Dodatek AGWzory · takPoziom · głębiejEXT OF · R.14, R.15
Dodatek AG / Głębiej

Aberracja chromatyczna w liczbach

Ile wynosi rozjazd ogniskowych między czerwienią a błękitem dla typowego szkła, dlaczego achromat zbiega tylko dwa kolory i jak odróżnić LoCA od TCA pomiarem.

Co tu jest
Jedna liczba · rozjazd ogniskowych

Ile rozjeżdża pojedyncza soczewka

Liczba Abbego jest zdefiniowana tak, żeby od razu dawała odpowiedź na pytanie praktyczne. Dla cienkiej soczewki różnica ogniskowych między błękitem a czerwienią wynosi po prostu:

Δf = f / V Δf — odległość między ogniskiem dla linii F (486 nm, błękit) a ogniskiem dla linii C (656 nm, czerwień). f — ogniskowa dla linii d (588 nm). V — liczba Abbego. Wzór jest ścisły w granicy cienkiej soczewki.
SzkłondVΔf na 100 mmTyp
FK511,486684,471,18 mmfluorokron, szkło ED
BK71,516864,171,56 mmkron, szkło odniesienia
F21,620036,372,75 mmflint
SF111,784725,683,89 mmciężki flint

Wartości katalogowe szkieł powszechnie używanych jako odniesienie. Ostatnia kolumna to Δf = f/V przy ogniskowej 100 mm.

Skala tej liczby jest tym, co robi wrażenie. Pojedyncza soczewka z BK7 o ogniskowej 100 mm ma ogniska błękitu i czerwieni oddalone o półtora milimetra — przy głębi ostrości rzędu setnych milimetra na matrycy. Bez korekcji obraz nie miałby ani jednej płaszczyzny, w której wszystkie barwy są ostre.

Warto zauważyć proporcję między skrajnymi wierszami tabeli: ciężki flint rozjeżdża ponad trzy razy mocniej niż szkło ED. Ta różnica jest surowcem, z którego buduje się korekcję — bo achromat działa właśnie przez zderzenie szkieł o bardzo różnym V.

Achromat · podział mocy

Rachunek na dwie soczewki

Achromat to soczewka skupiająca ze szkła o dużym V sklejona z rozpraszającą o małym V. Warunki są dwa i oba muszą być spełnione jednocześnie:

P₁ + P₂ = P  oraz   P₁/V₁ + P₂/V₂ = 0 P = 1/f — moc w dioptriach przy f w metrach. Pierwsze równanie daje żądaną ogniskową, drugie znosi rozjazd między liniami F i C. Dwa równania, dwie niewiadome — rozwiązanie jest jednoznaczne.

Rozwiązanie ma postać zamkniętą i warto ją mieć pod ręką, bo pokazuje, skąd bierze się cena achromatu:

f₁ = f·(V₁ − V₂)/V₁,   f₂ = −f·(V₁ − V₂)/V₂ Im bliżej siebie leżą V₁ i V₂, tym mniejszy licznik — a więc tym krótsze, silniej zakrzywione soczewki trzeba zderzyć, żeby uzyskać tę samą moc wypadkową.
Rachunek · achromat BK7 + F2 o ogniskowej 100 mm
Danef = 100 mm; V₁ = 64,17 (BK7), V₂ = 36,37 (F2)
Różnica V64,17 − 36,37 = 27,80
Soczewka skupiającaf₁ = 100 · 27,80 / 64,17 = 43,32 mm
Soczewka rozpraszającaf₂ = −100 · 27,80 / 36,37 = −76,44 mm
MoceP₁ = +23,08 D, P₂ = −13,08 D
Żeby uzyskać 10 dioptrii wypadkowych, trzeba zderzyć 23,08 z −13,08 — czyli soczewki o mocach ponad dwukrotnie większych niż wynik.
Kontrola obu warunków: 23,08 + (−13,08) = 10,00 D, czyli f = 100 mm. Oraz 23,08/64,17 + (−13,08)/36,37 = 0,000000. Drugie równanie zeruje się dokładnie, co potwierdza, że para zbiega linie F i C w jednym punkcie.

Rachunek pokazuje cenę korekcji wprost. Soczewki achromatu mają moce ponad dwukrotnie większe niż moc wypadkowa, więc są mocniej zakrzywione — a mocniejsza krzywizna oznacza więcej aberracji sferycznej i komy do zbalansowania gdzie indziej. Jest to dokładnie ten mechanizm, który Rozdział 15 opisuje słowami: każde lekarstwo dokłada powierzchnie i dokłada pracy.

Widmo wtórne · trzeci kolor zostaje

Dlaczego achromat zbiega tylko dwa

Achromat spełnia dwa równania, więc może zbiec dwie długości fali. Trzecia — zwykle zielona, leżąca między nimi — trafia gdzie indziej, i ta pozostałość nazywa się widmem wtórnym.

Przyczyna jest głębsza niż liczba równań i warto ją zrozumieć, bo tłumaczy, dlaczego apochromat jest tak drogi. Liczba Abbego opisuje dyspersję jedną liczbą, a dyspersja nie jest liniowa. Dwa szkła mogą mieć bardzo różne V, a mimo to bardzo podobny kształt krzywej n(λ) — i wtedy po zniesieniu różnicy między F i C w środku zakresu zostaje resztka.

Δfwt ≈ f · (P₁ − P₂) / (V₁ − V₂) Δfwt — pozostały rozjazd dla linii zielonej. P — względna dyspersja częściowa szkła, wielkość podawana w katalogach obok V. Zerowanie licznika wymaga pary szkieł o tej samej dyspersji częściowej przy różnym V — i takich par jest bardzo mało.

Stąd bierze się cała trudność. Szkła o „nietypowej” dyspersji częściowej — fluorokrony, fluoryt — są rzadkie, drogie i kłopotliwe w obróbce, a bez nich apochromat po prostu nie wychodzi. Jest to jedyny powód, dla którego obiektywy oznaczone APO kosztują wielokrotnie więcej od zwykłych, i jest to powód czysto materiałowy, nie konstrukcyjny.

Rząd wielkości warto zapamiętać: widmo wtórne dobrego achromatu wynosi mniej więcej jedną dwudziestą tego, co rozjazd pojedynczej soczewki. Dla stumilimetrowego BK7 daje to około 0,08 mm zamiast 1,56 mm — poprawa dwudziestokrotna, ale nie zero. Apochromat schodzi jeszcze o rząd niżej i dopiero tam rozjazd przestaje być mierzalny w typowym użyciu.

Pomiar · LoCA czy TCA

Rozstrzygnięcie w dwie minuty

Obie odmiany dają kolorowe obwódki i bywają mylone, mimo że mają inne przyczyny, inne objawy i zupełnie różne konsekwencje dla pracy w compie.

CechaLoCA · podłużnaTCA · poprzeczna
gdzie w kadrzewszędzie, także w samym środkutylko poza osią, rośnie z promieniem
kierunek obwódkizależy od strony ostrościzawsze radialnie, od środka kadru
przed ostrościąobwódka jedna barwa (zwykle magenta)bez zmian
za ostrościąobwódka barwa przeciwna (zwykle zielona)bez zmian
w płaszczyźnie ostrościznikazostaje
przy przymykaniusłabnie wyraźnieprawie bez zmian
usuwalna w compienie — to różnica ostrości kanałówtak — to przeskalowanie kanałów

Wiersz ostatni jest tym, dla którego cała ta tabela istnieje: jedna z dwóch odmian da się usunąć trywialnie, a druga nie da się wcale.

Protokół rozstrzygający. Sfotografuj kontrastową krawędź — najlepiej gałąź na tle nieba — w trzech ustawieniach ostrości: dokładnie na niej, wyraźnie przed i wyraźnie za. Trzy klatki wystarczają.

Jeśli obwódka zmienia barwę na przeciwną między przednim a tylnym ustawieniem, jest to LoCA. Jeśli utrzymuje tę samą barwę i ten sam kierunek — radialny, od środka kadru — jest to TCA. Jeśli występują obie, zobaczysz jedno i drugie naraz, i wtedy warto powtórzyć test w samym środku kadru, gdzie TCA z definicji nie ma.

Konsekwencja praktyczna dla compu jest ostra i warto ją zapamiętać. TCA usuwa się i odtwarza jednym przeskalowaniem kanałów, proporcjonalnie do promienia — jest to operacja geometryczna, tania i odwracalna. LoCA jest różnicą ostrości między kanałami, więc jej odtworzenie wymaga rozmycia kanałów o różne wielkości, a jej usunięcie nie jest możliwe, bo w kanale nieostrym detalu po prostu nie ma. Jest to ten sam rodzaj nieodwracalności, co przy obcięciu z Rozdziału 31.