Aberrazione cromatica

Un aberrazione cromatica è un'aberrazione ottica che produce diversi sviluppato in funzione della lunghezza d'onda. Quindi osserviamo un'immagine sfocata con contorni iridescenti. Risulta dalla scomposizione della luce bianca in diverse bande di colori.

Storico

Le aberrazioni cromatiche furono notate fin dai primi vetri astronomici e considerate fastidiose. Isaac Newton , che ha realizzato il proprio telescopio provvisto di specchio e quindi privo di aberrazioni di questo tipo, ha inizialmente proclamato l'impossibilità fisica di correggerle. Leonhard Euler postula, per contrastare questa affermazione, il carattere privo di aberrazioni cromatiche dell'occhio umano, un fatto il cui carattere errato sarà dimostrato solo in seguito.

Il primato della fabbricazione dei primi occhiali per correggere queste aberrazioni toccò a Chester Moore Hall , avvocato e ottico dilettante, che produsse il primo prototipo nel 1733 . Per questo utilizza occhiali speciali contenenti piombo e chiama il suo prototipo Flint-glass .

Ma Hall preferì mantenere segreta la sua invenzione e fece realizzare le due lenti necessarie, una in vetro flint e una in crown glass, da due diversi ottici, Edward Scarlett e James Mann. Per una singolare coincidenza, questi ottici subappaltano il lavoro allo stesso produttore, George Bass . Il basso comprende il valore di questa tecnica, ma non brevetta neanche l'invenzione. Verso la fine del 1750 ne rivelò l'esistenza a John Dollond . Quest'ultimo indovina le potenzialità di queste lenti e riesce a riprodurle per poi brevettarle nel 1758 , il che gli vale controversie con altri ottici sui diritti di fabbricazione e commercializzazione. Possiamo almeno considerare che Dollond ha reso popolari le lenti acromatiche piuttosto che inventarle. Successivamente, fu suo figlio, Peter Dollond , a inventare le terzine apocromatiche .

In Francia, Jean le Rond D'Alembert e Alexis Claude Clairaut hanno teorizzato l'ottica, lavorando sulla sovrapposizione di lenti di diversa geometria e indice.

Evidenziazione pratica

Osservazione

Il fenomeno è facilmente dimostrabile con una lente ad alta correzione:

Conseguenza nella fotografia

In fotografia la conseguenza è il degrado della qualità dell'immagine, almeno quando non si cerca l' effetto “artistico” (vedi Lomografia ). Nell'esempio seguente, il fenomeno è stato intenzionalmente amplificato aggiungendo un obiettivo grandangolare sulla stessa fotocamera prima del secondo scatto. In particolare, è presente una striscia blu sul lato destro del tetto dell'edificio:

Spiegazione fisica

Causa dell'aberrazione cromatica

È generalmente dovuto alla variazione dell'indice di rifrazione del materiale che compone le lenti in funzione della lunghezza d' onda della luce che le attraversa. Parliamo di dispersione del vetro. Di conseguenza, la lunghezza focale dipende dalla lunghezza d'onda, quindi la messa a fuoco non può essere ottenuta contemporaneamente per tutti i colori dello spettro . Se, ad esempio, la messa a fuoco viene eseguita per il rosso, il blu viene quindi sfocato: l'immagine di un oggetto bianco presenta quindi sui suoi bordi un'iridescenza bluastra.

L'aberrazione cromatica può essere sia longitudinale , quando i colori sono focalizzati a distanze diverse; e trasversale o laterale , quando i colori sono focalizzati in diverse posizioni sul piano focale (perché l' ingrandimento di una lente varia anche con la lunghezza d'onda).

Teoria

È possibile esprimere la lunghezza focale di una lente in funzione dei suoi parametri geometrici e del suo indice. Quindi abbiamo:

${\ dfrac {1} {f '}} = {\ dfrac {n_ {2} -n_ {1}} {n_ {1}}} \ left ({\ dfrac {1} {R_ {2}}} - {\ dfrac {1} {R_ {1}}} \ right)$ per una lente sottile con:

n 1 indice medio n 2 indice lente R 1 e R 2 raggi di curvatura della lente

Poiché l' indice di una lente dipende dalla lunghezza d'onda:

${\ dfrac {1} {f '(\ lambda)}} = {\ dfrac {n_ {2} (\ lambda) -n_ {1} (\ lambda)} {n_ {1} (\ lambda)}} \ sinistra ({\ dfrac {1} {R_ {2}}} - {\ dfrac {1} {R_ {1}}} \ destra)$

Non avremo quindi un'unica lunghezza focale ma una diversa lunghezza focale per ogni lunghezza d'onda operativa del sistema ottico. Man mano che gli indici di vetro aumentano mentre ci spostiamo verso le lunghezze d'onda corte, se il mezzo è un gas o un vuoto, la variazione dell'indice sarà molto piccola per n 1 rispetto a n 2 . Pertanto, le lunghezze d'onda corte saranno focalizzate più vicino all'asse ottico rispetto alle lunghezze d'onda lunghe. Questa caratteristica dei vetri permette di separarli in due categorie, vetri a bassa dispersione e vetri ad alta dispersione. Una lente dispersiva tenderà quindi a separare i punti focali blu e rosso molto più di una lente leggermente dispersiva. In ottica, il parametro costringente verrà utilizzato per caratterizzare la dispersività di una lente.

Identicamente l'ingrandimento dipende anche dalla lunghezza d'onda poiché:

${\ dfrac {1} {f '(\ lambda)}} = {\ dfrac {1} {\ overline {OA'}}} - {\ dfrac {1} {\ overline {OA}}}$

${\ dfrac {1} {f '(\ lambda)}} = {\ dfrac {1} {\ overline {OA'}}} \ left (1 - {\ dfrac {\ overline {OA '}} {\ overline {OA}}} \ right) = {\ dfrac {1} {\ overline {OA '}}} (1- \ gamma)$

$\ gamma (\ lambda) = 1 - {\ dfrac {\ overline {OA '}} {f' (\ lambda)}}$

Ciò implica che la lunghezza focale è proporzionale alla lunghezza d'onda (f ' ROSSO > f' BLU ) e l'ingrandimento è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda (γ ROSSO <γ BLU ). Questo quindi separa le aberrazioni cromatiche in due categorie, cromatismo assiale e cromatismo laterale .

Cromatismo longitudinale

Cromatismo trasversale

Concetto di cromatismo primario e secondario

Caso speciale dell'occhio

L' occhio può anche mostrare aberrazioni cromatiche che vengono rilevate dall'oculista da un test della vista con diversi filtri colorati. Per verificare la correzione dell'acuità visiva , al paziente viene chiesto di guardare le immagini filtrate in verde o in rosso e nominare quella che sembra più nitida. Se la correzione è buona, la cornea, la lente e la lente prescritta metteranno a fuoco le lunghezze d'onda verde e rossa proprio davanti e dietro la retina, con la stessa nitidezza. Se la lente correttiva diverge troppo o non abbastanza, un colore sarà focalizzato sulla retina, ma l'altro colore sarà molto più sfocato.

Riduzione dell'aberrazione cromatica

Con mezzi ottici

In fotografia , microscopia ottica e astronomia , l'aberrazione cromatica viene ridotta in diversi modi:

aggiunta di un filtro che consente il passaggio di una banda spettrale stretta;
uso preferenziale di specchi ( telescopio ) che non presentano aberrazione cromatica (ma aberrazione sferica o aberrazioni di campo);
utilizzo di vetri ottici di alta qualità, in particolare quelli contenenti fluorite , per ridurre questa dispersione cromatica;
uso di un gruppo di lenti doppiette, l' acromatico ;
utilizzo di un obiettivo apocromatico , combinando più di due lenti di diversa composizione.

Quando si scatta una fotografia, la riduzione dell'apertura limita l'aberrazione cromatica longitudinale. Non ha invece alcun effetto sull'aberrazione cromatica laterale che deve, se necessario, essere corretta con altri mezzi.

Cromatismo e design ottico

Dal punto di vista del design ottico, il cromatismo può essere "piegato" aumentando il numero di diottrie. Il cromatismo "aliasing" si riferisce alla cancellazione delle aberrazioni cromatiche per più lunghezze d'onda.

Una singola lente consente una sola cancellazione del cromatismo
Un doppietto può consentire due cancellazioni di aberrazioni cromatiche. Parliamo di un doppietto acromatico .
Una terzina può consentire tre cancellazioni di aberrazioni cromatiche. Parliamo di una tripletta apocromatica .

Nella fotografia digitale

Già molto presente nell'era della fotografia analogica classica (film), la correzione dell'aberrazione cromatica rimane un argomento di grande preoccupazione con l'avvento delle tecnologie digitali e dei media. Ciò è dovuto alla disponibilità di nuovi strumenti e dispositivi, hardware e software, che consentono di esaminare rapidamente in dettaglio e correggere le immagini durante o dopo le riprese. Gli ampi schermi e la possibilità di ingrandimento in pochi click inoltre rivelano facilmente eventuali difetti da trattare.

Correzione incorporata nelle fotocamere Correzione in post-elaborazione

Dopo lo scatto, è possibile ridurre questo tipo di aberrazione con alcuni software di elaborazione delle immagini, sia da immagini in formato JPEG che da immagini in formato RAW nativo , sebbene quest'ultimo sia preferibile.:

Note e riferimenti

Riferimenti

Daumas, Maurice, Strumenti scientifici del XVII e XVIII secolo e i loro creatori , Portman Books, Londra 1989 ( ISBN 978-0-7134-0727-3 )
(in) Fred Watson , Stargazer: the life and times of the telescope , Crows Nest, Allen & Unwin ,2007, pocket ( ISBN 978-1-74175-383-7 , OCLC 225464622 , leggi in linea ) , p. 140–55
Fred Hoyle, Astronomia; Una storia dell'indagine dell'uomo sull'universo , Rathbone Books, 1962, LC 62-14108
(in) " Sphaera-Peter Dollond risponde a Jesse Ramsden " (visitato il 31 luglio 2009 ) Una rassegna degli eventi dell'invenzione del doppietto acromatico con enfasi sui ruoli di Hall, Bass, John Dollond e altri.
(a) Terje Dokland e Mary Mah-Lee Ng , Techniques in microscopy for biomedical applications , New Jersey, World Scientific,2006, pocket ( ISBN 978-981-256-434-4 , leggi online ) , p. 23
Kidger, MJ (2002) Fundamental Optical Design. SPIE Press, Bellingham, WA, pagg. 174ss
F. Ferlin, "La corsa agli occhiali acromatici", Les Génies de la Science , maggio-luglio 2009, n . 39, p. 82-89
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