Kromatik aberasyon
Optikte, kromatik aberasyon (CA, diğer bilinen adıyla akromatizm, optik bozulma) bir lensin tüm renkleri aynı uyumda odaklayamamasınından kaynaklı bir sorundur. Bunun nedeni lenslerin değişik dalga boyları ve değişik ışıklar (lens dağılımı) için değişik sapma endekslerinin olmasıdır Sapma endeksi dalga boyu arttıkça azalır.
Optik aberasyon kendini karanlık ve aydınlık kısımları birbirinden ayıran sınırlarda “saçaklar” şeklinde gösterir, çünkü optik spectrum içerisinde her renge tek bir ortak noktada odaklanamaz. Bir lensin fokal uzunluğu f, sapma endeksine n bağlıdır, ışığın değişik dalga boyları, değişik pozisyonlarda odaklanacaktır.
Çeşitleri
İki tür optik aberasyon vardır: axial (boylamsal) ve transverse (yatay). Boylamsal aberasyon ışığın değişik dalga boylarının lensten değişik uzaklıklarda odaklanmasıyla ortaya çıkar, örneğin optik düzlemdeki değişik noktalar (odak kayması) gibi. Yatay aberasyon ise değişik dalga boyları fokal düzlem üzerinde değişik noktalarda odaklanmayla ortaya çıkar. (Çünkü lensteki büyütme ve/ya da bozulma dalga boylarına göre de farklılık gösterir ki, bu grafiklerde odak uzunluğu (ndaki değişme) olarak gösterilmiştir. Akronim LCA kullanılır, ancak anlaşılması güç bir şekilde, ya boylamsal ya da yatay optik aberasyona işaret eder, daha açıkça, bu makale boylamsal (optik düzlemde yön sapması) ve yatay ( sensör ya da filmin düzleminde, optik düzlemde dikey sapma) terimlerini kullanacaktır.
" />Bu iki tip değişik karakteristikler gösterir ve birlikte de oluşabilirler. Boylamsal optik aberasyon tüm görselde oluşur ve optik mühendisleri, optimetrisler ve diopter olarak bilinen bir meslek grubu olan görüş uzmanları tarafından saptanabilir ve kapalı ölçüm yaparak engellenir. (Bu alanın derinliğini arttırır, böylece değişik dalga boyları değişik mesafelerde odaklansa bile, kabul edilebilir bir odakta kalırlar) Yatay optik aberasyon merkezde oluşmaz ve kenarlara doğru artar, ancak bu kapalı ölçümden etkilenmez.
Dijital sensörlerde, boylamsal optik aberasyon kırmızı ve mavi alanların odaktan çıkmasıyla (yeşil alanın odak olduğu varsayılır) sonuçlanır, ki bu göreceli olarak işleme sonrası süreçte düzeltilmesi zor olan bir şeydir, oysa yatay optik aberasyon kırmızı, yeşil ve mavi odakların değişik maginifkasyonlar yapmasına neden olacaktır (Magnifikasyon radyal geometrik olarak bozulan değişimlere sahiptir) ve bunun düzeltilmesi için radyal yeniden boyutlandırma yapılır ve alanlar yeniden üst üste gelir.
Azaltma
Lenslerin erken kulanımda, optik aberasyon fokal uzunluğu olabildiğince arttırmak yoluyla engellenirdi. Örneğin, bu teknik 17. yüzyılda kullanılan teleskoplarda inanılmaz derecede uzun teleskoplar yapılmasına neden olmuştur. Isaac Newton’un beyaz ışığın bir renk tayfından çıktığına ilişkin teorileri onu dengesi olamayan ışık sapmalarının optik aberasyona neden olduğu sonucuna götürdü. (bunu izleyen sürece, ilk yansıtan teleskop olan Newton teleskopunu 1668’de yapmıştır
En az karışıklık çemberi adı verilen bir nokta vardır, bu noktada optik aberasyon en aza indirilir. Bu azaltma akromatik lensler kullanılarak daha da azaltılabilir, böylece materyallerin yayılmada gösterdikleri değişiklik birleşik bir lensle tekrar bir araya getirilebilir. En çok kullanılan, çakmataşı ve göbekcamı elementlerinden yapılan akromatik eşlerdir. Bu değişik dizilimdeki dalga boylarının yarattığı optik aberasyonu engellese bile mükemmel bir düzeltme yapamaz. Tek kompozisyonda ikiden fazla lensi kombine edilerek, düzeltme derecesi daha ileri seviyede azaltılabilir. Bu, her ne kadar mükemmel düzeltmeyi sağlamasa da, belirli aralıktaki dalga boylarının üzerinde oluşan optik aberasyonu azaltır. Değişik kompozisyonlara sahip iki lensi birleştirerek, düzeltmenin derecesi daha ileriye götürülebilir ki bu akromatik bir lens olan orapokromatta görülebilir. “Akromat” ve “Apokromat” (2 ya da 3 dalgaboyu doğru odaklanmıştır) düzeltmenin derecesine değil çeşidine (diğer dalga boylarının odakları kaymıştır) işaret eder; ve düşük ayrılma yeterliliğine sahip camla yapılmış bir akromat daha konveksiyonel camlarla yapılmış akromatlara göre dikkate değer bir oranda daha düzgün düzeltmeler sağlayacaktır. Benzer olarak, apokromatların asıl yararı 3 dalga boyunu keskince odaklanmasında değildir, ancak dalga boyunda oluşabilecek hatanın çok daha küçük olmasındadır.
Birçok cam tipi optik aberasyonu engelleyecek şekilde geliştirilmiştir. Bunlar düşük yayılma camlarıdır, en belirgin özellikleri olarak camlar fluorit içerir. Bu hibrid camlar, çok düşük seviyede bir optik yayılmaya sahiptir, sadece bu maddeyle yapılmış iki işlenmiş lens bu kadar yüksek derecede bir düzeltme sağlayabilir.
Akromatların kullanımı, optik mikroskopların ve teleskopların gelişmesinde önemli bir basamak olmuştur.
Akromatik çiftlere bir alternatif olarak difraktif optik element kullanımı gösterilebilir. Difraktif optik elementler optik camlara ve plastiklere yayılmaya bütünleyici bir karakteristik verir. Tayfın görülebilir kısmında, difraktiflerin Abbe sayısı -3,5’tir. Difraktif optik elementler elmasa çevirme teknikleri kulanılarak fabrikasyona geçirilir.
Kromatik aberasyon azaltma hesaplamaları
Birbirine geçmiş iki ince lensten oluşan bir ikili için, lens materyalinin Abbe sayısı doğru fokal uzunlığı hesaplamak için hesaplanır, böylece bu senslerin optik aberasyon düzeltmeleri garantilenmiş olur. [10] Eğer bu iki lensin sarı Fraunhofer D-line’daki (589,2 nm) fokal uzunlukları
f1 ve f2 olursa, en iyi düzeltme şu şartta gerçekleşir.
burada V1 ve V2 sırasıyla birinci ve ikinci lensin materyallerinin, Abbe sayısıdır. Abbe sayıları pozitif olduğu için, fokal uzunluklardan birisi negatif olmalıdır, örneğin, şartların sağlanması için sapma olan bir lens.
Eşlerin toplam fokal uzunlukları f ince lensler için kullanılan standart formülle hesaplanır.
ve yukarıdaki şart, eşlerin fokal uzunluğunun mavi ve kırmızı Fraunhofer F ve C noktalarında (sırasıyla 4861. nm ve 656.3 nm) olacağı garanti eder. Diğer görülebilir dalga boylarında ışığın fokal uzunluğu benzer olacaktır ancak aynı olmayacaktır.
Optik aberasyon duokrom renk testinde doğru lens gücünün seçildiğine emin olunmak için kullanılır. Hastaya kırmızı ve yeşil görseller gösterilir ve hangisinin daha keskin olduğu sorulur. Eğer reçete doğru ise, o zaman kornea, lens ve reçete edilmiş lens, yalnzca öndeki kırmızı ve yeşil daga boylarına odaklanacaktır, ve retinanın gerisinde keskinlikleri eşit olacaktır. Eğer lensin gücü çok fazla ya da azsa, retina yalnızca birine odaklanacak ve karşılaştırıldığında diğeri çok daha bulanık olacaktır
Yatay kromatik aberasyon durumunu görsel işleme ile giderme
Bazı durumlarda, dijital işleme sonrası optik aberasyonun yarattığı etkiyi doğru hale getirmek mümkün olabilir. Ancak gerçek hayat durumlarında, optik aberasyon görsel detaylarında kalıcı kayba neden olmaktadır. Görseli yaratan optik sistemle ilgili detaylı bilgiye sahip olmak bazı durumlarda çok yardımcı düzeltmeleri yapmaya yarar. İdeal bir durumda, optik aberasyonu kaldırma ya da düzeltme, görsel işleme aşamasında saçaklanmış renk kanallarını düzeltmek ya da bazı saçaklanmış kanalların bazılarını yeniden boyutlandırma gibi işlemler gerektirebilir ki, kanallar düzgün bir biçimde birbirlerinin üzerine düşüp son aşamada arzu edilen görseli oluşturabilsin.
Optik aberasyon karmaşık olduğu için (fokal noktayla olan ilişkisinden dolayı, vb) bazı fotoğraf makinesi üreticileri lenslerini optik aberasyonu minimize edecek tekniklerlerle donatır. Tüm CMOS sensörlü Nikon DSLR makineler ve Panasonic Lumix DSLR’ler ve buna ek olarak bazı Nikon ve Panasonic kompakt kameralar JPEG görselleri işleme sürecini otomatik olarak yaparlar. Nikon DSLRler bunun dışında Nikon Caoture NX, View NX ve diğer bazı işlenmemiş RAW dosyalarında kullanılan RAW dosylarını düzeltmeyi yaptıktan sonra saklar. Canon EF lenslerinin tüm elektronik lenselerle ilişkisi ve birleştirme sistemi Canon’un Dijital Photo Professional yazılımının en iyi optik aberasyon engelleme ve azaltma sistemlerinden birine sahip olmasını sağlar, (aynı zamanda bozuldu ve kayma idaresi vardır) ki bu sistem lens ve modele özel odak uzunluğu, fokal uzunluk ve menfez bilgilerinin Canon’un RAW (CR2) belgeleri içinde saklar. Üçüncü parti tarafından hazırlanmış yazılımlar örneğin PTLens de geniş fotoğraf makinesi ve lens veritabanları sayesinde kompleks optik aberasyon azaltmakta işlevini görebilir.
Gerçekte, teoride mükemmel bir şekilde işleyen ve optik aberasyon azaltma, yok etme, düzeltme işlemesini yapabilen sistemler optik olarak iyi düzeltilmiş bir lens kadargörsellerin detayını artırmaz çünkü;
- Yeniden boyutlandırma sadece yatay optik aberasyon için için geçerlidir ancak boylamsal optik aberasyon da vardır.
- Tek bir renk kanalını yeniden boyutlandırmak orijinal görselden çözünürlük kaybına neden olacaktır.
- Çoğu fotoğraf makinesi sadece birkaç özel renk kanalını yakalar (örneğin RGB) ancak optik aberasyon ışık spektrumunun her yerinde gerçekleşebilir.
- Dijital kamera sensörlerinde kullanılan ve renk yakalamakta kullanılan boyalar kanallar arası renk geçişisinde etkili olamamakla birlikte, kırmızı kanallarda genellikle yeşil kanallara karışır ve herhangi bir yeşik optik aberasyonla da karışır.
Yukarıda verilen bilgiler spesifik alanlarla çok yakından ilişkilidir ve bu yüzden de hiçbir programlama bilgisi yahut çekim ekipmanı bilgisi (örneğin kamera ve lens bilgisi) bu engellemeleri aşamamaktadır.
Fotoğraf
“Mor saçak” terimi fotoğrafçılıkta sıklıkla kullanılır, oysa tüm mor saçakların optik aberasyonla ilgisi yoktur. Öne çıkan ışık çevresindeki benzer renkte saçaklanma lenslerden kaynaklı olabilir. Öne çıkan ışık ya da karanlık bölgelerin çevresindeki renk saçaklanması reseptörlerden yahut değişik renklerin değişik dinamik dizimlerinden yahut hassasiyetinden kaynaklanıyor olabilir ki,bu yüzden detayları korumak bir ya da iki renk kanalında mümkün olurken diğer kanallarda patlama ve kaydetmeme gibi sorunlar çıkarabilir. Dijital kameralarda, parçacık demozaikleme algoritması yüksek oranda bu probleme etki eder. Saçaklanmanın bir diğer nedeni ise optik aberasyonun çok küçük mikrolenslerde her CCD pikseli için daha fazla ışık toplamasıdır, ki bu lensler yeşil ışığa daha doğru odaklanır, kırmızı ve mavi üzerinde yanlış odaklanma mor beyaz ışık etrafında mor saçaklanmaya neden olur. Kadrajın tamamında homojen şekilde görünen bu sorun, daha çok piksel derecesi çok az olan CCD’lerde örneğin kompakt makinelerde kullanılanlarda görülür. Bazı makineler, örneğin Panasonic Lumix serisi ve yeni Nikon ve Sony DSLRS serisi, tamamen bu sorunu ortadan kaldırmaya yönelik tasarlanmış özelliklerle piyasaya sürülmüştür.
Dijital kamerayla çekilmiş fotoğraflarda, çok küçük beyaz ışıklar sürekli olarak optik aberasyona neden olacak şekilde ortaya çıkabilir çünkü beyaz ışık olan görsel tüm üç renk pikseline sahip olmak için çok küçüktür, bu nedenle yanlış bir renk ile kaydedilir. Bu her türden dijital kamera sensöründe olmayabilir. Ancak yine, demozaik algoritması sorunun ne kadar büyük olduğuna etki edecektir.
Siyah beyaz fotoğraf
Optik aberasyon siyah beyaz fotoğrafçılığı da etkiler. Fotoğrafta hiç renk bulunmamasına karşın, optik aberasyon görseli bulanıklaştırır. Bu etki dar-bantlı bir renk filtresi kullanılarak ya da tek bir kanalı siyah beyaza dönüştürerek elde edilebilir. Ancak bu metod, uzun odaklanma (görsel sonucunda bir değişme olmayacaktır) gerektirecektir.(Bu yalnızca pankromatik siyah beyaz filmlerde geçerlidir, çünkü ortokromatik fimler hali hazırda sadece limitli sayıda spektrumlara karşı hassastır.)
Elektron mikroskopisi
Optik aberasyon elektron mikroskopisini de etkiler, öyle ki değişik renkler yerine değişik fokal noktalara sahipse, değişik elektron enerjileri, değişik fokal noktalara sahip olabilir.