Wat is longitudinale chromatische aberratie en waarom is corrigeren zo lastig?

Heb je ooit naar een foto gekeken en je afgevraagd: “Wat is er aan de hand met al die groene en roze kleuren rond hoog-contrast randen?” Dat is longitudinale, of axiale, chromatische aberratie. LoCA. Het komt vaker voor, is optisch erg lastig te voorkomen en bijna net zo moeilijk te verwijderen tijdens nabewerking.

Wat is longitudinale chromatische aberratie?

LoCA is niet het enige type chromatische aberratie; zowel LoCA als laterale, of transversale chromatische aberratie ontstaan om vergelijkbare redenen. In grote lijnen treden chromatische aberraties op wanneer verschillende golflengten van licht op verschillende punten scherpstellen.

In het geval van LoCA ligt het probleem erin dat rode, groene en blauwe golflengten door elementen in een lens reizen en op verschillende punten op het brandvlak scherpstellen, ongeacht of dat nu film is bij een analoge camera of de beeldsensor in een digitale camera.

Three colored light beams—red, green, and blue—converge and cross at a central focal point, creating a bright, multicolored area against a dark background with faint grid lines.

Zoals Canon uitlegt in een video die het met PetaPixel deelde voor dit verhaal: “Ideaal zouden alle golflengten van licht die door een lens gaan op één punt op het beeldvlak moeten samenkomen.” Als dit gebeurt, is er geen chromatische aberratie.

Het probleem is dat verschillende kleuren licht anders buigen door glas, wat betekent dat “kleine verschuivingen in de uitlijning” onvermijdelijk zijn.

Wanneer verschuivingen heel minimaal zijn, valt het voor de meeste fotografen misschien wel mee. Maar wanneer ze significant zijn, wat vaker het geval is bij extreem snelle lenzen met grote glas-elementen, kan het behoorlijk storend zijn. Vele fotografen houden niet van duidelijke kleurafwijkingen in hun foto’s. Aangezien LoCA vooral effect heeft op de bokeh, kan slecht gecoördineerde LoCA bijzonder storend zijn.

Close-up of tangled silver chains hanging on a white surface, with the foreground in sharp focus and the background blurred. The intricate links create a textured, shiny pattern.

“De golflengten van rood, groen en blauw licht zijn verschillend, waardoor ze op verschillende posities focussen,” vertelt Fujifilm aan PetaPixel.

Wanneer je iets fotografeert, zoals een persoon, heb je een brandpuntvlak, meestal nabij de ogen. Alles voor of achter dat brandpuntvlak is uiteraard onscherp. Stel je een perfect gecorrigeerde lens voor, wat praktisch onmogelijk is. In dit geval reizen alle golflengten van licht door de lens en convergeren ze op een enkel, perfect punt. Dit betekent dat onscherpe elementen perfect neutraal zullen zijn, zonder kleurfringing.

A narrow white light beam enters a transparent prism, splitting into three colored beams—red, green, and blue—on a dark background, illustrating light dispersion.

In werkelijkheid is het licht soms misuitgelijnd in één richting en ligt andere licht in een andere richting te ver uit. Een veel voorkomende situatie is een groen misalignment achter het brandvlak en een rode of roze misalignment voorliggend. Zodoende kunnen onscherpe delen dichter bij de camera magenta-kleurfringing tonen, terwijl onscherpe delen op de achtergrond groene randen kunnen vertonen.

Sunlight filters through the branches of a tree with sparse leaves and berries, against a blue sky. Some branches are covered with a light dusting of frost, creating a wintery atmosphere.

Wanneer deze misalignments off-axis gebeuren, kan er latere chromatische aberratie optreden. Dit verschijnt buiten het centrale deel van de foto en is meestal één enkele kleur, zoals blauw of paars. Omdat het geen verschillende kleuren betreft, is het gemakkelijker om dit selectief te verwijderen tijdens nabewerking. Het komt vaker voor bij groothoeklenzen of lenzen zonder geavanceerde optische elementen.

Hoe verminderen lensfabrikanten LoCA?

Dus Canon en Fujifilm hebben beide uitgelegd wat longitudinale chromatische aberratie is en wat de oorzaken zijn, maar wat zeggen Canon, Fujifilm en Nikon over het corrigeren van chromatische aberraties?

“Sommige nieuwe optische technologieën zijn geïmplementeerd om de effecten van LoCA tegen te gaan, zoals Nikon’s ‘multi-focus’ systemen op geselecteerde lenzen (vooral macrolenzen, die een hoge vatbaarheid voor LoCA hebben),” vertelt Mark Cruz, Sr. Manager, Product DCIL, Nikon Inc., aan PetaPixel. “Dit nieuwe systeem bereikt een extreem hoge scherpstellingsnauwkeurigheid bij korte afstanden door tegelijkertijd twee AF-aandrijvingen te sturen. Dit resulteert in een hoog niveau van compensatie voor aberraties op korte afstanden.”

Two birds perch on a dark rocky outcrop by the water, with sunlight reflecting off the rippling waves in the background.

Cruz vervolgt en legt uit dat vooruitgang in glasverwerking en fabricagetechnieken Nikon in staat heeft gesteld om zijn glas preciezer te vormen. Door verschillende convex- en concave-lensvormen te combineren en met aanzienlijk nauwkeurigere glas-elementen, zijn de ingenieurs van Nikon erin geslaagd chromatische aberraties te verminderen en ervoor te zorgen dat verschillende golflengten van licht beter op de beeldsensor uitgelijnd zijn.

Dit is vooral belangrijk bij grote-diameter asferische lenzen, die historisch gezien moeilijk te vervaardigen en af te slijpen waren met de vereiste nauwkeurigheid.

“Een andere bijdrage aan de vermindering van LoCA komt door Nikon’s vooruitgang in glas met hoge brekingsindex (HRI), terwijl verbeterde fabricageprocessen hebben geleid tot een hogere zogeheten oppervlaktnauwkeurigheid. De nieuwste generatie van dit gevormde glas compenseert effectief voor verschillende lensaberraties. Daarnaast blijven we bol- en asferische elementen gebruiken die een uitstekende oppervlaktenaarding leveren met een verbeterde corrigerende capaciteit,” voegt Cruz toe.

Two types of camera lenses are shown above three diagrams comparing how glass, ED glass, and Super ED glass focus colored light onto a single focal plane. Colored lines illustrate reduced chromatic aberration.

Wat Fujifilm betreft, minimaliseert het longitudinale chromatische aberraties door ED- en Super ED-lenzen te gebruiken. ED-glas, door alle grote fabrikanten gebruikt, vermindert chromatische aberratie aanzienlijk. “ED” staat voor Extra-low Dispersion, wat betekent dat licht minder verspringt terwijl het door de lens reist.

Super ED-glas, zoals de naam al suggereert, is nog beter.

“Wij minimaliseren de longitudinale chromatische aberratie door ED-lenzen en Super ED-lenzen te gebruiken die lichtverspreiding verminderen, evenals door lenzensystemen te ontwerpen die concave en convexe elementen combineren om de aberratie tegen te gaan,” vertelt Fujifilm aan PetaPixel.

Hoewel het misschien een geweldig idee lijkt om zoveel mogelijk ED- en Super ED-glas in lenzen te proppen, is het helaas niet zo eenvoudig. Het corrigeren van chromatische aberraties is slechts één focuspunt voor lenzenontwerpers. Ze moeten er ook voor zorgen dat de lens scherp is, een goed contrast biedt en bestand is tegen flare. Lenzen moeten ook betaalbaar zijn, snel scherpstellen en niet te zwaar zijn. Er zijn veel doelstellingen in lensontwerp, en sommige werken rechtstreeks tegen elkaar in, waardoor ingenieurs in een uitdagende afweging komen te staan.

“We ontwerpen de lensconfiguratie op een optimale manier terwijl we rekening houden met de beste balans tussen grootte, gewicht en kosten,” zegt Fujifilm. “Zo bestaat bijvoorbeeld bij grote-apertuurlenzen zoals de XF500mm F5.6 de lenengroep uit 21 elementen, waaronder 5 ED-lenzen en 2 Super ED-lenzen. De XF500mm F5.6 onderdrukt longitudinale chromatische aberratie effectief door vijf ED-lenzen en twee Super ED-lenzen te gebruiken, waardoor de focuslens uit slechts één element kan bestaan. Nu het aantal lenzen in de focusgroep toeneemt, wordt ook het gewicht zwaarder; daarom nemen we dit aspect tijdens het ontwerp zorgvuldig in ogenschouw.”

A digital rendering showing an exploded view of a camera telephoto lens, revealing its internal elements and glass components against a black background.

In Canon’s geval hangt de aanpak af van de lens. Voor lenzen die gericht zijn op een meer toegankelijke prijsstelling is een goede manier om chromatische aberraties te verminderen het zorgvuldig inzetten van convexe en concave lenzen. Dit is een basisbenadering, maar kan effectief zijn. Het buigt eigenlijk verschillende golflengten van licht in tegengestelde richting, met als doel refractieve fouten te neutraliseren. Het is een delicate balans.

Canon heeft ook “ED” lenzen, hoewel ze UD (Ultra-low Dispersion) worden genoemd. Canon groeit zelfs zijn eigen synthetische fluorietkristallen om deze gespecialiseerde optiek te maken met aanzienlijk lagere brekingsindices.

Several rough green and white crystals, a large clear synthetic crystal, and three polished optical lenses are displayed on a dark surface, illustrating the process of transforming raw minerals into finished lenses.

Zoals Canon uitlegt, is deze aanpak niet altijd de beste. Voor lenzen met grote diafragma’s (snelle lenzen) en die met kortere buis kan het niet altijd haalbaar zijn om de lichtbaan zo te buigen dat het licht convergeert. Het vereist veel lens-elementen, en er is niet altijd genoeg ruimte voor al die elementen.

In gevallen zoals deze, waarin Canon compacte lenzen met hoge beeldkwaliteit en minimale chromatische aberratie wil, heeft het een geheel nieuw type glas ontwikkeld: Blue Spectrum Refractive (BR) elementen.

A diagram comparing how red, green, and blue light focus through conventional glass, fluorite/UD lenses, and BR optics, showing improved alignment of light rays with advanced lens types.

“Blauw (korte golflengte) licht is bijzonder lastig voor lenzeningenieurs omdat het pad ervan door een lenselement niet op dezelfde manier kan worden gecorrigeerd als bij langer golflengten zoals groen en rood licht, wat betekent dat blauwe kleurfringing kan ontstaan,” legt Canon uit. “Maar in augustus 2015 introduceerde Canon de EF 35mm f/1.4L II USM, de eerste lens met een Blue Spectrum Refractive (BR) element. Het BR-element maakt gebruik van een nieuw organisch optisch element met andere dispersie-eigenschappen dan standaard elementen. Het bevindt zich tussen concave en convex glaslenzen, om het pad van blauw licht te beheersen en chromatische aberratie te minimaliseren.”

Ik heb dit BR-element zelf in Japan gezien, en het is erg indrukwekkend. Een decennium lang in de maak, gebruiken BR-optische elementen anomalous dispersion om te veranderen hoe blauw licht refracteert in de lens.

Diagram showing three transparent lens elements with colored lines (red, green, blue) passing through them, illustrating how light is refracted and converged toward an "R" symbol on a dark background.

Het BR-element zelf is zeer dun en maakt het veel gemakkelijker om blauw golflengte van licht op de beeldsensor te focussen. In wezen houdt het blauw licht tegen om van het gewenste optische pad af te wijken en, naast andere optische benaderingen, houdt het rood, groen en blauw licht op één punt op het brandvlak scherp.

Two red dice with white dots rest on a dark textured surface next to two parallel silver chains. The dice are translucent and one is in sharp focus, while the other is blurred in the background.

Side-by-side comparison of two images showing chromatic aberration in a close-up of a silver instrument; the left image is blurry with color fringing, while the right image is much sharper and clearer.

De software-zijde

Het is ook de moeite waard na te denken over hoe fabrikanten optische technologie combineren met software om de beeldkwaliteit verder te verbeteren. Nikon erkent bijvoorbeeld dat in sommige situaties LoCA zichtbaar blijft, zelfs bij lenzen met geavanceerde optische technologieën. In deze gevallen heeft zijn NX Studio-software speciale LoCA- corrigerende maatregelen die toegepast kunnen worden op zowel RAW- als JPEG-beelden.

Canon gebruikt zijn Neural Network-technologie om vergelijkbare resultaten te bereiken in zijn eigen software, Digital Photo Professional.

Derde-partij beeldbewerkingsapps, zoals Adobe Lightroom, DxO PhotoLab en meer, bevatten Chromatische aberratie-correctietools.

Zoals hierboven al vermeld, gezien de oorzaken van LoCA en hoe het in beelden verschijnt, kan het erg lastig zijn dit via software te corrigeren. Het kan worden verminderd, ja, maar de meest effectieve manier om LoCA te elimineren, is dit fysiek bij het moment van vastleggen te doen.

Het verwijderen van LoCA is zeer moeilijk

Het staat buiten kijf dat moderne lenzen aanzienlijk beter omgaan met longitudinale chromatische aberratie dan hun vintage-tegenhangers. Nieuwe lenzen leveren schonere beelden dan ooit en hebben veel effectievere aberratiecontrole om verschillende redenen, waaronder nauwkeurigere glas-elementen, geavanceerde glasmaterialen, en vaak een extra steuntje op de digitale correctiekant.

A person in a striped shirt sits at a desk in an office, working on a computer displaying colorful technical diagrams or schematics.

Fotografie draait om licht, en lenzen zijn zo goed als ze ooit zijn geweest in het op de perfecte manier buigen van verschillende golflengten licht zodat ze op één punt samenkomen. Zoals camerafabrikanten ons vertelden, is het buigen van licht een zeer delicate dans, en het uitschakelen van die vervelende cromatische aberraties is opmerkelijk lastig. Er is ontzettend veel tijd, geld en engineering in gestoken om je foto’s net dát beetje schoner te maken.