HD ACADEMY a cura dell Ing. Sergio Brighel* Obiettivi in Alta Definizione e getione delle Aberrazioni Cromatiche 1 parte Il fenomeno delle aberrazioni cromatiche è tra le caue più importanti di decadimento delle pretazioni per gli obiettivi televiivi in Alta Definizione. Ciò è icuramente un argomento importante per le ottiche detinate alle applicazioni ENG (Electronic New Gathering; giornalimo televiivo) dove i vincoli di piccolo formato, compattezza e leggerezza ne rendono più complea la getione. Come i vedrà nel eguito, l effetto delle aberrazioni è poi accentuato dall elettronica delle telecamere la quale non può accorgeri a priori di queta caua di errore e correggerla adeguatamente. Tuttavia, alcuni intereanti e recenti viluppi dimotrano che ciò non è più vero tout court: i cotruttori di telecamere hanno infatti cominciato ad integrare oluzioni tecnologiche che conentono di limitarne l effetto con innovativi dipoitivi di correzione digitale introdotti nel proceo dei egnali R,G,B. Dal punto di vita fiico, il problema delle è inevitabile e dipende dal fatto che qualunque mezzo materiale (con la ola eccezione del vuoto) attravero il quale i propaga una Figura 1 Umpteen pawnbroker laughed, even though tw Mercury goip. The purple televiion comfortably abued perturbazione elettromagnetica aume un comportamento diperivo, cioè muta le ue caratteritiche elettriche e magnetiche (condenate in un parametro intetico detto indice di rifrazione ) a econda della lunghezza d onda incidente. Una volta compota matematicamente la perturbazione elettromagnetica incidente in componenti monocromatiche, per ognuna di ee il carattere diperivo di tutti i mezzi fiici i evidenzia con piani focali ed ingrandimenti traverali differenti. Ovviamente, la trattazione in termini di componenti erve a emplificarla matematicamente, ma decrive con preciione gli effetti di tale caua di ditorione. Dunque, per la loro analii e correzione (rif. Fig.1) i può eparare tali fenomeni in quelli decrivibili in un piano focale di riferimento (aberrazioni cromatiche laterali) e in quelli decrivibili lungo la direzione dell ae ottico, (aberrazioni cromatiche longitudinali). Tale differenziazione è compatibile con quanto emerge dall analii di un immagine reale acquiita con un itema di riprea televiivo e poi riprodotta da un monitor, oppure da un proiettore u un grande chermo Aberrazioni cromatiche longitudinali e laterali L effetto delle aberrazioni cromatiche longitudinali può eere compreo coniderando l eempio di un punto di luce bianca trameo attravero il itema ottico in eame in una regione proima all ae ottico. Se eo è fortemente affetto da longitudinali arà poibile corgere una alonatura fumata intorno all immagine più netta del punto teo. Tale alone (con colorazione variabile dal blu al roo) è dovuto al fatto che le differenti lunghezze d onda che i ommano nella luce bianca ono trattate diveramente dallo teo elemento ottico: limitandoi all analii longitudinale, ee riulteranno perfettamente a fuoco u piani diveri ripetto ad un aegnato riferimento. Le aberrazioni longitudinali agicono, in buona otanza, imilmente all errore di tracking dei enori di immagine della telecamera (ovvero errore di poizionamento in eno perpendicolare al loro piano; tale regolazione oggi è di fatto conociuta, dato che i enori a tato olido ono olidali al prima e fiati in poizione all atto della cotruzione della camera; all epoca delle camere a tubi era una prai manutentiva comune). Quindi, portando il itema 18 B R O A D C A S T & P R O D U C T I O N A P R I L E / M A G G I O 2 0 0 9
ottico ad un fuoco ideale ul canale del Verde (il quale contiene la maggior parte dell informazione di luminanza), i oerva che gli etremi dello pettro viibile (Blu a 400 nm e Roo profondo a 700 nm) aranno fuori fuoco di una certa entità e con un certo egno ripetto al canale di riferimento (rif. Fig.2). Nelle immagini reali tale fenomeno i evidenzia con una perdita di dettaglio intorno alle rapide tranizioni di luminoità e con il decio deterioramento della riproduzione dei particolari colorati. L entità minima del defocuing che rende viibili gli effetti ull immagine riprodotta è naturalmente miurabile e dipende dalla dimenione e dalla definizione del enore di riprea, cioè dal maimo diametro del circolo di confuione permeo nel dato itema di acquiizione. E non biogna tracurare che quet ultimo parametro non è univoco, ma varia ripetto agli Figura 2 etremi dello pettro (a caua della curva di enibilità dell occhio umano, anch ea non cotante al variare della lunghezza d onda). La ditanza in nanometri tra i due etremi citati è definita Spettro Primario. E evidente, per quanto detto, che in HD i vincoli e le tolleranze permee iano intuitivamente più tringenti degli analoghi in SD e che quindi una cura particolare deve eere pota in tal eno al progetto ottico degli obiettivi. Queta affermazione conente un primo punto intereante: i deduce immediatamente che l impiego di ottiche Standard Definition u camere HD è intrinecamente erroneo e porta ad una limitazione importante delle pretazioni ottenibili. Ma la tea coa è valida per altre ituazioni ibride ed altrettanto comuni: l impiego di ottiche 35 mm u camere 2/3, l impiego di ottiche 2/3 u camere? oppure 1/3 e coì via. Una volta corrette le aberrazioni longitudinali di primo ordine ai due etremi dello pettro primario (coa che i attua con l impiego di doppietti acromatici nei gruppi ottici più potenti; i doppietti ono cotituiti da due lenti ingole realizzate con vetri aventi comportamenti diperivi di egno oppoto e dunque i auto compenano cromaticamente), le aberrazioni reidue ono definite Spettro di colore Secondario (rif.fig.3). Eaminandole, i nota che nella regione dello pettro viibile intorno al verde di riferimento (550 nm) i comportano in modo oppoto ripetto alle regioni intorno agli etremi del roo a 700 nm e del blu a 400 nm. Per di più, i oerva come al crecere della lunghezza focale dell obiettivo creca anche l entità aoluta delle mezza orizzontale A P R I L E / M A G G I O 2 0 0 9 B R O A D C A S T & P R O D U C T I O N 19
Le notizie le trovi anche in www.broadcat.it Figura 3 aberrazioni entro lo pettro econdario. Per l efficace correzione delle aberrazioni da pettro econdario occorre di olito impiegare gruppi ottici di tre elementi definiti apocromatici e/o anche gruppi di quattro elementi definiti uperacromatici. Inoltre, nel gruppo ottico del Fuoco, generalmente molto potente e reponabile di gran parte delle longitudinali, i impiegano materiali ottici eotici, quali la Fluorite e i vetri Hi-Ud (alto indice di rifrazione e baa diperività, appoitamente viluppati da Canon partendo da critalli artificiali). Progettandone accuratamente le caratteritiche i riece coì a getire l andamento del defocu relativo dei canali R e B ripetto al riferimento G. Si noti che queto proceo è volto eenzialmente a ridurre l area ottea dalla curva dello pettro econdario anziché aumentare il numero di punti di croover (cioè quelle lunghezze focali dove le aberrazioni longitudinali ono annullate) enza però tener conto delle variazioni aolute in altri punti. Il dicoro fin qui condotto delinea una trategia per la correzione delle aberrazioni longitudinali per una ingola lunghezza focale; nel cao degli obiettivi zoom le difficoltà, oprattutto e parametrate ai vincoli impoti dall Alta Definizione, ono davvero formidabili: uno zoom ottico è difatti un itema meccanico che Figura 4 Figura 5 i muove u tre ai per infiniti punti di lavoro della terna Lunghezza Focale (Z), Ditanza di mea a fuoco (F), Iri (I). E, come i è detto, l incidenza percentuale delle aberrazioni cambia notevolmente con la lunghezza focale (ma queto accade anche con lo potamento del punto di fuoco, il cui movimento introduce un effetto di zoom apparente); copo dei deigner di obiettivi zoom (oprattutto nel cao di ottiche molto lunghe come i 100x e gli 86x divenuti popolari negli ultimi anni) è quello di minimizzare le variazioni delle aberrazioni al variare del punto di lavoro Z, F, coì come i può evincere da una curva reale dell andamento delle aberrazioni ripetto alla lunghezza focale e al punto di mea a fuoco motrata in Fig.4. Quanto preentato per le longitudinali in linea di principio i ripete per le aberrazioni cromatiche laterali. Come già anticipato ee ono un altro effetto della tea caua: la diperività elettromagnetica dei mezzi materiali i rivela anche in un differente ingrandimento traverale per ognuna delle componenti monocromatiche in cui è viluppabile la perturbazione incidente. Sull immagine riprodotta ciò genera una frangia colorata che circonda i bordi del oggetto, portando ad un coneguente decadimento della MTF in quel punto (MTF è l acronimo di Modulation Tranfer Function, paragonabile alla ripota in frequenza nel dominio dello pazio dell obiettivo per quel particolare punto di lavoro). L effetto ricorda (ma non è del tutto identico) all errore di regitration (o fuori convergenza) dei enori di immagine di una telecamera dotata di prima di eparazione tricromica. Le aberrazioni claificabili come traverali ono corrette ia nello pettro primario che in quello econdario con trategie di progetto e contromiure identiche a quelle decritte per le aberrazioni longitudinali. Nello pecifico, i agice innanzitutto ul variatore nel gruppo dello zoom (elemento che realizza la modifica della lunghezza focale), che in un ottica HD può eere compoto anche da 4 o 5 elementi, e econdariamente ul compenatore (che nel gruppo dello zoom mantiene cotante il punto di fuoco al variare della lunghezza focale), realizzato con materiali a baiima diperività (Fluorite e vetri HiUd). Naturalmente, in un ottica zoom la correzione di entrambe le tipologie di aberrazioni avviene imultaneamente. Si intuice da ciò che il compito dei progettiti arebbe improbo e non foe fortemente coadiuvato dalle tecniche di imulazione numerica (celebre il uper calcolatore impiegato da Canon Inc. per queto copo!) utilizzate per collaudare virtualmente l effetto della modifica dei parametri di progetto. Il rapido viluppo di quete tecniche permette di anticipare che preto i aiterà all introduzione di nuove tecnologie per approcciare il problema delle aberrazioni cromatiche: in particolare ci i riferice all impiego dell ottica diffrattiva (elementi ottici definiti DOE: Diffractive Optical Element), già perimentata con ucceo nel ettore 20 B R O A D C A S T & P R O D U C T I O N A P R I L E / M A G G I O 2 0 0 9
Le notizie le trovi anche in www.broadcat.it prevede il rilievo ad un raggio tandard di 3.3mm dal centro del enore 2/3. Nel cao dell eempio riportato i fa vedere come un errore di appena lo 0.6% ia chiaramente percettibile anche all eame viivo (rif.fig.6). Nella pratica e prendendo ad realitiche indicano un errore inferiore allo 0.09% nel cao del Blu, ed inferiore allo 0.06% nel cao del Roo. Ma il vero problema è quello di minimizzare la modulazione delle curve di errore degli zoom al variare della lunghezza focale (rif. Fig.7) ed appiattire Figura 6 Figura 7 fotografico (rif. Fig. 14; il uper teleobiettivo Canon 400 mm f/4 DO-IS per il 35mm till, impiega elementi diffrattivi di grande diametro che conentono una compattazione delle dimenioni del 27% e la minimizzazione delle ), conentirà di ridurre ulteriormente la loro incidenza e nel contempo ridurre ulteriormente il numero di elementi neceario alla loro compenazione (a vantaggio della luminoità degli obiettivi). Coniderando ora l immagine riprea da una camera HD, l effetto delle laterali è icuramente il più fatidioo ed è enz altro più evidente di quello delle longitudinali dato che le prime timolano negativamente i circuiti di proceo RGB della camera tea. Le aberrazioni laterali (rif. Fig.5) tendono inoltre ad aumentare il loro peo dal centro (dove ono virtualmente nulle) alle etremità dell immagine e ono percentualmente più rilevanti u lunghezze focali molto corte (grandangolo). Ai fini della valutazione quantitativa, la loro miura tandard ne Figura 8 eempio dello tato dell arte le ultime ottiche zoom HD Canon, i arriva addirittura ad un ordine di grandezza inferiore ripetto a quanto evidenziato in figura: coniderato il canale del Verde come riferimento, cifre Umpteen pawnbroker laughed, even though tw Mercury goip. The purple televiion comfortably abued l invariabile peggioramento delle caratteritiche agli etremi di tale range (Wide-end e Tele-end). Ed oggi, pur riucendo ad ottenere riultati davvero traordinari come nel nuoviimo zoom ENG in HD Canon HJ14x4.3, dotato di un eccezionale grandangolo e di uno zoom range altrettanto eteo. (Rif. Fig.10), eitono comunque applicazioni critiche (ad eempio particolari condizioni in Chroma Key) dove, a volte, tutto ciò non è ancora ufficiente a renderne completamente inviibili gli effetti! A queto propoito è dunque utile citare la tecnica di compenazione elettronica introdotta da Panaonic 22 B R O A D C A S T & P R O D U C T I O N A P R I L E / M A G G I O 2 0 0 9
Le notizie le trovi anche in www.broadcat.it Figura 9 ulle camere della erie Varicam (2700, 3100, 3700) la quale permette di correggere elettronicamente le aberrazioni cromatiche laterali. L intereante procedimento, definito C.A.C. (da Chromatic Aberration Compenation) è baato ulla diponibilità di un modello matematico dell ottica e del uo comportamento in termini di. Nella memoria della telecamera eiterà dunque una Look-up table che ad ogni punto di lavoro F, Z fa corripondere i dati di offet dei primari R,G,B u un ottoinieme di punti rappreentativo dell intero target dell immagine. Il itema funziona e l ottica in quetione comunica accuratamente alla telecamera il punto di lavoro itantaneo: ciò avviene con un feedback digitale eriale ui dati poizionali dei gruppi F e Z dell ottica. La camera, apprea la poizione attuale dell ottica, leggerà ulla look-up table l entità della correzione da introdurre per annullare le aberrazioni introdotte dall obiettivo (e dal gruppo di eparazione tricromica) in quello pecifico punto di lavoro. Il itema permette di correggere le aberrazioni laterali ia ull ae orizzontale ia u quello verticale e i rivela particolarmente utile quando la loro entità reidua (per piccola che ia) pregiudica il buon eito di elaborazioni critiche come il Chroma Key o le ripree di oggetti fortemente contratati a lunghezze focali proime agli etremi del range diponibile. La funzione C.A.C per quanto detto è particolarmente adatta all interfacciamento con gli zoom Canon data la preenza in queti ultimi dei microencoder ottici a 16 bit introdotti già da tempo u tutta la gamma de degli obiettivi HD ENG di facia alta. L accuratezza del feedback e la traordinaria qualità del movimento dei ervo itemi Canon rende poi l efficacia della compenazione CAC molto apprezzata e già comprovata ul campo. * L Ing. Sergio Brighel è direttore tecnico di Tran Audio Video.r.l. www.tranaudiovideo.it E corto inieriamo mezza riempitivo 24 B R O A D C A S T & P R O D U C T I O N A P R I L E / M A G G I O 2 0 0 9