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En óptica , la aberración cromática ( CA ), también llamada distorsión cromática y esferocromatismo , es una falla de una lente al enfocar todos los colores en el mismo punto. [1] Es causada por 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. [2] Dado que la distancia focal de una lente depende del índice de refracción, esta variación en el índice de refracción afecta el enfoque. [3] 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.
Hay dos tipos de aberración cromática: axial ( longitudinal ) y transversal ( lateral ). La aberración axial ocurre cuando se enfocan diferentes longitudes de onda de luz a diferentes distancias de la lente ( desplazamiento de enfoque ). La aberración longitudinal es típica en distancias focales largas. La aberración transversal ocurre cuando se enfocan diferentes longitudes de onda en diferentes posiciones en el plano focal , porque el aumento y/o la distorsión de la lente también varía con la longitud de onda. La aberración transversal es típica en distancias focales cortas. El acrónimo ambiguo LCA se utiliza a veces para referirse a la aberración cromática longitudinal o lateral . [2]
Los dos tipos de aberración cromática tienen características diferentes y pueden ocurrir juntos. La CA axial se produce en toda la imagen y la especifican los ingenieros ópticos, optometristas y científicos de la visión en dioptrías . [4] Se puede reducir deteniendo , lo que aumenta la profundidad de campo de modo que, aunque las diferentes longitudes de onda se enfoquen a diferentes distancias, todavía estén en un enfoque aceptable. La CA transversal no ocurre en el centro de la imagen y aumenta hacia el borde. No se ve afectado por detenerse.
En los sensores digitales, la CA axial da como resultado 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 CA transversal da como resultado los planos rojo, verde y azul. tener diferentes aumentos (el aumento cambia a lo largo de los radios, como en la distorsión geométrica ), y se puede corregir escalando radialmente los planos de manera adecuada para que se alineen.
En los primeros usos de lentes, la aberración cromática se reducía aumentando la distancia focal de la lente siempre que fuera posible. Esto podría dar lugar, por ejemplo, a telescopios extremadamente largos , como los larguísimos telescopios aéreos del siglo XVII. Las teorías de Isaac Newton acerca de que la luz blanca estaba compuesta por un espectro de colores lo llevaron a la conclusión de que la refracción desigual de la luz causaba aberración cromática (lo que lo llevó a construir el primer telescopio reflector , su telescopio newtoniano , en 1668. [5] )
Los telescopios modernos, así como otros sistemas catóptricos y catadióptricos , siguen utilizando espejos que no presentan aberración cromática.
Existe un punto llamado círculo de menor confusión , donde se puede minimizar la aberración cromática. [6] Se puede minimizar aún más mediante el uso de una lente acromática o acromática , en la que materiales con diferente dispersión se ensamblan para formar una lente compuesta. El tipo más común es el doblete acromático , con elementos de corona y vidrio de sílex . Esto reduce la cantidad de aberración cromática en un cierto rango de longitudes de onda, aunque no produce una corrección perfecta. Combinando más de dos lentes de distinta composición se puede aumentar aún más el grado de corrección, como se ve en una lente apocromática o apocromática . "Acromático" y "apocromático" se refieren al tipo de corrección (2 o 3 longitudes de onda correctamente enfocadas), no al grado (qué tan desenfocadas están las otras longitudes de onda), y un acromático fabricado con vidrio de dispersión suficientemente baja puede producir una corrección significativamente mejor que un Acromático fabricado con vidrio más convencional. De manera similar, el beneficio de los apocromáticos no es simplemente que enfocan nítidamente tres longitudes de onda, sino que su error en otras longitudes de onda también es bastante pequeño. [7]
Se han desarrollado muchos tipos de vidrio para reducir la aberración cromática. Se trata de vidrios de baja dispersión , sobre todo de vidrios que contienen fluorita . Estos vidrios hibridados tienen un nivel muy bajo de dispersión óptica; sólo dos lentes compiladas hechas con estas sustancias pueden producir un alto nivel de corrección. [8]
El uso de acromáticos 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. Los elementos ópticos difractivos son capaces de generar frentes de onda complejos arbitrarios a partir de una muestra de material óptico que es esencialmente plana. [9] Los elementos ópticos difractivos tienen características de dispersión negativas, complementarias a los números de Abbe positivos de los vidrios y plásticos ópticos. Específicamente, en la parte visible del espectro los difractivos tienen un número de Abbe negativo de −3,5. Los elementos ópticos difractivos se pueden fabricar utilizando técnicas de torneado con diamante . [10]
Canon y Nikon comercializan teleobjetivos que utilizan elementos difractivos para minimizar la aberración cromática para cámaras de lentes intercambiables; Estos incluyen los modelos de 800 mm f/6,3, 500 mm f/5,6 y 300 mm f/4 de Nikon (con la marca "phase fresnel" o PF), y los modelos de 800 mm f/11, 600 mm f/11 y 400 mm f/4 de Canon. (marcado como "óptica difractiva" o DO). Producen imágenes nítidas con una aberración cromática reducida con un peso y tamaño menores que las ópticas tradicionales de especificaciones similares y, en general, son bien considerados por los fotógrafos de vida silvestre. [11]
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 garantizar la corrección de la aberración cromática. [12] 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 se produce la mejor corrección para la condición:
donde V 1 y V 2 son los números de Abbe de los materiales de la primera y segunda lentes, 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 de contacto delgadas:
y la condición anterior garantiza que esta será la distancia focal del doblete para la luz en las líneas azul y roja de Fraunhofer F y C (486,1 nm y 656,3 nm respectivamente). La distancia focal de la luz en otras longitudes de onda visibles será similar pero no exactamente igual a esta.
La aberración cromática se utiliza durante una prueba ocular duocromática para garantizar que se haya seleccionado la potencia de lente correcta. Se confronta al paciente con imágenes rojas y verdes y se le pregunta cuál es más nítida. Si la prescripción es correcta, entonces la córnea, el cristalino y el lente prescrito enfocarán las longitudes de onda roja y verde justo delante y detrás de la retina, pareciendo con la misma nitidez. Si la lente es demasiado potente o débil, una se centrará en la retina y la otra quedará mucho más borrosa en comparación. [13]
En algunas circunstancias, es posible corregir algunos de los efectos de la aberración cromática en el posprocesamiento digital. Sin embargo, en circunstancias del mundo real, la aberración cromática provoca la pérdida permanente de algunos detalles de la imagen. El conocimiento detallado del sistema óptico utilizado para producir la imagen puede permitir realizar algunas correcciones útiles. [14] En una situación ideal, el posprocesamiento para eliminar o corregir la aberración cromática lateral implicaría escalar los canales de color con flecos o restar algunas de las versiones escaladas de los canales con flecos, de modo que todos los canales se superpongan espacialmente entre sí correctamente en el resultado final. imagen. [15]
Como la aberración cromática es compleja (debido a su relación con la distancia focal, etc.), algunos fabricantes de cámaras emplean técnicas de minimización de la apariencia de la aberración cromática específicas de lentes. Casi todos los principales fabricantes de cámaras permiten algún tipo de corrección de la aberración cromática, tanto en la cámara como a través de su software propietario. Las herramientas de software de terceros, como PTLens, también son capaces de realizar una compleja minimización de la apariencia de la aberración cromática con su gran base de datos de cámaras y lentes.
En realidad, incluso los sistemas de corrección, eliminación y reducción de la aberración cromática basados en posprocesamiento teóricamente perfectos no aumentan los detalles de la imagen tan bien como lo haría una lente que esté ópticamente bien corregida para la aberración cromática por las siguientes razones:
Lo anterior está estrechamente relacionado con la escena específica que se captura, por lo que ninguna cantidad de programación y conocimiento del equipo de captura (por ejemplo, datos de la cámara y la lente) puede superar estas limitaciones.
El término " franjas moradas " se utiliza comúnmente en fotografía , aunque no todas las franjas moradas pueden atribuirse a una aberración cromática. Los bordes de colores similares alrededor de las luces también pueden ser causados por el destello de la lente . Los bordes de color alrededor de las luces o las regiones oscuras pueden deberse a que los receptores de diferentes colores tienen diferentes rangos dinámicos o sensibilidades , por lo que se conservan los detalles en uno o dos canales de color, mientras que se "apagan" o no se registran en el otro canal o canales. En las cámaras digitales, es probable que el algoritmo de demostración particular afecte el grado aparente de este problema. Otra causa de esta franja es la aberración cromática en las microlentes muy pequeñas utilizadas para recolectar más luz por cada píxel del CCD; Dado que estas lentes están sintonizadas para enfocar correctamente la luz verde, el enfoque incorrecto del rojo y el azul produce franjas moradas alrededor de las luces. Este es un problema uniforme en todo el cuadro y es más problemático en los CCD con un tamaño de píxel muy pequeño , como los que se utilizan en las cámaras compactas. Algunas cámaras, como la serie Panasonic Lumix y las DSLR Nikon y Sony más nuevas , cuentan con un paso de procesamiento diseñado específicamente para eliminarlo.
En fotografías tomadas con una cámara digital, las luces muy pequeñas frecuentemente pueden parecer tener aberración cromática cuando en realidad el efecto se debe a que la imagen de las luces es demasiado pequeña para estimular los tres píxeles de color y, por lo tanto, se graba con un color incorrecto. Es posible que esto no ocurra con todos los tipos de sensores de cámaras digitales. Nuevamente, el algoritmo de eliminación del mosaico puede afectar el grado aparente del problema.
La aberración cromática también afecta a la fotografía en blanco y negro. Aunque no hay colores en la fotografía, la aberración cromática emborronará 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 una exposición más prolongada (y cambiará la imagen resultante). (Esto sólo es cierto con la película pancromática en blanco y negro, ya que la película ortocromática ya es sensible sólo a un espectro limitado).
La aberración cromática también afecta a la microscopía electrónica , aunque en lugar de que diferentes colores tengan diferentes puntos focales, diferentes energías electrónicas pueden tener diferentes puntos focales. [dieciséis]
