствуют и другие аберрации, которые простыми преобразованиями не исправляются и индивидуальны для каждой модели объектива, в результате чего становится сложно выделить хроматизм увеличения программно. Хорошая коррекция хроматизма увеличения невозможна, когда объектив плохо работает в контровом свете. Исправление хроматизма увеличения на компьютере улучшает качество изображения, но всё же предпочтительнее снимать фотографии теми объективами, которые имеют минимальные аберрации. Так, объективы с фиксированным фокусным расстоянием обычно имеют существенно меньшие аберрации, чем трансфокаторы (зум-объективы). То есть тут можно сделать практический вывод для выбора объектива — попробуйте снять предметы против света и рассмотрите на изображении края предметов. Если контуры предметов имеют слишком выраженную цветную окраску, не соответсвующую расцветке предмета, то такой объектив можно забраковать, он будет плохо снимать при любых условиях. Естественно полностью избавиться от хроматизмов невозможно, поэтому оценивать качество объектива надо разумно, сравнивая с другими.
Хроматизм и дифракция.

Ну и последнее — дифракционная аберрация возникает вследствие дифракции света на диафрагме и оправе фотообъектива. Дифракционная аберрация ограничивает разрешающую способность фотообъектива. Один из простейших и распространённых в быту примеров — компакт-диск или DVD. Но не забывайте — влияние аберраций уже умеют купировать, все современные объективы исправлены и просветлены.

Конец.
Если у кого есть поправки и добавления, было бы интересно почитать.
Постараюсь ответить на возникшие вопросы :)