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En óptica , la aberración cromática ( CA ), también llamada distorsión cromática , aberración de color , franjas de color o franjas púrpuras , es una falla 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 longitud focal de una lente depende del índice de refracción, esta variación en el índice de refracción afecta el enfoque. [4] Dado que la longitud focal de la lente varía con el color de la luz, 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.
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 diferentes distancias de la lente ( desplazamiento del foco ). La aberración longitudinal es típica en longitudes focales largas. La aberración transversal se produce cuando diferentes longitudes de onda se enfocan en diferentes posiciones en el plano focal , porque la ampliación y/o distorsión de la lente también varía con la longitud de onda. La aberración transversal es típica en longitudes focales cortas. El acrónimo ambiguo LCA se utiliza a veces para la aberración cromática longitudinal o lateral . [3]
Los dos tipos de aberración cromática tienen características diferentes y pueden ocurrir juntos. La aberración cromática axial ocurre en toda la imagen y los ingenieros ópticos, optometristas y científicos de la visión la especifican en dioptrías . [5] Se puede reducir al cerrar el diafragma , lo que aumenta la profundidad de campo de modo que, aunque las diferentes longitudes de onda se enfoquen a diferentes distancias, aún estén en un enfoque aceptable. La aberración cromática transversal no ocurre en el eje óptico de un sistema óptico (que normalmente es el centro de la imagen) y aumenta a medida que se aleja del eje óptico. No se ve afectada por cerrar el diafragma, ya que es causada por la diferente ampliación de la lente con cada color de luz.
En los sensores digitales, la CA axial da como resultado que los planos rojo y azul estén desenfocados (asumiendo que el plano verde está enfocado), lo que es relativamente difícil de remediar en el posprocesamiento, mientras que la CA transversal da como resultado que los planos rojo, verde y azul estén en diferentes aumentos (el aumento cambia a lo largo de los radios, como en la distorsión geométrica ), y se puede corregir escalando radialmente los planos apropiadamente para que se alineen.
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 de gran tamaño del siglo XVII. Las teorías de Isaac Newton sobre la composición de la luz blanca de un espectro de colores le llevaron a la conclusión de que la refracción desigual de la luz causaba aberración cromática (lo que le llevó a construir el primer telescopio reflector , su telescopio newtoniano , en 1668. [6] )
Los telescopios modernos, así como otros sistemas catóptricos y catadióptricos , continúan utilizando espejos, que no presentan aberración cromática.
Existe un punto llamado círculo de mínima confusión , donde la aberración cromática se puede minimizar. [7] Se puede minimizar aún más utilizando una lente acromática o acromático , en el que los materiales con diferente dispersión se ensamblan para formar una lente compuesta. El tipo más común es un doblete acromático , con elementos hechos de vidrio de corona y vidrio flint . Esto reduce la cantidad de aberración cromática en un cierto rango de longitudes de onda, aunque no produce una corrección perfecta. Al combinar más de dos lentes de diferente composición, el grado de corrección se puede aumentar aún más, como se ve en una lente apocromática o apocromático . "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 hecho con vidrio de dispersión suficientemente baja puede producir una corrección significativamente mejor que un acromático hecho con vidrio más convencional. De manera similar, el beneficio de los apocromáticos no es simplemente que enfocan tres longitudes de onda con nitidez, sino que su error en otras longitudes de onda también es bastante pequeño. [8]
Se han desarrollado muchos tipos de vidrio para reducir la aberración cromática. Se trata de vidrios de baja dispersión , en particular, vidrios que contienen fluorita . Estos vidrios hibridados tienen un nivel muy bajo de dispersión óptica; solo dos lentes compuestas hechas de estas sustancias pueden producir un alto nivel de corrección. [9]
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. [10] Los elementos ópticos difractivos tienen características de dispersión negativa, complementarias a los números de Abbe positivos de los vidrios ópticos y los plásticos. 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 de diamante . [11]
Canon y Nikon comercializan teleobjetivos que utilizan elementos difractivos para minimizar la aberración cromática para cámaras con lentes intercambiables; estos incluyen los modelos de 800 mm f/6,3, 500 mm f/5,6 y 300 mm f/4 de Nikon (conocidos como "phase fresnel" o PF), y los modelos de 800 mm f/11, 600 mm f/11 y 400 mm f/4 de Canon (conocidos como "óptica difractiva" o DO). Producen imágenes nítidas con una aberración cromática reducida con un peso y un tamaño menores que las ópticas tradicionales de especificaciones similares y, en general, son bien valorados por los fotógrafos de vida salvaje. [12]
Para un doblete formado por dos lentes delgadas en contacto, se utiliza el número de Abbe de los materiales de las lentes para calcular la longitud focal correcta de las lentes para asegurar la corrección de la aberración cromática. [13] Si las longitudes 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 ocurre para la condición:
donde V 1 y V 2 son los números de Abbe de los materiales de la primera y la segunda lente, respectivamente. Como 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:
y la condición anterior garantiza que ésta será la longitud focal del doblete para la luz en las líneas F y C de Fraunhofer azul y roja (486,1 nm y 656,3 nm respectivamente). La longitud focal para la luz en otras longitudes de onda visibles será similar, pero no exactamente igual a ésta.
La aberración cromática se utiliza durante una prueba ocular duocromática para garantizar que se ha seleccionado la potencia de lente correcta. Se muestra al paciente imágenes rojas y verdes y se le pregunta cuál es más nítida. Si la prescripción es correcta, la córnea, la lente y la lente prescrita enfocarán las longitudes de onda roja y verde justo delante y detrás de la retina, apareciendo con la misma nitidez. Si la lente es demasiado potente o débil, entonces una enfocará la retina y la otra se verá mucho más borrosa en comparación. [14]
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 da como resultado 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. [15] 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 la imagen final. [16]
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 para cada lente. 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 pueden realizar una minimización compleja 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 el detalle 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 violetas " se utiliza comúnmente en fotografía , aunque no todas las franjas violetas pueden atribuirse a la aberración cromática. Las franjas de colores similares alrededor de las zonas iluminadas también pueden ser causadas por el destello de la lente . Las franjas de colores alrededor de las zonas iluminadas o las regiones oscuras pueden deberse a que los receptores de diferentes colores tienen un rango dinámico o una sensibilidad diferentes , 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 demosaico particular afecte el grado aparente de este problema. Otra causa de estas franjas es la aberración cromática en las microlentes muy pequeñas que se utilizan para recolectar más luz para cada píxel CCD; dado que estas lentes están ajustadas para enfocar correctamente la luz verde, el enfoque incorrecto del rojo y el azul da como resultado franjas violetas alrededor de las zonas iluminadas. Este es un problema uniforme en todo el marco y es más un problema en los CCD con un paso de píxel muy pequeño , como los que se utilizan en las cámaras compactas. Algunas cámaras, como la serie Panasonic Lumix y las DSLR más nuevas de Nikon y Sony , cuentan con un paso de procesamiento diseñado específicamente para eliminarlo.
En las fotografías tomadas con una cámara digital, es posible que aparezcan aberraciones cromáticas en zonas muy pequeñas, cuando en realidad el efecto se debe a que la imagen de las zonas resaltadas es demasiado pequeña para estimular los tres píxeles de color, por lo que se graba con un color incorrecto. Esto puede no ocurrir con todos los tipos de sensores de cámaras digitales. Nuevamente, el algoritmo de desmosaico puede afectar el grado aparente del problema.
La aberración cromática también afecta a las fotografías en blanco y negro. Aunque no haya colores en la fotografía, la aberración cromática desenfocará 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 solo es cierto con la película pancromática en blanco y negro, ya que la película ortocromática ya es sensible 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. [17]
