색수차

Chromatic aberration
염색체 이상과 혼동하지 말 것.
광학적 수차
Out-of-focus image of a spoke target..svg 디포커스

HartmannShack 1lenslet.svg 기울이다
Spherical aberration 3.svg 구면 수차
Astigmatism.svg 난시
Lens coma.svg 혼수상태
Barrel distortion.svg 왜곡.
Field curvature.svg 페츠발장 곡률
Chromatic aberration lens diagram.svg 색수차

가로 색수차를 나타내는 저품질 모델에 비해 고품질 렌즈(위)를 나타내는 사진 예(대조 영역에서 흐릿한 색수차와 무지개 가장자리로 표시됨)

광학에서, 색 왜곡과 구상 색도라고도 불리는 색수차(CA)는 렌즈가 모든 색을 같은 [1]점에 집중시키지 못하는 실패입니다.이는 분산에 의해 발생합니다. 렌즈 요소의 굴절률은 빛의 파장에 따라 달라집니다.대부분의 투명한 재료의 굴절률은 [2]파장이 증가함에 따라 감소합니다.렌즈의 초점거리는 굴절률에 따라 달라지기 때문에 이 굴절률의 변화는 [3]초점에 영향을 미칩니다.색수차는 이미지의 어두운 부분과 밝은 부분을 분리하는 경계를 따라 색상의 "프링"으로 나타납니다.

종류들

고리 (1)과 축방향(2) 및 가로방향(3) 색수차만 있는 고리 (1)의 이상적인 이미지 비교

색수차에는 축방향(종방향)과 횡방향(횡방향)의 두 가지 유형이 있습니다.축방향 수차는 다른 파장의 빛이 렌즈로부터 다른 거리에 집중될 때 발생합니다(초점 이동).종방향 수차는 일반적으로 긴 초점 거리에서 발생합니다.렌즈의 확대 및/또는 왜곡도 파장에 따라 다르기 때문에 다른 파장이 초점 평면 내의 다른 위치에 집중될 때 횡수차가 발생합니다.짧은 초점거리에서는 가로수차가 대표적이다.애매한 약어 LCA는 세로 또는 가로 색수차에 [2]사용되기도 한다.

두 가지 유형의 색수차는 서로 다른 특성을 가지며 함께 발생할 수 있습니다.Axial CA는 이미지 전체에서 발생하며 광학 엔지니어, 검안사 및 디옵터의 [4]시각 과학자에 의해 지정됩니다.정지함으로써 감소시킬 수 있으며, 이는 파장이 서로 다른 거리에 집중되지만 여전히 허용 가능한 초점에 있도록 자기장의 깊이를 증가시킵니다.가로 CA는 영상 중앙에서 발생하지 않고 가장자리를 향해 증가합니다.정지해도 영향을 받지 않습니다.

디지털 센서에서 축방향 CA는 적색과 청색 평면의 초점을 해제합니다(녹색 평면이 초점에 있다고 가정함). 반면 가로방향 CA는 적색, 녹색 및 청색 평면을 다른 배율로 만듭니다(기하학적 왜곡과 같이 반지름에 따라 배율이 변화함).d는 평면이 일렬로 정렬되도록 적절히 방사상으로 스케일링하여 보정할 수 있습니다.

최소화

Graph show degree of correction by different lenses and lens systems
가시 파장과 근적외선 파장의 색보정.수평축은 수차의 정도를 나타내며, 0은 수차가 아닙니다.렌즈: 1: 심플, 2: 무채색 더블렛, 3: 아포크로매틱, 4: 슈퍼크로매트.

렌즈의 초기 사용에서는 가능한 한 렌즈의 초점 거리를 늘림으로써 색수차를 줄였다.예를 들어, 이것은 17세기의 매우 긴 공중 망원경처럼 매우 긴 망원경을 만들 수 있다.흰색 빛이 다양한 색 스펙트럼으로 구성된다는 아이작 뉴턴의 이론은 빛의 불균일한 굴절이 색수차를 일으킨다는 결론을 내리게 했다.[5]

현대의 망원경뿐만 아니라 다른 대광학계와 대광학계는 색수차가 없는 거울을 계속 사용한다.

색수차를 [6]최소화할 수 있는 최소 혼동의 원이라는 점이 존재합니다.무채색 렌즈 또는 무채색 렌즈로 분산이 다른 재료를 조합하여 복합 렌즈를 형성함으로써 한층 더 최소화할 수 있다.가장 일반적인 유형은 크라운과 부싯돌 유리로 만들어진 무채색 더블렛입니다.이것은 완벽한 보정을 발생시키지는 않지만 특정 범위의 파장에 걸쳐 색수차의 양을 감소시킵니다.서로 다른 조성의 렌즈를 2개 이상 조합함으로써 아포크로매틱 렌즈 또는 아포크로매트에서 볼 수 있는 보정도를 더욱 높일 수 있다.'아크로매트'와 '아포크로매트'는 보정의 종류(정확하게 초점을 맞춘 파장 2, 3개)를 의미하며, 충분히 낮은 분산 유리로 만든 무채색은 기존 유리로 만든 무채색보다 훨씬 더 나은 보정을 얻을 수 있다.마찬가지로, 아포크로매트의 장점은 단순히 3개의 파장에 날카롭게 초점을 맞추는 것이 아니라 다른 파장에 대한 오차가 매우 [7]작다는 것입니다.

많은 종류의 유리는 색수차를 줄이기 위해 개발되었다.이것들은 저분산 유리이며, 특히 불소가 함유된 유리입니다.이 하이브리드 안경은 광학적 산란도가 매우 낮으며, 이 물질로 만들어진 2개의 컴파일 렌즈만이 높은 [8]보정도를 얻을 수 있습니다.

무채색의 사용은 광학 현미경과 망원경의 개발에 있어 중요한 단계였다.

무채색 더블렛의 대안은 회절광학소자를 사용하는 것이다.회절광학소자는 기본적으로 [9]평탄한 광학재료 샘플로부터 임의의 복소파 전선을 발생시킬 수 있다.회절광학소자는 음의 분산 특성을 가지며, 이는 광학안경 및 플라스틱의 양의 아베 수를 보완합니다.특히 스펙트럼의 가시적인 부분에서 회절물의 음의 아베 수는 -3.5이다.다이아몬드 선삭 [10]기술을 사용하여 회절 광학 소자를 제작할 수 있다.

Chromatic aberration of a single lens causes different wavelengths of light to have differing focal lengths
단일 렌즈의 색수차로 인해 서로 다른 파장의 빛이 서로 다른 초점 거리를 갖게 됩니다.
Diffractive optical element with complementary dispersion properties to that of glass can be used to correct for color aberration
유리에 대한 상보적인 분산 특성을 가진 회절 광학 소자를 사용하여 색수차를 보정할 수 있습니다.
For an achromatic doublet, visible wavelengths have approximately the same focal length
무채색 더블렛의 경우 가시 파장은 초점 거리가 거의 같다.

색수차 최소화 수학

접촉하는 2개의 얇은 렌즈로 이루어진 더블렛에 대해서, 렌즈 재료의 아베수를 이용해 렌즈의 정확한 초점거리를 산출해, 색수차의 [11]보정을 확보한다.노란색 프라운호퍼 D라인(589.2nm)에서 2개의 빛용 렌즈의 초점 거리가 f와2 f일1 경우 최상의 보정이 발생합니다.

여기서1 V와2 V는 각각 첫 번째 렌즈와 두 번째 렌즈 소재의 아베 수이다.아베 수가 양수이기 때문에 조건이 충족되기 위해서는 초점 거리 중 하나가 음수, 즉 발산 렌즈여야 한다.

doublet f의 전체 초점거리는 접촉하는 얇은 렌즈에 대한 표준 공식에 의해 주어진다:

그리고 위의 조건은 이것이 청색 및 적색 프라운호퍼 F 및 C 라인(각각 486.1 nm 및 656.3 nm)에서 빛에 대한 더블렛의 초점 거리가 되도록 한다.다른 가시 파장에서의 빛의 초점 거리는 비슷하지만 이것과 정확히 동일하지는 않습니다.

색수차는 정확한 렌즈 도수가 선택되었는지 확인하기 위해 듀오크롬 눈 테스트 중에 사용됩니다.환자는 빨간색과 녹색 이미지를 마주하고 어떤 이미지가 더 선명한지 묻습니다.처방전이 맞다면 각막, 렌즈, 처방된 수정체는 같은 선명도로 보이는 빨강과 초록의 파장을 망막 바로 앞과 뒤에 집중시킬 것이다.만약 렌즈가 너무 강하거나 약하다면, 하나는 망막에 초점을 맞추고, 다른 하나는 그에 [12]비해 훨씬 더 흐릿해질 것이다.

가로 방향 색수차의 외관을 줄이기 위한 영상 처리

경우에 따라서는 디지털 후처리에서 색수차의 영향을 일부 보정할 수 있다.그러나 실제 상황에서는 색수차로 인해 일부 영상 세부 정보가 영구적으로 손실됩니다.이미지 생성에 사용되는 광학 시스템에 대한 자세한 지식을 통해 몇 가지 유용한 [13]보정을 할 수 있습니다.이상적인 상황에서는 측면 색수차를 제거하거나 수정하는 후처리는 테두리 컬러 채널을 스케일링하거나 테두리 채널의 스케일링 버전을 감산하여 모든 채널이 최종 [14]이미지에서 공간적으로 서로 올바르게 오버랩되도록 합니다.

(초점 거리 등에 대한 관계 때문에) 색수차가 복잡하기 때문에 일부 카메라 제조업체는 렌즈 고유의 색수차 외관 최소화 기법을 사용합니다.거의 모든 주요 카메라 제조업체는 카메라 내 및 자체 소프트웨어를 통해 어떤 형태의 색수차 보정을 가능하게 합니다.PTLens와 같은 서드파티 소프트웨어 도구도 카메라와 렌즈의 대용량 데이터베이스를 사용하여 복잡한 색수차 외관을 최소화할 수 있습니다.

실제로 이론적으로 완벽한 후처리 기반 색수차 감소-제거-보정 시스템도 색수차에 대해 광학적으로 잘 보정된 렌즈가 다음과 같은 이유로 이미지 디테일을 증가시키지 않습니다.

  • 재스케일링은 가로 방향 색수차에만 적용 가능하지만 세로 방향 색수차도 있다.
  • 개별 색상 채널의 크기를 조정하면 원래 이미지의 해상도가 저하됩니다.
  • 대부분의 카메라 센서는 소수의 이산(RGB 등) 컬러 채널만 캡처하지만 색수차는 이산적이지 않고 광스펙트럼 전체에서 발생합니다.
  • 디지털 카메라 센서에서 색을 포착하기 위해 사용되는 염료는 매우 효율적이지 않기 때문에 교차 채널 색상 오염은 피할 수 없으며, 예를 들어 빨간색 채널의 색 수차가 녹색 색 수차와 함께 녹색 채널로 혼합됩니다.

위의 내용은 캡처되는 특정 장면과 밀접하게 관련되어 있기 때문에 캡처 장비에 대한 프로그래밍 및 지식(카메라 및 렌즈 데이터 등)으로는 이러한 한계를 극복할 수 없습니다.

사진

모든 보라색 테두리가 색수차에 기인하는 것은 아니지만 "보라색 테두리"라는 용어는 사진에 일반적으로 사용됩니다.또한 렌즈 플레어에 의해 하이라이트 주위에 유사한 색상의 테두리가 생길 수 있습니다.하이라이트나 어두운 영역 주위에 색이 드리워지는 것은 동적 범위 또는 감도가 다른 색에 대한 수용체 때문일 수 있습니다.따라서, 1개 또는 2개의 색 채널에서는 상세 내용을 보존하고, 다른 채널에서는 "확대" 또는 등록에 실패했을 가능성이 있습니다.디지털 카메라에서는 특정 디모자이싱 알고리즘이 이 문제의 명백한 정도에 영향을 줄 수 있습니다.이 프링의 또 다른 원인은 각 CCD 픽셀에 대해 더 많은 빛을 모으기 위해 사용되는 매우 작은 마이크로렌즈에서의 색수차이다. 이러한 렌즈는 녹색 빛의 초점을 올바르게 맞추도록 조정되기 때문에 빨간색과 파란색의 잘못된 초점이 하이라이트 주위에 보라색 프링 현상이 발생한다.이것은 프레임 전체에서 균일한 문제로 콤팩트카메라에 사용되는 것과 같이 픽셀 피치가 매우 작은 CCD에서는 문제가 됩니다.Panasonic Lumix 시리즈와 새로운 Nikon 및 Sony DSLR과 같은 일부 카메라는 이를 제거하기 위해 특별히 설계된 처리 단계를 갖추고 있습니다.

디지털 카메라를 사용해 촬영한 사진에서는, 매우 작은 하이라이트가 색수차를 보이는 일이 빈번하게 있습니다.실제로, 하이라이트 화상이 너무 작아서 3색 픽셀을 모두 자극할 수 없기 때문에, 잘못된 색상으로 기록되기 때문입니다.일부 디지털 카메라 센서에서는 이 문제가 발생하지 않을 수 있습니다.다시 말해, 디모자이싱 알고리즘은 문제의 겉보기 정도에 영향을 줄 수 있습니다.

  • Color shifting through corner of eyeglasses.

    안경의 모서리를 통해 색이 변한다.

  • Severe purple fringing can be seen at the edges of the horse's forelock, mane, and ear.

    말의 앞머리, 갈기, 귀 가장자리에서 심한 보라색 주름이 보인다.

  • This photo taken with the lens aperture wide open resulting in a narrow depth-of-field and strong axial CA. The pendant has purple fringing in the near out-of-focus area and green fringing in the distance. Taken with a Nikon D7000 camera and an AF-S Nikkor 50mm f/1.8G lens.

    이 사진은 렌즈 개구부를 활짝 열어 시야 깊이가 좁고 축방향 CA가 강합니다.펜던트는 초점이 맞지 않는 부분에 보라색 테두리가 있고 멀리 녹색 테두리가 있습니다.Nikon D7000 카메라와 AF-S Nikkor 50mm f/1로 촬영.8G 렌즈

  • Severe chromatic aberration

    심한 색수차

흑백 사진

색수차는 흑백사진에도 영향을 미친다.사진에는 컬러가 없지만 색수차로 인해 이미지가 흐려집니다.협대역 컬러 필터를 사용하거나 단일 컬러 채널을 흑백으로 변환하여 줄일 수 있습니다.그러나 이 작업을 수행하려면 더 오랜 노출이 필요하며 결과 이미지가 변경됩니다.(정색 필름은 이미 제한된 스펙트럼에만 민감하기 때문에 이는 범색 흑백 필름에서만 해당됩니다.)

전자 현미경 검사

색수차는 전자현미경 검사에도 영향을 미치지만 다른 색상의 초점 대신 다른 전자 에너지가 다른 [15]초점을 가질 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Marimont, D. H.; Wandell, B. A. (1994). "Matching color images: The effects of axial chromatic aberration" (PDF). Journal of the Optical Society of America A. 11 (12): 3113. Bibcode:1994JOSAA..11.3113M. doi:10.1364/JOSAA.11.003113.
  2. ^ a b Thibos, L. N.; Bradley, A; Still, D. L.; Zhang, X; Howarth, P. A. (1990). "Theory and measurement of ocular chromatic aberration". Vision Research. 30 (1): 33–49. doi:10.1016/0042-6989(90)90126-6. PMID 2321365. S2CID 11345463.
  3. ^ Kruger, P. B.; Mathews, S; Aggarwala, K. R.; Sanchez, N (1993). "Chromatic aberration and ocular focus: Fincham revisited". Vision Research. 33 (10): 1397–411. doi:10.1016/0042-6989(93)90046-Y. PMID 8333161. S2CID 32381745.
  4. ^ Aggarwala, K. R.; Kruger, E. S.; Mathews, S; Kruger, P. B. (1995). "Spectral bandwidth and ocular accommodation". Journal of the Optical Society of America A. 12 (3): 450–5. Bibcode:1995JOSAA..12..450A. CiteSeerX 10.1.1.134.6573. doi:10.1364/JOSAA.12.000450. PMID 7891213.
  5. ^ Hall, A. Rupert (1996). Isaac Newton: Adventurer in Thought. Cambridge University Press. p. 67. ISBN 978-0-521-56669-8.
  6. ^ Hosken, R. W. (2007). "Circle of least confusion of a spherical reflector". Applied Optics. 46 (16): 3107–17. Bibcode:2007ApOpt..46.3107H. doi:10.1364/AO.46.003107. PMID 17514263.
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  8. ^ 엘러트, 글렌 "유보"– 물리 하이퍼텍스트북
  9. ^ Zoric N.Dj.; Livshits I.L.; Sokolova E.A. (2015). "Advantages of diffractive optical elements application in simple optical imaging systems". Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 15 (1): 6–13. doi:10.17586/2226-1494-2015-15-1-6-13.
  10. ^ Amako, J; Nagasaka, K; Kazuhiro, N (2002). "Chromatic-distortion compensation in splitting and focusing of femtosecond pulses by use of a pair of diffractive optical elements". Optics Letters. 27 (11): 969–71. Bibcode:2002OptL...27..969A. doi:10.1364/OL.27.000969. PMID 18026340.
  11. ^ 사섹, 블라드미르"9.3. DUBLET AKROMAT 설계"그물
  12. ^ Colligon-Bradley, P (1992). "Red-green duochrome test". Journal of Ophthalmic Nursing & Technology. 11 (5): 220–2. PMID 1469739.
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  14. ^ Kühn, J; Colomb, T; Montfort, F; Charrière, F; Emery, Y; Cuche, E; Marquet, P; Depeursinge, C (2007). "Real-time dual-wavelength digital holographic microscopy with a single hologram acquisition". Optics Express. 15 (12): 7231–42. Bibcode:2007OExpr..15.7231K. doi:10.1364/OE.15.007231. PMID 19547044.
  15. ^ Misell, D. L.; Crick, R. A. (1971). "An estimate of the effect of chromatic aberration in electron microscopy". Journal of Physics D: Applied Physics. 4 (11): 1668–1674. Bibcode:1971JPhD....4.1668M. doi:10.1088/0022-3727/4/11/308.

외부 링크

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