Le aberrazioni

Esistono due tipi di aberrazione. Le aberrazioni cromatiche e le aberrazioni monocromatiche, dette anche aberrazioni sferiche.

L’aberrazione cromatica

L’aberrazione cromatica è un difetto che affligge le ottiche, anche di buona qualità e fattura, e che sicuramente vi sarà capitato di riscontrare in alcune fotografie scattate: avete presente quell’alone biancastro che circonda alcuni oggetti? nella realtà l’alone in questione non esiste e nella fotografia tende a ridurne la nitidezza oltre che a cancellare alcuni particolari immediatamente vicini l’oggetto o la zona della fotografia colpita dall’aberrazione. La zona affetta è inoltre (da cui il termine di cromatica) di un colore sballato e non reale: nella foto in basso si nota del verde intorno alle aste delle bandiere.

L’aberrazione cromatica è direttamente legata alla qualità della lente. Per comprendere bene il problema, ricordiamo che la luce è una radiazione che viaggia (i fotoni) a differenti lunghezze d’onda. In alcuni casi, quando un oggetto si frappone tra la luce e i nostri occhi, queste radiazioni possono essere “scomposte”. Questa scomposizione è di fatto un errore, errore che viene poi registrato dal sensore. L’aberrazione cromatica più famosa è quella generata dalle gocce d’acqua sospese nel cielo dopo un temporale che fungono da “lente” per i raggi solari. Questi ultimi, colpendo queste goccioline, si scompongono nei colori primari creando un’aberrazione che in gergo chiamiamo arcobaleno.

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Lo stesso avviene in un’ottica fotografica: la lente, per quanto sia di qualità, mai sarà capace di far convergere tutti i raggi luminosi a tutte le frequenze (ad ogni frequenza corrisponde un colore) verso il fuoco e di conseguenza genererà un’aberrazione.

aberrazioni
aberrazione cromatica

 

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Nella figura di sopra viene rappresentato il problema della scomposizione della luce nonché l’esempio delle costosissime lenti a bassa dispersione che, in parte, riescono a risolvere il problema dell’aberrazione limitandone gli effetti.

Due i tipi di aberrazione che possiamo riscontrare: l’aberrazione cromatica assiale e l’aberrazione cromatica trasversale.

L’aberrazione cromatica assiale o longitudinale (LCA longitudinal chromatic aberration)  è direttamente legata all’incapacità della lente dell’obiettivo di mettere a fuoco tutte le lunghezze d’onda nella stessa lunghezza focale. Avremo le radiazioni, come nel disegno di sopra, messe a fuoco in differenti punti: prima il blu, quindi il verde e quindi il rosso ( Le lunghezze d’onda più corte (azzurro) vengono rifratte secondo un angolo maggiore di quelle più elevate (rosso)). A seconda dell’ordine dei colori e della spaziatura, percepiremo l’aberrazione in differenti modi, come del verde dell’immagine di sotto.

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Perché avviene la rifrazione? Perché la lente di un obiettivo non ha un indice di rifrazione unico per tutte le lunghezze d’onda ma l’uno differente (se pur di poco) dall’altro. Ciò fa si che ogni lunghezza d’onda avrà un piano di messa a fuoco differente (ovvero la distanza alla quale la luce colpisce il centro perfetto dell’obiettivo).

aberrazione cromatica
Il rosso vicino ai quadretti è un’aberrazione cromatica

Correggere l’aberrazione è costoso e difficile se non impossibile. Ma c’è un banalissimo trucco: se aumentiamo la profondità di campo (quindi chiudiamo il diaframma) miglioreremo la messa a fuoco minimizzando il problema dell’aberrazione cromatica che si concentrerà sui colori ai margini della scala cromatica, ovvero il rosso ed il blu.

Nel grafico di sotto è riportata la curva caratteristica che descrive come lo spostamento della messa a fuoco sia direttamente legato all’aberrazione cromatica: sull’asse orizzontale sono riportate (in nanometri) le diverse lunghezze d’onda della luce (dal blu al rosso). Sull’asse verticale è espresso (in decimi di millimetro) lo spostamento di messa a fuoco rispetto al piano focale  (indicato con lo zero).

aberrazione cromatica
spostamento di messa a fuoco causata da aberrazione cromatica

L’aberrazione cromatica trasversale (TCA transverse chromatic aberration) è legata allo zoom. Ingrandendo o rimpicciolendo un’immagine, quest’ultima viene proiettata sul piano di fuoco in posizioni differenti seconda della lunghezza d’onda.Le diverse lunghezze d’onda  del raggio di luce che colpisce obliquamente la lente vengono rifratte secondo angoli differenti e si focalizzano in punti diversi del piano focale, dando origine a sfrangiature colorate intorno ai punti immagine.

L’aberrazione trasversale, quindi, non fa altro che riprodurre più immagini (differenti per le differenti lunghezze d’onda). Questo tipo di aberrazione si mostra come delle frange colorate complementari che aumentano dal centro verso i bordi. A differenza della LCA la TCA non cambia in funzione dell’apertura, dipende dalla messa a fuoco ed è facilmente risolvibile via software: tutte le reflex di ultima generazione (tranne la Nikon D3000) hanno un software che elabora la TCA correggendola (non vi può essere interazione umana con questo software).

aberrazione cromatica trasversale

Nelle immagini di seguito viene riportata non solo l’immagine “finale” a colori con l’aberrazione in bella evidenza ma anche (nella gif animata) le tre immagini RGB: come si vede, a causa della differente lunghezza d’onda, la messa a fuoco è avvenuta in posizioni differenti con conseguente “movimento” delle tre foto! Combinandole insieme si è quindi ottenuta l’aberrazione della foto a colori.

aberrazione cromatica trasversale
L’aberrazione risultante © Thomas Niemann
aberrazione cromatica trasversale
L’aberrazione sui tre canali RGB (© Thomas Niemann)

V’è un ulteriore tipo di aberrazione, o meglio di non aberrazione, che affligge le digitali. Questi difetti vengono spesso confuse con la TCA e purtroppo ne sono spesso legati (si presentano insieme). Questo difetto si presenta, come nella foto qui di sotto,  sotto forma di frange viola o blu e sono visibili nel contorno delle aree sovraesposte.

non aberrazione
Esempio di NON Aberrazione Cromatica
Questo tipo di problema è spesso legato al bloom (ovvero a dei veri e propri overflow degli elettroni che si riversano, per abbondanza, da un fotosito del sensore ad un altro – overflow dovuto alla “troppa luce” e quindi troppi fotoni che colpiscono il fotosito). Il suo colore è legato al pattern di Bayer che prevede un totale di 50% di celle verdi, 25% di rosse e il 25% di blu: la combinazione è proprio il viola. Occhio che questo problema è riscontrabile sulle fotocamere con sensori CCD, le fotocamera con sensore CMOS sono esenti dal problema. Ma se il bloom è l’effetto principale, può capitare che questo problema si presenti anche a causa di errori costruttivi delle lenti, riflessi tra la lente ed il vetro protettivo (tutti mettiamo dei filtri uv a protezione delle lenti, specie se costose), dagli errori legati al filtro anti Moireè, dalla saturazione parziale dei colori (l’esempio è quello di un cielo blu visualizzato come bianco: manca saturazione).
In questo caso, la correzione può avvenire via software (Photoshop aiuta) anche se, attenzione, non sempre il risultato è ottimale: essendo un problema legato ad una determinata area dovrete lavorare “di fino” per non creare artificiosamente altre aberrazioni nella scena.

Le aberrazioni: Un po’ di storia

Fu Chester Moor Hall, nel 1733, che intuì come correggere l’aberrazione cromatica: egli unì due lenti una convergente ed una divergente meno potente in modo tale che il risultante rimanesse convergente. Un’invenzione particolarmente importante che però gli fu soffiata da tal John Dollond che nel 1758 ne ottenne il brevetto lasciando il primo a bocca a asciutta (il motivo fu semplice: Moor Hall si rivolse a due differenti artigiani per realizzare le due lenti  in modo da evitare che si rendessero conto della scoperta. Entrambi si rivolsero però ad un terzo artigiano, tal George Bass che resosi conto della scoperta ne divulgò i particolari. E Dollond pensò bene di “appropriarsene”).
Questa soluzione fu chiamata doppietto acromatico ed è su di questo che Fraunhofer, il secolo successivo, creò quello che tutt’ora è il sistema impiegato nelle moderne macchine fotografiche: lo scienziato costruì le due lenti del doppietto con vetri differenti e quindi con indici di dispersione differenti. Il primo vetro fu realizzato con ossidi di calcio e sodio (vetro crown), il secondo con ossidi di piombo (vetro flint).
Doppietto acromatico
Del Doppietto acromatico esiste anche un’evoluzione, il tripletto di Cooke che prevede di spezzare in due parti il vetro positivo del doppietto  (posizionate alle estremità del sistema con in mezzo l’elemento negativo). Questa evoluzione è alla base degli attuali obiettivi Tessar.
tripletto di cooke - le aberrazioni
Tripletto di Cooke

Aberrazione sferica

L’aberrazione sferica è un aberrazione che si manifesta sugli obiettivi dotati di lenti sferiche e che genera delle immagini distorte. Questo problema è dovuto alla natura della lente sferica stessa: i raggi più distanti dall’asse focale vengono messi a fuoco ad una distanza più vicina alla lente rispetto a quelli più prossimi all’asse stesso.

La soluzione a questo problema è molto semplice: creare delle lenti non più sferiche (molto semplici e poco costose) ma asferiche.

le aberrazioni: Aberrazione sferica
lente sferica (aberrazione sferica)
le aberrazioni: Aberrazione sferica
Lente Asferica

Le lenti asferiche hanno una curvatura non costante: in questo modo riescono a deviare i raggi luminosi in modo tale che convergano tutti sollo stesso punto. Molto più costose delle sferiche, ultimamente sono diventate più abbordabili grazie all’uso massiccio della plastica.

Individuare l’aberrazione sferica è facile: nell’immagine si forma  un doppio cono luminoso unito per le punte da un segmento lineare. La  lunghezza di questo segmento da una misura di quanto sia grave l’aberrazione.

E facile è anche risolverla (tant’è vero che è difficilissimo riprodurla!) in quanto è sufficiente contrapporre una lente positiva ad una lente negativa (se non si hanno lenti asferiche): entrambi genereranno l’aberrazione che andrà ad annullarsi.

L’aberrazione sferica si accentua  con la dimensione della lente ed infatti lenti spesse come nei grandangolari hanno un maggiori problemi. Anche in questo caso, riducendo il diaframma si riduce l’aberrazione.

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Fondatore di Fotografare in Digitale, ho sempre amato il mondo della fotografia e la possibilità di catturare un momento, un attimo, una sensazione tramite un semplice scatto. Nato come fotografo per caso quando misi le mani sulla mia prima Nikon D1, ho ampliato le mie conoscenze ed esperienze fotografiche, decidendo quindi di condividerle con chiunque fosse interessato alla fotografia. Sono un fotografo amatoriale di buon livello e continuo imperterrito a girare per le città con la fedele Nikon (ora una D800) appesa al collo.