Purple Fringing

by / martedì, 18 dicembre 2018 / Published in Alta Fotografia, Fotografia, Il blog

 

PURPLE FRINGING – una aberrazione cromatica

 

Tra i vari inconvenienti che si presentano quando scattiamo delle fotografie, specie quelle digitali, possiamo annoverare il “PURPLE FRINGING” letteralmente “frangia viola”. Questo fenomeno è generato dall’aberrazione cromatica in particolari condizioni di riprese fotografiche, analizziamolo nei dettagli.

Per poter comprendere il fenomeno dobbiamo prima capire cosa avviene quando la luce si propaga. A noi interessa in modo particolare vedere che cosa succede quando la luce viene concentrata dall’obbiettivo sul sensore di immagine.

La scienza che studia la propagazione luminosa è l’ottica geometrica.

Trascuriamo l’ottica ondulatoria, che trova il suo campo di applicazione in astronomia, ed analizziamo la propagazione della luce. Fin dall’antichità si è affermato che nel vuoto la propagazione avviene in modo rettilineo mentre se la luce incontra un materiale di tipo diverso avvengono i fenomeni fisici della riflessione e della rifrazione che ci permettono di capire il funzionamento di prismi, specchi e lenti (i principali elementi costitutivi degli obbiettivi).

Quando la luce bianca incide, in modo opportuno, su un prisma di materiale trasparente e riesce dalla seconda superficie essa viene scomposta in vari raggi ognuno con un diversa lunghezza d’onda cioè con colori diversi. Questo fenomeno fisico è alla base della visione dell’arcobaleno. Figura n° 1.

Quando la luce colpisce la superficie di separazione tra due corpi diversi (per semplicità supponiamo che la superficie di separazione sia un piano perfetto) con un indice di rifrazione diverso dal primo avremo il fenomeno della riflessione. Quando un raggio incidente colpisce la superficie di separazione tra due diversi materiali, ad esempio aria ed acqua, viene generato un nuovo raggio, detto raggio riflesso, che si trova nello stesso piano del raggio incidente e della perpendicolare al piano di separazione dei due materiali. Se chiamiamo Alfa l’angolo tra la perpendicolare al piano ed il raggio incidente avremo, con verso opposto, lo stesso identico angolo tra la perpendicolare ed il raggio riflesso (Figura n° 2).

Analogamente quando la luce colpisce la superficie di separazione tra due corpi diversi, che avranno quindi due “indici di rifrazione” diversi dipendendo dai diversi materiali, viene generato un raggio che attraversa la superficie di discontinuità che viene chiamato raggio rifratto. Questo si trova nello stesso piano del raggio incidente e della perpendicolare al piano di separazione dei due materiali. Le ampiezze degli angoli incidente e rifratto sono legate dalla legge di Snell:

dove i coefficienti n (indice di rifrazione) dipendono dai materiali costituenti i due mezzi e dalla lunghezza d’onda dell’onda incidente, quindi dal colore del raggio luminoso (Figura n° 2).

Quando è presente il fenomeno di rifrazione oltre al raggio rifratto è sempre presente anche il raggio riflesso. Nel caso in cui il raggio provenga dal mezzo con indice di rifrazione maggiore, tale che l’angolo uscente dovrebbe essere maggiore di 90 gradi, il raggio rifratto non è presente e tutta la luce viene riflessa (riflessione totale).

La variazione dell’indice di rifrazione in funzione del colore provoca il fenomeno della dispersione, cioè la separazione di un raggio di luce bianca nel suo spettro. Possiamo quindi affermare che la dispersione è un fenomeno fisico che causa la separazione delle componenti spettrali, cioè con diversi colori, di un’onda; questo fenomeno è legato alle diverse velocità dell’onda nel mezzo attraversato. La dispersione è anche chiamata dispersione cromatica per enfatizzare la sua dipendenza dalla lunghezza d’onda. Le aberrazioni cromatiche al contrario di quelle monocromatiche, cioè generate dalla luce di un solo colore, sono dovute solo alla luce policromatica. Un mezzo che esibisce queste caratteristiche nei confronti dell’onda propagata è detto dispersivo. La dispersione cromatica è all’origine dell’aberrazione cromatica.

Quando una luce formata da diverse componenti, ognuna ad una determinata frequenza che corrisponde come già detto a colori diversi, attraversa la superficie di separazione tra due mezzi avremo una dispersione che dipenderà da diversi fattori. Un primo esempio è quello già citato del prisma di vetro che disperde la luce bianca in un arcobaleno di colori. Una prima aberrazione cromatica che prendiamo in considerazione è quella longitudinale o assiale (Figura n° 3 A).

In questo caso avremo l’incapacità di una lente di concentrare i diversi colori tutti su uno stesso piano focale. Per ogni tipo di colore che si presenta sull’asse ottico della lente avremo sempre un punto focale, ma i vari punti focali per i diversi colori saranno spostati nella direzione longitudinale dell’asse focale generale. Questo comportamento è evidenziato in figura 3 A dove vediamo che per la sorgente luminosa formata dai tre colori primari solo la luce verde raggiungerà il punto di messa a fuoco sul sensore di immagine. La luce blu e quella rossa avranno un cosiddetto circolo di confusione nel piano del sensore e non saranno acquisite in modo corretto. Questo tipo di aberrazione è più marcato al centro e si manifesta principalmente sui raggi che incidono sul piano focale ortogonalmente.

Un altro tipo di aberrazione è quella trasversale o laterale. Analogamente al caso precedente avremo che la luce incidente porta alla aberrazione cromatica trasversale (Figura n° 3 B). Tutti i colori sono a fuoco sullo stesso piano ma l’ingrandimento dell’immagine risultante dipende dalla lunghezza d’onda. Come nel caso precedente lo spostamento laterale del colore dipende dalla sua lunghezza d’onda. Per una lente corretta dall’aberrazione cromatica longitudinale è necessario che i punti focali coincidano per tutti i colori. Poiché la lunghezza focale è determinata dalla distanza dal piano principale posteriore al piano dell’immagine, la lunghezza focale dipende dalla lunghezza d’onda anche quando tutte le immagini sono sullo stesso piano. Questo tipo di aberrazione si manifesta soprattutto sui raggi che incidono sul piano focale con un angolo diverso da quello retto ed è più evidente nelle zone dell’immagine più esterne rispetto al centro.

Va inoltre detto che in pratica le due aberrazioni longitudinale e trasversale sono coesistenti rendendo la necessaria correzione finale più complessa. Possiamo affermare che lo spazio immagine di un soggetto policromo è composto da immagini monocromatiche di varie dimensioni e posizioni. L’aberrazione trasversale è particolarmente evidente nei teleobiettivi e nei teleobiettivi a lenti invertite (retrofocus – una particolare tecnica che permette di accorciare le dimensioni fisiche degli obiettivi).

Come detto l’aberrazione cromatica è un difetto nella formazione dell’immagine dovuta al diverso valore di rifrazione delle diverse lunghezze d’onda che compongono la luce che passa attraverso l’obbiettivo. Questo si traduce in immagini che presentano ai bordi degli aloni colorati. Possiamo dire che per le radiazioni policromatiche le componenti con lunghezza d’onda più corta vengono rifratte maggiormente creando una dispersione dell’immagine sul piano focale. La manifestazione diventa visibile come un alone attorno all’oggetto osservato, rosso da una parte e blu dall’altra. Questo perché rosso e blu sono ai due estremi dello spettro della luce visibile, e sono quindi i colori per i quali la differenza di rifrazione è maggiore. Anche se con diversi effetti ritroviamo questo problema in tutti gli obbiettivi.

Per risolvere Il problema normalmente nella costruzione degli obiettivi si utilizzando lenti multiple di materiali con diversa dispersione, in modo tale che le differenze tra gli angoli di rifrazione per la stessa lunghezza d’onda si annullino tra loro. Questa tecnica per ridurre l’aberrazione, che ovviamente è impossibile da eliminare completamente, è detta “doppietto acromatico”. Naturalmente la tecnica è utilizzata anche con più di due materiali, anzi ottenere obbiettivi con buone caratteristiche è una operazione molto complessa e di conseguenza costosa. È possibile anche utilizzare lenti costruite con materiali a bassa dispersione come la flourite (figura 4). I dispositivi che usano superfici riflettenti (specchi) non soffrono di aberrazioni cromatiche.

A titolo di esempio riportiamo in figura 4 A lo schema costruttivo per i gruppi ottici di un obiettivo standard da 50 mm (quello riportato è uno schema esemplificativo poiché l’argomento è molto complesso e volendo si può trovare una letteratura tecnica molto grande al riguardo). In figura 4 B per confronto riportiamo lo schema costruttivo per un obiettivo Canon EF 200 mm f 2. Dal confronto si vede che gli obiettivi reali presentano diversi gruppi di lenti, inoltre le lenti sono costruite in materiali diversi.

Le principali difficoltà si trovano nei teleobiettivi e nei sistemi retrofocus poiché la costruzione è asimmetrica. Per correggere il problema si usano i doppietti acromatici. Vengono combinate delle lenti in vetro convesse con altre concave.

Utilizzando vetri a bassa dispersione si ottengono gli obiettivi apocromatici (APO).

Per minimizzare gli effetti del purple fringing bisogna quindi progettare con cura le lenti e gli schemi ottici degli obiettivi. Questo problema avrà delle conseguenze notevoli sul prezzo finale.

L’occhio umano è particolarmente sensibili alla luce verde, per questo motivo la messa a fuoco sia manuale che quella autofocus tende a portare l’immagine verde a fuoco più facilmente. Gli altri colori dello spettro sono meno visibili di conseguenza il purple fringing (viola) è più comune di quello a frange verdi.

Nella fotografia digitale, ed in quella analogica, con purple fringing si intende un effetto dell’interazione dovuta sia al sensore d’immagine che all’ottica utilizzata. Si manifesta come un alone sfocato di colore variabile specie nelle immagini che contengono aree ad elevato contrasto. L’aberrazione cromatica è più marcata per le lunghezze d’onda più corte a cui una fotocamera è sensibile (luce violetta o ultra violetta).

Questo termine è stato usato già prima dell’invenzione della fotografia ed esiste una cospicua letteratura tecnica al riguardo. Viene talvolta chiamata sia aberrazione cromatica laterale che aberrazione cromatica assiale. L’aberrazione cromatica assiale si può ridurre maggiormente con la chiusura del diaframma di più che quella laterale. In definitiva possiamo affermare che il purple fringing dipende fortemente dal diaframma.

Oltre all’aberrazione cromatica tra le varie cause del purple fringing troviamo:

    • sensibilità legata al tipo di sensore. Sono più sensibili i sensori di tipo CCD piuttosto che quelli CMOS
    • aberrazione cromatica in ogni cella (la microlente montata su ogni singolo fotosito) dei CCD
    • rumore digitale nelle aree scure
    • elaborazione dell’immagine e sua interpolazione
    • luce ultravioletta diretta
    • luce infrarossa diretta
    • sovraesposizione dell’immagine
    • perdite di cariche tra celle contigue nei sensori CCD

I metodi comunemente usati per evitare o ridurre il purple fringing includono:

    • evitare di scattare con il diaframma a tutta apertura in presenza di scene ad elevato contrasto
    • evitare la sovraesposizione delle alte luci (ad esempio un cielo molto luminoso di sfondo a soggetti scuri)
    • utilizzare un filtro UV di elevata gradazione

Oltre al purple fringing, di cui abbiano parlato, abbiamo anche il fenomeno del blooming (letteralmente fioritura).

Il fenomeno si verifica quando un gruppo di fotodiodi su un sensore di immagine riceve più luce di quella gestibile. La carica elettrica risultante si trasferisce nei fotodiodi adiacenti, che perdono la loro capacità di registrare il segnale proporzionale alla luce incidente ricevuta. La conseguenza sarà un danneggiamento dell’immagine. Questo fenomeno si presenta sempre nelle zone ad alto contrasto ma solitamente la frangia è di un solo colore (tipicamente il blu). La maggior parte dei produttori di sensori immagini di tipo CCD includono dei sistemi direttamente sul sensore per limitare le cariche eccessive.

I due tipi di aberrazione hanno effetti diversi sulle immagini: una perdita globale di nitidezza o la formazione di frange colorate (il viola è il colore principale ma possono assumere anche altri colori) nelle zone di transizione ad alto contrasto. Questo tipi di fenomeni sono particolarmente presenti su obiettivi grandangolari, ma possono essere presenti, con effetti più visibili con frange più larghe, anche sui teleobiettivi.

Riportiamo a titolo di esempio una serie di foto fatte per evidenziare il fenomeno. La prima scelta è stata quella di scattare tutte le immagini ad alto contrasto (una rete con una parte in controluce). La figura 5 è stata scattata con una Nikon Coolpix S710 (con un sensore CCD) alla sensibilità di 100 ISO focale 4 tempo 1/125 distanza focale 6 mm. È stata ingrandita una parte per evidenziare che il fenomeno è presente ma in forma abbastanza ridotta.

La figura 6 è stata scattata con una Canon EOS 6D (con un sensore CMOS) obiettivo Canon EF 24-105 alla sensibilità di 100 ISO focale 4 tempo 1/80 distanza focale 24 mm. È stata ingrandita una parte per evidenziare che il fenomeno è presente ma in forma abbastanza ridotta.

La figura 7 è stata scattata con la stessa fotocamera ed obiettivo precedenti alla sensibilità di 100 ISO focale 4 tempo 1/250 distanza focale 105 mm. È stata ingrandita una parte per evidenziare che il fenomeno è presente in modo più evidente che nella foto precedente.

La figura 8 è stata scattata con una Canon EOS 450D (con un sensore CMOS) obiettivo Sigma 8-16 alla sensibilità di 100 ISO focale 5,6 tempo 1/100 distanza focale 16 mm. È stata ingrandita una parte per evidenziare che il fenomeno è presente in modo evidente. La rete presenta un evidente purple fringing ed inoltre la spiga presenta una aberrazione cromatica sul colore blu.

Infine, presa da internet, riportiamo un esempio di purple fringing di colore verde (figura 9).

Possiamo concludere che il fenomeno dipende fortemente dalle ottiche utilizzate ed è maggiormente presente quando viene utilizzato un teleobiettivo.

In alternativa ai metodi visti fino ad ora possiamo aggiungere che esistono vari software che eseguono questa correzione. Questi sono basati sulle librerie Panotools scritte da Helmut Dersch. Queste librerie, scritte in linguaggio “C” sono state compilate in librerie dinamiche (DLL) e da queste sono stati sviluppati dei plugin per i programmi di fotoritocco più diffusi, ad esempio Photoshop. Il problema di questi plugin è che bisogna conoscere il comportamento di ogni singolo obiettivo per calcolare i giusti coefficienti da applicare per la correzione delle immagini. I vantaggi sono il controllo totale dell’aberrazione ma gli svantaggi sono i calcoli complicati (sono sconsigliabili per la maggior parte dei fotoamatori).

I risultati migliori si ottengono elaborando i file di tipo raw ma i software che permettono questa operazione non sono freeware.

In definitiva possiamo cercare di ridurre l’effetto evitando di scattare le fotografie nelle condizioni in cui è più probabile che la sua manifestazione diventi troppo evidente o possiamo utilizzare gli opportuni strumenti software per ridurlo in post-elaborazione. Il metodo migliore resta però quello di utilizzare delle ottiche che siano state progettate e costruite con buona qualità.

FRANCESCO

questo articolo è stato pubblicato sulla rivista FOTOGRAFARE 6 (Giugno) del 2014 nella rubrica di ALTA FOTOGRAFIA.

P.S. Visto il tempo trascorso dalla pubblicazione va precisato che l’impianto tecnico dell’articolo è sempre valido ma risulteranno poco attendibili le eventuali ricerche di mercato o le scansioni temporali dei prodotti fotografici citati nel medesimo.

 

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