Was ist chromatische Aberration? Der Regenbogen-Saum, den Sie unbewusst wahrgenommen haben

Licht ist keine einzelne Sache. Was wir als weißes Licht bezeichnen, ist eine Mischung aus Wellenlängen, wobei jede einer anderen Farbe entspricht. Violettes Licht befindet sich am kurzwelligen Ende des sichtbaren Spektrums. Rotes Licht befindet sich am langwelligen Ende. Jede Farbe, die du sehen kannst, liegt irgendwo zwischen diesen beiden Extremen.

Wenn Licht durch eine Linse fällt, wird es gebrochen. Diese Brechung wird Refraktion genannt, und so funktionieren Linsen: Sie brechen Lichtstrahlen so, dass sie in einem Brennpunkt konvergieren und ein scharfes Bild erzeugen. Aber hier liegt das Problem. Verschiedene Wellenlängen des Lichts brechen unter leicht unterschiedlichen Winkeln. Violettes Licht wird stärker gebrochen als rotes Licht. Rotes Licht wird weniger gebrochen als violettes.

Das bedeutet, wenn weißes Licht durch eine einfache Linse fällt, konvergieren die verschiedenen Farben nicht alle genau im selben Punkt. Violett fokussiert etwas näher an der Linse. Rot fokussiert etwas weiter entfernt. Die Farben werden ein wenig auseinandergezogen, und das Ergebnis ist ein Farbschleier an den Rändern von kontrastreichen Bereichen im Bild.

Das ist chromatische Aberration. Es ist kein Mangel im Herstellungsprozess. Es ist kein Schaden. Es ist eine fundamentale optische Eigenschaft jeder Linse, die Refraktion zur Fokussierung von Licht verwendet. Sie zu bekämpfen, ist eine der zentralen Herausforderungen des Objektivdesigns.

Zwei wissenswerte Typen

Es gibt zwei Hauptformen der chromatischen Aberration, die unterschiedlich aussehen und aus leicht unterschiedlichen Gründen auftreten.

Longitudinale chromatische Aberration tritt auf, wenn verschiedene Wellenlängen in unterschiedlichen Abständen von der Linse entlang der optischen Achse fokussieren. Das Ergebnis ist eine Farbsaumbildung, die im gesamten Bild auftritt, nicht nur an den Rändern. Sie zeigt sich tendenziell als magenta- oder violetter Saum bei nah fokussierten Motiven und als grüner Saum bei weit entfernten Motiven. Sie ist besonders auffällig beim Fotografieren mit weit geöffneter Blende, und das Abblenden ist eine der einfachsten Möglichkeiten, sie zu reduzieren.

Laterale chromatische Aberration tritt auf, wenn die verschiedenen Wellenlängen das Bildsensor oder die Filmebene an leicht unterschiedlichen seitlichen Positionen treffen. Anstatt einer Fokusverschiebung handelt es sich um eine Größenverschiebung: Die roten, grünen und blauen Kanäle des Bildes unterscheiden sich alle geringfügig im Maßstab und stimmen nicht perfekt überein. Das Ergebnis ist eine Farbsaumbildung, die am deutlichsten zu den Rändern und Ecken des Bildes hin sichtbar ist und in der Mitte weitgehend fehlt. Dieser Typ kann nicht durch Abblenden reduziert werden, ist aber in Post-Processing-Software relativ einfach zu korrigieren, da er einem vorhersagbaren Muster folgt.

Die meisten chromatischen Aberrationen in der realen Welt sind eine Kombination beider Typen, weshalb sie sich auf unterschiedliche Weise zeigen und unvorhersehbar wirken können, bis man versteht, was sie verursacht.

Das Problem der chromatischen Aberration ist Linsendesignern seit Jahrhunderten bekannt. Isaac Newton, der mehr zur Weiterentwicklung des Verständnisses von Licht und Farbe beigetragen hat als fast jeder andere davor oder danach, glaubte, es sei ein unlösbares Problem, das refraktiven Linsen eigen ist. Er irrte sich, aber es dauerte bis 1733, bis ein englischer Anwalt und Amateurwissenschaftler namens Chester Moore Hall dies bewies.

Hall entdeckte, dass durch die Kombination zweier verschiedener Glasarten, einer, die Licht divergieren ließ, und einer, die es konvergieren ließ, in den richtigen Proportionen, die chromatische Aberration jedes Elements teilweise die des anderen aufheben konnte. Das Ergebnis war ein achromatisches Dublett: eine Linse aus zwei verkitteten Elementen, die zwei Wellenlängen, typischerweise Rot und Blau, in denselben Brennpunkt brachte.

Dies war ein bedeutender Durchbruch. Teleskope und Mikroskope wurden dramatisch schärfer. Portraitobjektive verbesserten sich. Aber die Ausrichtung von nur zwei Wellenlängen hinterließ immer noch einen Restfarbsaum für die dazwischenliegenden Wellenlängen.

Moderne High-End-Objektive gehen noch weiter und verwenden apochromatische Designs, die drei Wellenlängen in Einklang bringen, und Glaselemente mit extra niedriger Dispersion, die die Trennung der Wellenlängen von vornherein minimieren. Ein Premium-Teleobjektiv eines großen Herstellers kann heute ein Dutzend oder mehr einzelne Glaselemente enthalten, von denen jedes sorgfältig ausgewählt und geformt wurde, um die von den anderen eingeführten Aberrationen aufzuheben.

Die beteiligte Technik ist außergewöhnlich. Und alles existiert, um ein Problem zu lösen, das aus einer einzigen grundlegenden Tatsache entsteht: Licht ist nicht eine einzige Sache, und Linsen behandeln verschiedene Farben unterschiedlich.

Kameraobjektive sind der offensichtlichste Ort, aber chromatische Aberration tritt überall dort auf, wo Licht ein brechendes Material durchdringt.

Billige Lesebrillen zeigen es oft deutlich. Schau durch ein günstiges Paar auf einen kontrastreichen Rand und du wirst möglicherweise einen schwachen Regenbogenrand an den Rändern der Gläser bemerken. Lupen zeigen es auch, besonders zum Rand hin. Aquarienglas, Glasfenster in steilen Winkeln, sogar die Linsen von Ferngläsern erzeugen je nach Qualität einen gewissen Grad an Farbsäumen.

Deine eigenen Augen sind ebenfalls nicht immun. Die menschliche Linse erzeugt chromatische Aberration, und das visuelle System kompensiert dies automatisch, weshalb du es normalerweise nicht bemerkst. Aber es ist da. Unter bestimmten Bedingungen, wie beim Betrachten sehr feiner kontrastreicher Muster oder in Experimenten, die darauf ausgelegt sind, es aufzudecken, wird die chromatische Aberration des Auges sichtbar. Wir haben einfach Millionen von Jahren neuronaler Verarbeitung, die darauf aufbaut.

Chromatische Aberration ist im Kern eine Demonstration von etwas Grundlegendem über die Natur des Lichts. Weißes Licht ist keine einzelne Entität. Es ist ein Spektrum von Wellenlängen, die zusammenreisen, und wann immer diese Wellenlängen mit Materie interagieren, sei es eine Glaslinse, ein Prisma oder ein Wassertröpfchen, reagieren sie unterschiedlich.

Ein Prisma trennt weißes Licht in seine Komponentenfarben, indem es genau diese Eigenschaft nutzt. Ein Regenbogen tut dasselbe durch Wassertröpfchen in der Atmosphäre. Chromatische Aberration in einem Kameraobjektiv ist die gleiche Physik, nur unerwünscht und auf kleinerem Raum.

Genau das machen CMY Cubes greifbar. Wenn du einen CMY Cube ins Licht hältst, interagierst du mit denselben Prinzipien, die chromatische Aberration verursachen. Licht, das durch das Harz dringt, wird gebrochen und getrennt, und die entstehenden Farben hängen davon ab, welche Wellenlängen gefiltert, gebogen und übertragen werden. Das lebhafte Cyan, Magenta und Gelb, das du siehst, ist nicht aufgemalt. Es ist das Ergebnis von Licht, das nach Wellenlänge sortiert wird, genau wie in jedem optischen System.

Chromatische Aberration ist normalerweise etwas, das Designer und Ingenieure hart daran arbeiten zu eliminieren. Aber das zugrunde liegende Phänomen ist dasselbe, das einen Sonnenuntergang orange macht, ein Prisma magisch, und einen CMY Cube unendlich bemerkenswert macht.

Der Regenbogenrand ist kein Fehler. Es ist Physik, die das tut, was Physik tut.