АБЕРРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ • Большая российская энциклопедия

АБЕРРА́ЦИИ ОПТИ́ЧЕСКИХ СИСТЕ́М (от лат. aberratio – ук­ло­не­ние), ис­ка­же­ния изо­бра­же­ний, соз­да­вае­мых оп­тич. сис­те­ма­ми. Про­яв­ля­ют­ся в том, что оп­тич. изо­бра­же­ния не впол­не от­чёт­ли­вы, неточ­но со­от­вет­ст­ву­ют объ­ек­там или ока­зы­ва­ют­ся ок­ра­шен­ны­ми. Су­ще­ст­ву­ет неск. ви­дов абер­ра­ций. Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ны­ми яв­ля­ют­ся хро­ма­ти­че­ская абер­ра­ция и сле­дую­щие гео­мет­рич. абер­ра­ции: сфе­ри­че­ская, ас­тиг­ма­тизм, ко­ма, дис­тор­сия, кри­виз­на по­ля изо­бра­же­ния.

Сфе­ри­че­ская абер­ра­ция за­клю­ча­ет­ся в том, что све­то­вые лу­чи, ис­пу­щен­ные од­ной точ­кой объ­ек­та и про­шед­шие од­ни из них вбли­зи оп­тич. оси, а дру­гие че­рез от­да­лён­ные от оси час­ти сис­те­мы, не со­би­ра­ют­ся в од­ной точ­ке. Вслед­ст­вие это­го изо­бра­же­ние, соз­да­вае­мое па­рал­лель­ным пуч­ком лу­чей на пер­пен­дику­ляр­ном оси эк­ра­не, име­ет вид не точ­ки, а круж­кá с яр­ким ядром и ос­ла­бе­ваю­щим по яр­ко­сти оре­о­лом (т.

 н. кру­жок рас­сея­ния). Спе­ци­аль­ным под­бо­ром линз (со­би­раю­щих и рас­сеи­ваю­щих) сфе­рич. абер­ра­цию мож­но поч­ти пол­но­стью уст­ра­нить.

Рис. 1. Световой пучок, прошедший через оптическую систему, обладающую астигматизмом. Внизу показаны сечения пучка плоскостями, перпендикулярными оптической оси системы.

Ас­тиг­ма­тизм про­яв­ля­ет­ся в том, что изо­бра­же­ние точ­ки, не ле­жа­щей на глав­ной оп­тич. оси, пред­став­ля­ет со­бой не точ­ку, а две вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ные ли­нии, рас­по­ло­жен­ные в раз­ных плос­ко­стях на не­ко­то­ром рас­стоя­нии друг от дру­га. Изо­бра­же­ния точ­ки в про­ме­жу­точ­ных ме­ж­ду эти­ми плос­ко­стя­ми се­че­ни­ях име­ют вид эл­лип­сов (рис. 1). Ас­тиг­ма­тизм обу­слов­лен не­оди­на­ко­во­стью кри­виз­ны оп­тич. по­верх­но­сти в раз­ных плос­ко­стях се­че­ния па­даю­ще­го на неё све­то­во­го пуч­ка и воз­ни­ка­ет ли­бо вслед­ст­вие асим­мет­рии оп­тич. сис­те­мы (напр.

, в ци­лин­д­рич. лин­зах), ли­бо в обыч­ных сфе­рич. лин­зах при па­де­нии све­то­во­го пуч­ка под боль­шим уг­лом к оси. Ас­тигма­тизм ис­прав­ля­ют та­ким под­бо­ром линз, что­бы од­на ком­пен­си­ро­ва­ла ас­тиг­ма­тизм дру­гой. Ас­тиг­ма­тиз­мом мо­жет об­ла­дать че­ло­ве­че­ский глаз (см. Асти­гма­тизм гла­за).

При на­клон­ном па­де­нии лу­чей на оп­тич. си­сте­му в ре­зуль­та­те на­ру­ше­ния сим­мет­рии пуч­ка воз­ни­ка­ет ещё од­на абер­ра­ция – ко­ма, при ко­то­рой изо­бра­же­ние точ­ки име­ет вид не­сим­мет­рич­но­го пят­на рас­се­я­ния. Её раз­ме­ры про­пор­ци­о­наль­ны квад­ра­ту уг­ло­вой апер­ту­ры оп­тич. си­сте­мы и уг­ло­во­му уда­ле­нию точ­ки-объ­е­кта от оп­тич. оси. Ко­ма ве­ли­ка в те­ле­ско­пах с па­ра­бо­лич. зер­ка­ла­ми. Ис­прав­ля­ют ко­му под­бо­ром линз.

Рис. 2. Дисторсия.

Для дис­тор­сии ха­рак­тер­но на­ру­ше­ние гео­мет­рич. по­до­бия ме­ж­ду объ­ек­том и его изо­бра­же­ни­ем.

Дис­тор­сия обус­лов­ле­на не­оди­на­ко­вым ли­ней­ным уве­ли­че­ни­ем оп­тич. сис­те­мы на раз­ных уча­ст­ках изо­бра­же­ния. При­мер ис­ка­же­ний, ко­то­рые да­ёт сис­те­ма, об­ла­даю­щая дис­тор­си­ей, при­ве­дён на рис. 2. Сле­ва от цен­траль­но­го квад­ра­та по­ка­за­но его изо­бра­же­ние, ис­ка­жён­ное за счёт по­душ­ко­об­раз­ной (по­ло­жи­тель­ной) дис­тор­сии, спра­ва – ис­ка­жён­ное за счёт боч­ко­об­раз­ной (от­ри­ца­тель­ной) дис­тор­сии. Дис­тор­сия ус­тра­ня­ет­ся под­бо­ром линз.

Кри­виз­на по­ля – абер­ра­ция осе­сим­мет­рич­ной оп­тич. сис­те­мы, она за­клю­ча­ет­ся в том, что изо­бра­же­ние плос­ко­го пред­ме­та по­лу­ча­ет­ся пло­ским не в плос­ко­сти, как долж­но быть в иде­аль­ной сис­те­ме, а на ис­крив­лён­ной по­верх­но­сти. В слож­ных оп­тич. сис­те­мах кри­виз­ну по­ля ис­прав­ля­ют, со­че­тая лин­зы с по­верх­но­стя­ми раз­ной кри­виз­ны.

Оп­тич. сис­те­мы мо­гут об­ла­дать од­но­вре­мен­но неск. абер­ра­ция­ми, уст­ра­нить их все сра­зу – очень слож­ная за­да­ча. Обыч­но абер­ра­ции уст­ра­ня­ют час­тич­но в за­ви­си­мо­сти от на­зна­че­ния оп­тич. сис­те­мы. В не­ко­то­рых слу­ча­ях ис­поль­зу­ют ме­то­ды адап­тив­ной оп­ти­ки.

Хро­ма­тич. абер­ра­ция свя­за­на с за­ви­си­мо­стью по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния сред от дли­ны вол­ны све­та.

Не­со­вер­шен­ст­ва изо­бра­же­ний, фор­ми­руе­мых оп­тич. сис­те­мой, воз­ни­ка­ют так­же в ре­зуль­та­те ди­фрак­ции све­та на оп­ра­вах линз, диа­фраг­мах и т. п. Та­кие абер­ра­ции прин­ци­пи­аль­но не­уст­ра­ни­мы, хо­тя и мо­гут быть умень­ше­ны. Но они обыч­но не так силь­но влия­ют на изо­бра­же­ние, как гео­мет­ри­че­ские и хро­ма­ти­че­ские.

Оптическая аберрация: виды, причины возникновения и решения для их устранения

Аберрация (от лат. aberro – уклоняюсь) – нарушение резкости или искажение оптических изображений, даваемых оптически точно изготовленными линзами или системами линз. Аберрация не связана, таким образом, с недостатками изготовления оптических систем.

Различают аберрации дифракционные, обусловленные дифракцией света, возникающей в результате ограничения световых пучков габаритами линз, их оправами, диафрагмами и пр., и аберрации геометрические.

Геометрические аберрации, имеющие наибольшее практическое значение, объясняются тем, что лежащие в основе образования точных изображений в оптической системе законы геометрической оптики справедливы только для параксиальных пучков лучей (область Гаусса). В статьи мы поговорим о самых распространенных видах оптических (геометрических) аберраций.

Сферическая аберрация

Сферическая аберрация — нарушение резкости изображений в результате отсутствия одного фокуса для всех падающих на линзу или систему линз световых лучей. Лучи, лежащие дальше от оптической оси, пересекают ось не в фокусе – точке пересечения с осью параксиального пучка лучей, а в точке, расположенной ближе к линзе. Чем более удалён от оптической оси падающий на линзу или систему линз пучок световых лучей, тем более смещённым по направлению к линзе оказывается его фокус.

Величину и ход сферической аберрации изображают обычно кривой. Уменьшить величину сферической аберрации возможно путем замены одной линзы двумя, подобранными на основании специального оптического расчёта. Кривая аберрации в этом случае имеет более сложный вид: для ряда зон светового пучка фокус сдвинут по отношению к основному фокусу лучей области Гаусса в сторону к линзе, для других зон, более удалённых от оптической оси, – в сторону от линзы.

Демонстрация сферической аберрации в коротком видеоролике

Соответственно этому кривая сферической аберрации изгибается и в некоторой точке пересекает проходящую через основной фокус линзы вертикаль. Для зоны, соответствующей точке пересечения, сферическая аберрация отсутствует. Невозможно уничтожить сферическую аберрацию полностью для всех зон пучка.

Оптические системы с минимальной сферической аберрацией называют апланатическими системами.

Хроматическая аберрация

Хроматическая аберрация — нарушение резкости изображений и их окрашивание, наблюдаемые при пользовании не монохроматическим светом. Вследствие призматического действия линзы и неодинакового значения показателя преломления стекла для излучений различных волн падающий на линзу световой поток не сходится в одной точки на оптической оси.

Красные лучи, имеющие большую длину волны и потому менее преломляемые, сходятся дальше, лучи же фиолетовые с меньшей длиной волны и преломляемые слабее, сходятся ближе.

Величина хроматической аберрации характеризуется разностью рефракций линзы для крайних лучей видимого спектра. В отличие от других видов хроматическая аберрация имеет место и для лучей области Гаусса.

Демонстрация хроматической аберрации на видео от Игнатьева Александра

Уничтожить хроматическую аберрацию возможно заменой одной линзы двумя или большим числом линз, сделанных из стекла различного показателя преломления.

Система линз, свободная от хроматической аберрации, носит название ахроматической.

Астигматизм наклонных пучков лучей

Этот вид аберрации обусловлен тем, что пучки лучей, падающие даже на обычную со сферическими поверхностями линзу и идущие наклонно к оптической оси, после прохождения через линзу становятся астигматическими, то есть имеют форму так называемого коноида Штурма.

В результате всякий объект изображается нерезко, в особенности по краям.

Этот вид аберрации возможно уничтожить или уменьшить, подобрав радиусы кривизны линз по специальным оптическим расчётам. Оптические системы или линзы, свободные от этого вида аберрации, называют анастигматическими.

Оптическая дисторсия

Искажение изображений в результате непостоянства увеличения линзой точек предмета, различно удалённых от оптической оси называют дисторсией. Прямые линии, не проходящие через оптическую ось, изображаются линзой искривлёнными, причём это искривление тем сильнее, чем дальше от оптической оси расположена изображаемая линия. Оптические системы, свободные от дисторсии, называют ортоскопическими.

Оптическая кома

Комой в оптике называют своеобразное искажение и размытость изображения светящейся точки при широких наклонных пучках лучей, когда в создании оптического изображения (оно имеет форму хвоста кометы) принимают участие различные зоны линзы.

Искривление фокальной плоскости

Находящаяся перед линзой вертикальная плоскость изображается в виде искривленной поверхности с вогнутостью, обращённой к линзе. Этот, часто являющийся помехой, вид аберрации можно уничтожить соответствующим подбором линз в оптической системе.

Видеолекция на тему «Недостатки оптических линз»

В данной видеолекции рассматривается тема под названием «Недостатки линз», которая не входит в раздел оптики школьного материала по физике за 11 класс. Преподаватель Ришельевского лицея наглядно рассказывает о недостатках оптических линз, описывая теоретическую часть со схематическим представлением, а также приводя экспериментальные доказательства. Хочется отметить небывалую харизматичность преподавателя, который так органично выдает теоретическую часть в сочетании в наглядными примерами. Это стоит просмотра в качестве факультативного материала для школьников, изучающих раздел оптики по физике в 10-11 классах.

Аберрации глаза [виды и методы коррекции заболевания] – ГКДБ

Аберрации глаза – что это такое?

Оптические аберрации – результат несовершенства зрительной системы человека, когда попадающее на сетчатку изображение предметов искажается из-за отклонения луча света от точки нормального пересечения с сетчатой оболочкой глаза.

В офтальмологической практике аберрации глаза встречаются не так уж редко и подлежат коррекции, поскольку любое искажение получаемого глазом изображения влечет за собой дискомфортные ощущения в повседневной жизни и чревато развитием иных, в том числе более серьезных  глазных заболеваний.

Самый распространенный пример аберрации – близорукость, дальнозоркость, астигматизм. Однако есть и другие виды аберраций оптической системы, например:

• Сферическая аберрация глаза, возникающая из-за искривления поверхности роговицы или хрусталика
• Хроматическая аберрация глаза, проявляющаяся в появлении постороннего окрашивания у рассматриваемых предметов либо цветного контура, отсутствующего в реальности.

Для выявления аберраций оптической системы в современной офтальмологии используют совокупность объективных и субъективных диагностических методов под общим названием аберрометрия.

Виды и методы коррекции аберрации глаза

Аберрометрия позволяет выявить вид и степень оптических искажений, после чего Пациенту предлагаются варианты лазерной коррекции аберрации. В центре лазерной коррекции зрения доктора Беликовой можно пройти полное обследование на современном аберрометре за один визит к врачу в любое удобное вам время.

После диагностики врач определяет оптимальный для Пациента метод коррекции. Это может быть СУПЕР-ЛАСИК, ФЕМТО-ЛАСИК, Супер ФРК, ТКАНЕСОХРАННЫЙ ЛАСИК, СМАЙЛ.

Оптические аберрации в микроскопе | Микроскопия — Микросистемы

Аберрации – это искажения изображения, вызванные отклонением луча от идеальной траектории движения в реальной оптической системе. Идеальная траектория оптического луча показана на всех рисунках, представленных выше, иными словами – это математическая модель распространения света и построения стигматического изображения.

Аберрации делятся на два класса: монохроматические и хроматические. Монохроматические аберрации обусловлены геометрией линзы или зеркала и возникают, как при отражении света, так и при его преломлении. Они появляются даже при использовании монохроматического (узкого участка спектра) света, отсюда и название.

Хроматические аберрации вызваны дисперсией (расщепление света на спектр), изменение линзы по показателю преломления с длиной волны. Из-за дисперсии различные длины волн света фокусируются в разных точках. Хроматическая аберрация не появляется, когда используется монохроматический свет.

Рисунок 1. Глубина резкости. Глубина фокуса

Простейшие монохроматические аберрации – расфокусировку и искажение на наклонной плоскости, исправляются смещением объектива вдоль оптической оси, чтобы совместить фокусную плоскость линзы с плоскостью изображения. Чем больше глубина резкости объектива, тем легче сфокусироваться на объекте. В быту люди очень часто путают понятия глубины резкости изображения в пространстве (ГРИП) и глубину фокуса, рисунок 1. Чтобы объект был чётко виден, необходимо, что он располагался между дальней и ближней точками глубины резкости. Посмотрите на рисунок 9, две маленькие вертикальные стрелочки на рисунке справа – это размер светового пятна, то есть изображение объекта, который мы рассматриваем под микроскопом. Оптика Olympus скорректирована на бесконечность, это значит, что лучи получаемого изображения параллельны, рисунок 2. Параллельные лучи преломляются линзами Вашего глаза (роговицей, хрусталиком, стекловидным телом) и фокусируется на светочувствительной сетчатка, регистрирующей изображение.

Рисунок 2. Увеличение в микроскопе

Сферическая аберрация (Аберрация осевых точек в контексте монохроматических аберраций) – это искажение изображения, из-за несовпадения фокусов (мест пересечения) световых пучков. Происходит, когда периферийные части линзы преломляют лучи сильнее, чем центральные. Из-за этих искажений изображение размыто, как бы не фокусировали объектив, например, если сфокусироваться на центре изображения, то края будут размыты, если сфокусироваться на краях изображения, то центр будет размыт. Есть очень простой опыт, чтобы увидеть эти аберрации: Для проведения опыта: поставьте два листа плотного черного картона параллельно друг другу. В одном из листов проделайте два миллиметровых отверстия по центру на расстоянии 1 см друг от друга. Закройте отверстия кусочком матового стекла, как показано на рисунке 3а, и установите перед матовым стеклом лампу. между двумя листами картона пометите собирающую линзу, включите лампу и попытайтесь получить изображение точек на поверхности картона. Как бы вы не двигали линзу, чёткого изображения не получится, потому что пучки света, проходящие через периферию линзы, буду сфокусированы на более близком расстоянии, чем пучки, прошедшие через центральную часть.

Рисунок 3. Сферическая аберрация. Опыт. 1- линза, 

2 – перфорированный картон, 3 – матовое стекло, 

4 – картон без отверстий, б – картонный круг с отверстием по центру

А теперь закроем периферию линзы толстым картоном с вырезом по центру, как показано на рисунке 3б, и тогда мы получим изображение нескольких точек, рисунок 4 (если используется лампа накаливания, то мы увидим наиболее яркие точки на раскалённой нити) или одного пятна. Устройство, ограничивающее поток света через линзу, называется – диафрагма.

Рисунок 4. Полученное изображение 

Эту аберрацию устраняют добавлением линз с обратной кривизной в оптическую систему.

Рисунок 5. а) ход лучей в собирающей линзе. б) ход лучей в рассеивающей линзе

Коматическая аберрация (кома) – это частный случай сферической аберрации при преломлении боковых лучей. Боковые лучи, преломляясь, не собираются в одной точке, поэтому на изображении эти искажения видны в виде точек с размытым «хвостом», похожие на «кометы», рисунок 8. Исправляются эти аберрации, как и сферические. Дополнительно могут быть подточены края рассеивающей линзы.

Рисунок 6 Коматическая аберрация

Рисунок 7. исправление сферической аберрации

Рисунок 8. Коматические аберрации на изображении.

Астигматизм – это искажение, при котором лучи, распространяющиеся в одном направлении и по одной прямой, в перпендикулярных плоскостях, имеют разное фокусное расстояние, из-за чего изображение будет размыто в одной из плоскостей (горизонтально или вертикально). Это одна из немногих аберраций, у которой есть определённая польза, а именно возможность точной фокусировки. Например, астигматизм используют для STORM микроскопии. Цилиндрическая линза может быть введена в систему визуализации для создания астигматизма, который позволяет измерять положение источника света с ограниченной дифракцией по вертикали (оси Z). Для фокусировки астигматизм используется в оптических головках проигрывателей компакт-дисков. Линза с астигматизмом проецирует овальную точку на диск, и по ориентации овала датчики дисковода определяют на каком расстоянии находится головка считывателя, не позволяя ей поцарапать диск. В лазерах астигматизм используется для проецирования точки в линию. Исправляется астигматизм – точной выточкой линзы. Линза должна быть круглой, чтобы фокус двух перпендикулярных лучей в одной точке.

Рисунок 9. Астигматизм. S₁ – фокус первого луча в фиолетовой плоскости. T₁ – фокус второго луча в красной плоскости

Рисунок 10. Астигматические аберрации

Кривизна поля изображения – это аберрация при которой изображение объекта не плоское, а выгнутое или вогнутое. Для устранения этого явления используют: диафрагму, астигматизм, промежуточные изогнутые линзы, которые корректируют его по краям (с каждой следующей линзой сферизация уменьшается). Обратите внимание, линза окуляров всех хороших микроскопов немного вогнута, а проецируемое объективом искривлённое изображение, выглядит плоским для наблюдателя.

Рисунок 11. Кривизна поля

Дисторсия – искажение при котором линейное увеличение, в поле зрения объектива, неравномерно. Эту аберрацию используют в оптике для специальных фотографических объективов типа «рыбий глаз», калейдоскопах и других оптических приборах. Для микроскопии это явление неприемлемо и его исправляют при помощи диафрагмы, линзы френеля и использования линз с разной кривизной.

Рисунок 12. Дисторсия: Сверху: дисторсия «подушка», посередине «бочка» или «рыбий глаз»

Хроматические аберрации – искажения, возникающие из-за того, что волны разной длины (разного цвета) не сфокусированы в одной точке. Из-за этих аберраций вы можете видеть дисперсию света по краям объектов на изображении, как показано на рисунке 13. Любая линза преломляет свет с разными длинами волн по-разному, из-за дисперсии оптических сред. Именно на эти аберрации обращают внимание в первую очередь, при выборе объектива, потому что их обнаружить легче всего, рисунок 13. Существует два типа хроматических аберраций: осевая (продольная) и поперечная (боковая). Осевая аберрация возникает, когда световые волны различной длины фокусируются на разных расстояниях от линзы (смещение фокуса). Поперечная аберрация возникает, когда разные длины волн фокусируются в разных положениях в фокальной плоскости, поскольку увеличение и/или искажение линзы также зависит от длины волны. Боковая аберрация характерна для коротких фокусных расстояний.

Рисунок 13. Хроматические аберрации на нижнем изображении

Полностью компенсировать хроматические аберрации практически невозможно, поэтому их компенсируют только для определённой части спектра. Минимизировать эти аберрации можно с помощью линз Френеля, дифракционных оптических элементов и ахроматического дублета. Ахроматический дублет – это система, состоящая из двух отдельных линз, с разной дисперсией. Как правило, один элемент представляет собой отрицательный (вогнутый) элемент, изготовленный из кремневого стекла, имеющего относительно высокую дисперсию, а другой представляет собой положительный (выпуклый) элемент, изготовленный из стекла с более низкой дисперсией. Эти линзы, установленные рядом друг с другом, компенсируют хроматическую аберрацию друг друга, рисунок 15.

Рисунок 14. Не скорректированные хроматические аберрации

Рисунок 15. Ахроматический дублет

Вышеперечисленные монохроматические аберрации относятся к так называемым аберрациям третьего порядка и рассчитываются для параксиальной области т.е. области лежащей вблизи оптической оси. Разность между аберрациями, рассчитанными по реальному ходу луча и формулам теории третьего порядка называется аберрациями высших порядков.

 

В теории аберраций высших порядков выделяют следующие дополнительные аберрации, не имеющие аналогов в третьем порядке:

 

Аберрации 5-го порядка:

— Птера – крыловидная аберрация

— Сагитта – стреловидная аберрация

 

Аберрации 7-го порядка – еще две дополнительных:

— Моноптера

— Бисагитта

В более высоких порядках новых аберраций не выделяется.

Следует отметить, что в реальной оптической системе сочетаются все типы аберраций одновременно, а на рисунках представлены лишь схематические модели отдельных аберраций. Выделение отдельных видов аберрация при исследовании сложной аберрационной фигуры рассеяния — искусственный прием для исследования и анализа данного явления.

По вопросам консультации и поставки — свяжитесь с нами любым удобным способом:

+7 (495) 234-23-32 

[email protected]

Форма обратной связи

Оптические аберрации (искажения) зрительной системы человека

Как и любой «неидеальной» оптической системе, человеческому глазу свойственны оптические дефекты — аберрации, которые снижают качество зрения, искажая изображение на сетчатке. Аберрация — это любое угловое отклонение узкого параллельного пучка света от точки идеального пересечения с сетчаткой при его прохождении через всю оптическую систему глаза.

В технической оптике качество оптической системы определяется аберрациями плоского или сферического фронта световой волны при прохождении через эту систему. Так, глаз без аберраций имеет плоский волновой фронт и дает наиболее полноценное изображение на сетчатке точечного источника (так называемый «диск Эйри», размер которого зависит только от диаметра зрачка). Но в норме, даже при остроте зрения 100%, оптические дефекты преломляющих свет поверхностей глаза искажают ход лучей и формируют неправильный волновой фронт, в результате чего изображение на сетчатке получается более крупным и асимметричным.

Порядки полиномов Зернике

Количественной характеристикой оптического качества изображения является среднеквадратичное значение ошибок отклонения реального волнового фронта от идеального. Немецкий математик Зернике (Zernike) ввел математический формализм, использующий серии полиномов для описания аберраций волнового фронта. Полиномы первого и второго, т. е. низших порядков, описывают привычные для офтальмологов оптические аберрации — близорукости, дальнозоркости и астигматизма. Менее известны полиномы высших порядков: третий соответствует коме — это сферическая аберрация косых пучков света, падающих под углом к оптической оси глаза. В ее основе лежит асимметрия оптических элементов глаза, в результате которой центр роговицы не совпадает с центром хрусталика. К аберрациям четвертого порядка относится сферическая аберрация, которая в основном обусловлена неравномерностью преломляемой силы хрусталика в различных его точках. Более высокие порядки известны как нерегулярные аберрации.

Как измеряется волновой фронт

Оптическая система считается хорошей, если коэффициенты Зернике близки к нулю и, следовательно, среднеквадратичное значение ошибок волнового фронта меньше 1/14 длины световой волны (критерий Марешаля). Исходя из данных этого коэффициента можно прогнозировать остроту зрения, моделируя изображение любых оптотипов на сетчатке. Для определения аберраметрии зрительной системы человека используется специальный прибор — аберрометр. В клиниках «Эксимер» использует аберрометр Wave Scan компании «VISX Inc» (США).

Методы определения аберрации глаза

В настоящее время известно несколько методов определения аберраций глаза, основанных на разных принципах.

Первый из них — это анализ ретинального изображения мишени (retinal imaging aberrometry). На сетчатку проецируются два параллельных лазерных луча с длиной волны 650 нм и диаметром 0,3 мм, один из которых падает строго по зрительной оси и является опорным, а другой расположен на заданном расстоянии от него. Далее регистрируется степень отклонения второго луча от точки фиксации опорного луча, и таким образом последовательно анализируется каждая точка в пределах зрачка.

Второй принцип — анализ вышедшего из глаза отраженного луча (outgoing refraction aberrometry). Широко применялся в астрономии для компенсации аберраций в телескопах при прохождении через атмосферу и космическое пространство. С помощью диодного лазера с длиной волны 850 нм в глаз направляется коллимированный пучок излучения, который, пройдя через все среды глаза, отражается от сетчатки с учетом аберраций и на выходе попадает на матрицу, состоящую из 1089 микролинз. Каждая микролинза собирает неискаженные лучи в своей фокальной точке, а подверженные аберрации лучи фокусируются на некотором расстоянии от нее. Полученная информация обрабатывается компьютером и представляется в виде карты аберраций. На этом принципе построена работа Wave Scan.

Третий принцип основан на компенсаторной юстировке падающего на фовеолу светового пучка. В настоящее время этот способ применяется в качестве субъективного аберрометра, требующего активного участия пациента. В ходе исследования через вращающийся диск с отверстиями 1 мм, расположенный на одной оптической оси со зрачком, в глаз направляется пучок света. При вращении диска узкие параллельные пучки света проходят через каждую точку зрачка и при отсутствии аберраций проецируются на фовеолу, куда направлен другой луч с контрольной меткой в виде крестика. Если у пациента имеется близорукость, дальнозоркость, астигматизм или другие аберрации более высоких порядков, то он заметит несовпадение этих точек с крестиком и с помощью специального устройства должен будет их сопоставить. Угол, на который он смещает точку, отражает степень аберраций.

Разнообразие офтальмологических приборов, созданных с учетом новейших технологий и основанных на различных принципах действия, делает реальным не только качественную, но и количественную оценку аберрации низших и высших порядков, а также влияющих на них факторов.

Основные причины появления аберраций в оптической системе глаза

• Формы и прозрачность роговицы и хрусталика; состояние сетчатки; прозрачность внутриглазной жидкости и стекловидного тела.
• Увеличение диаметра зрачка. Если при диаметре зрачка равном 5,0 мм превалируют аберрации 3—го порядка, то при его увеличении до 8,0 мм возрастает доля аберраций 4 —го порядка. Рассчитано, что критический размер зрачка, при котором аберрации высших порядков оказывают наименьшее влияние, составляет 3,22 мм.
• Аккомодация. Отмечено, что с возрастом аберрации увеличиваются, и в период от 30 до 60 лет аберрации высшего порядка удваиваются. Возможно, это связано с тем, что со временем эластичность и прозрачность хрусталика уменьшается, и он перестает компенсировать роговичные аберрации. Аналогично происходит и при спазме аккомодации.
• Спазм аккомодации встречается достаточно часто у людей разного возраста. В офтальмологии под спазмом аккомодации понимается излишне стойкое напряжение аккомодации, обусловленное таким сокращением ресничной мышцы, которое не исчезает под влиянием условий, когда аккомодация не требуется. Проще говоря, спазм аккомодации — это длительное статичное перенапряжение, глазной мышцы, например, из-за длительной работы за компьютером и возникновение вследствие этого компьютерного синдрома. Спазмы аккомодации могут развиваться при всех рефракциях (включая астигматизм). Спазм аккомодации вызывает ложную близорукость или усиливает близорукость истинную.
• Состояние слезной пленки. Была обнаружено, что при разрушении слезной пленки аберрации высших порядков увеличиваются в 1,44 раза. Одна из разновидностей нарушения слезной пленки — синдром сухого глаза.
  Синдром сухого глаза возникает в связи с пересыханием поверхности роговицы от редкого моргания и непрерывного смотрения на объект работы. Исследования показали, что при работе на компьютере, а также при чтении человек моргает в три раза реже, чем обычно. В результате чего слезная пленка высыхает и не успевает восстанавливаться. Причинами возникновения синдрома сухого глаза могут быть: большие нагрузки на глаза при чтении и работе за компьютером, сухой воздух в помещениях, неправильное питание с недостаточным количеством витаминов, большая загрязненность воздуха, прием некоторых медикаментов.
• Ношение контактных линз. Выявлено, что мягкие контактные линзы могут вызывать волновые монохроматические аберрации высокого порядка, тогда как жесткие контактные линзы значительно уменьшают аберрации 2-го порядка. Однако асферичность поверхности жестких контактных линз может быть причиной сферических аберраций. Асферические контактные линзы могут вызывать большую нестабильность остроты зрения, чем сферические контактные линзы. Мультифокальные контактные линзы могут индуцировать аберрации по типу комы и 5—го порядка.

В настоящее время разработана методика проведения индивидуализированной коррекции зрения (Super Lasik, Custom Vue) на основе аберрометрии, которая позволяет, максимальным образом компенсируя все возможные искажения в зрительной системе, добиваться отличных результатов в практически любых сложных случаях.

Технологии | Tamron

A/M (переключение режимов фокусировки)

^{Механизм переключения режимов Автоматического и Ручного фокуса на фокусировочном кольце}

Способность быстро переключаться между режимами автоматической (AF) и ручной фокусировки (MF) − очень полезное качество для многих типов съёмки, особенно для фотографирования спортивных мероприятий и живой природы. Она легко реализована в оригинальной системе Tamron AF/MF. Для переключения AF или MF достаточно потянуть кольцо фокусировки назад или вперёд. Объективы Tamron гарантируют плавную и точную фокусировку в ручном режиме путём простого поворота широкого, эргономического кольца фокусировки с удобной текстурой поверхности.

 

В списке приведенны объективы Tamron с описанным механизмом:

SP AF 90mm F/2,8 Di MACRO 1:1 (Model 272E)
SP AF 180mm F/3,5 Di MACRO 1:1 (Model B01)
SP AF 70-200mm F/2,8 Di LD [ IF] MACRO (Model A001)

 

 

Aberrations (Аберрации)

В фотографии под аберрацией понимают оптическое искажение изображения, выраженное в расхождении между полученным и идеальным изображением.

Виды аберраций:

• хроматическая аберрация (одна из основных аберраций оптических систем, обусловленная зависимостью преломления показателя (ПП) прозрачных сред от длины волны света)
• Астигматизм
• Блин
• Сферическая аберрация
• Кома (коматическая аберрация)
• Кривизна поля изображения
• Дисторсия
• Виньетирование

 

 

Analogue (Аналоговая фотография)

Аналоговые фотографии относятся к традиционной фотографиии, и отличаются тем, что оптическое изображение создается на основе светочувствительной пленки, а не на фотоматрице как в цифровой фотографии.

 

^{Аналоговый Диапозитив}

Цифрова́я фотогра́фия отличается созданием оптического изображения на фотосенсоре вместо традиционного фотоматериала. Фотосенсор хранит изображение в виде электрических сигналов, которые затем обрабатываются процессором.

^{Современный CCD-сенсорный элемент}

 

 

Angle of View (Угол поля зрения объектива)

Угол поля зрения объектива (устаревший термирн «угол изображения») — угол в пространстве между двумя внеосевыми лучами, проходящими через объектив, и ограниченный диагональю кадра (полевой диафрагмой).

На схеме приведенной ниже угол поля зрения обозначен как α. Для угла α/2, tan α/2 = d / f 
d = фокусное расстояние на углах 
f = фокусное расстояние

Пример: Если фокусное расстояние равно диагонали формата кадра, тогда tan α = 0.5 и следовательно, угол равен 53 °. Это стандартная линза для соответствующего формата.

Объективы можно разделить на следующие категории:
Телефото объективы α < 20 °
Длинофокусный объектив 20 ° < α < 40 °
Обычный объектив 40 ° < α < 55 °
Широкоугольный объектив α > 55 °

<sup>широкоугольный объектив 

телезум</sup>

 

 

Anomalous Dispersion (Аномальная дисперсия)

^{Аномальная дисперсия (рассеяние)}

Стекло с аномальным рассеянием ( AD) – специальный тип оптического стекла, используемый для более точного контроля за хроматической аберрацией. Это позволяет улучшить общее качество изображения. Такое стекло гарантирует аномально большой коэффициент частичного рассеяния (дифракцию) для цвета определённого диапазона длины волны (для определённых цветов) в пределах видимого спектра. Комбинации элементов из стекла AD, обладающего особыми характеристиками с элементами из обычного стекла, имеющего иные характеристики рассеяния, позволяют контролировать коэффициент рассеяния света определённой длины волны. Результатом становится гораздо более низкий уровень осевой (по центру) хроматической аберрации объективов типа «телевик», или объективов типа «зум», использующих телескопическую настройку, а также существенное уменьшение боковой (периферийной) хроматической аберрации у объективов типа «широкоугольник» (или у объективов типа «зум» с широкоугольной настройкой).

Различия по коэффициенту частичного рассеяния для элементов из стандартного оптического стекла и из стекла AD (типичная диаграмма)

Список объективов Tamron  со стеклами с аномальным рассеиванием:

— AF 18-250mm F/3,5-6,3 Di II LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A18)
— AF 18-270mm F/3,5 -6,3 Di II VC LD Aspherical [ IF] Macro (Model B003)
— AF 28-300mm F/3,5-6,3 XR Di LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A061)
— AF 28-300mm F/3,5-6,3 XR Di VC LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A20)

 

 

Aperture (Диафрагма)

Апертура (от латинского слова, означающего aperire «открыто») отверстие объектива, которое регулируется диафрагмой и определяющее количество света, которое попадает на видеокамеру.  Апертура определяется размерами линз или диафрагмами. Открывается отверстие за счет наложения друг на друга лепестков диафрагмы, которые расположены по окружности. Чем больше эти лепестки выдвигаются сужая отверстие, тем меньше света может войти в систему и наоборот.

Апертура контролирует уровень освещенности, и вместе с параметром — выдержка, регулирует процесс экспозиции пленки или фотосенсора. Помимо выдержки и видоискателя, диафрагма является одним из важных технических средств фотографического творчества, поскольку она влияет на глубину резкости.

Диафрагменное число представляет собой соотношение между фокусным расстоянием объектива и действующим отверстием диафрагмы. Т.е. диафрагменное число равно фокусному расстоянию, деленному на входной диаметр отверстия диафрагмы. Таким образом, чем больше диафрагменное число, тем меньше действующее отверстие диафрагмы, и, соответственно, через объектив проходит меньшее количество света. И наоборот, чем меньше диафрагменное число, тем больше действующее отверстие диафрагмы, и через объектив проходит большее количество света.  Диафрагменное число механических камер регулируется кольцом на объективе, в отличие от электронных камер, где корректировка производится элементами управления на корпусе камеры.

 

 

APS-C Format (формат сенсора цифровых камер)

Advanced Photo System type-C (APS-C) — формат сенсора цифровых фотоаппаратов, эквивалентный «классическому» формату (type-C от Сlassic) Advanced Photo System, размер которых составляет 25,1×16,7 мм (пропорции 3:2). Сенсоры формата APS-C устанавливаются в основном на зеркальные цифровые фотоаппараты, хотя их можно найти на фотокамерах других классов. Все сенсоры APS-C меньше, чем плёночный стандарт 35мм (36×24 мм).  У Tamron есть линейка объективов Di II, экслюзивно разработанная под этот формат.
 

Зеленое поле на картинке показывает размер APS-C сенсора в сравнении с традиционным пленочным кадром 35mm (полноформатные сенсоры имеют такой же размер —  35мм). Белый круг показывает изображение захватываемое объективом Tamron Di II.

Список всех объективов TAMRON

X

 

 

ASL (Объективы с асферическими элементами)

В ASL объективах используются одна или несколько асферических линз.

 ^{Объективы с асферическими элементами:}

Объективы Di II
SP AF10-24mm F/3.5-4.5 Di II LD Aspherical [ IF](Model B001)
SP AF 17-50mm F/2,8 XR Di II LD Aspherical [ IF] (Model A16)
SP AF 17-50mm F/2,8 XR Di II VC LD Aspherical [ IF] (Model B005)
AF 18-200mm F/3,5-6,3 XR Di II LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A14)
AF 18-250mm F/3,5-6,3 Di II LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A18)
AF 18-270mm F/3,5 -6,3 Di II VC LD Aspherical [ IF] Macro (Model B003)

Объективы Di
SP AF 28-75mm F/2,8 XR Di LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A09)
AF 28-200mm F/3,8-5,6 XR Di Aspherical [ IF] MACRO (Model A031)
AF 28-300mm F/3,5-6,3 XR Di LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A061)
AF 28-300mm F/3,5-6,3 XR Di VC LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A20)

Aspherical (Асферические линзы)

Как правило, обычные линзы имеют постоянный радиус (сфера), т. е. можно предположить, что они вырезаны из шара (сферы). Эта простая форма линз, однако, она имеет недостатки создающие дефекты изображения. Благодаря инновационным технологиям производства явно наблюдается тенденция постепенного перехода к использованию асферических линз. Это линзы, поверхность которых не является сферой. Использование таких линз корректирует возникающие сферические аберрации и абберации комы. Кроме того, эти линзы устраняют эффекты искажения картинки (дисторсии)

 

ASL объективы используют одну или несколько асферических линз.

Асферические линзы производится нанесением специального пластика на стеклянную поверхность элемента.Совершенствуя эту передовую технологию для серийного производства, компания Tamron сумела значительно улучшить оптическую конструкцию, практически полностью устранить сферическую аберрацию и дисторсию изображения, что позволило создать новые серии высокоэффективных светосильных объективов.

 

^{Асферические элементы объективов Tamron}

 

^{Схематическая иллюстрация: Эффект компенсации с асферическими элементами объектива}

 

 

Astigmatism (Астигматизм)

Астигматизм это один из видов аббераций. Сам термин имеет греческие корни, где «a» обозначает отрицаение, а  «stigma» означает пятно. При таком типе абберации, точка объекта на оптической оси будет точно воспроизведена как точка в изображении, но точка объекта, расположенная вне оптической оси, появится не как точка в изображении, а скорее как затемнение или как линия. 

Лучи света в меридиональной плоскости и лучи света в сагиттальной плоскости находятся в различном положении, поэтому эти две группы лучей не соединяют ся в одной точке.

 

 

Эффект астигматизма минимзируется объективом Tamron за счет использования асферических линз и идеального расположения и сочетания стеклянных элементов с различными свойствами отражения.

 

 

Available Light (Естественное освещение)

Естественное освещение в фотографии это условия съемки без дополнительных источников света, (например, без фотовспышки), несмотря на неблагоприятные условия освещения (например, в сумерках или в помещении). Вместо этого, увеличивается чувствительность камеры ISO, увеличивается выдержка или используются объективы со стабилизатором изображения (например, объективы Tamron линейки VC).

Как показано на изображениях, при искусственном дополнительном освещении может быть потеряна значительная часть заднего плана.

Изображение слева получено при съемке со вспышкой, а правое при естественном освещении. 

Аберрации оптических систем

Аберрации оптических систем (от латинского aberratio – отклонение) – искажения, ошибки, или погрешности изображений, формируемых оптическими системами. Причина их возникновения в  то, что луч отклоняется от того направления, по которому в близкой к идеалу оптической системе он должен был бы идти. Различные нарушения гомоцентричности (отчетливости, соответствия или окрашенности) в структуре выходящих из оптической системы пучков лучей характеризуют аберрации.

Наиболее распространенными видами аберраций оптических систем можно считать:

1. Сферическую аберрацию. Она характеризуется недостатком изображения. При нем испущенные одной точкой объекта световые лучи, проходящие вблизи оси оптической системы, и лучи, проходящие через отдаленные от оси части системы, не собираются в одной точке.

2. Кому. Так называют аберрацию, которая возникает во время косого прохождения световых лучей через оптическую систему. В результате этого наблюдается нарушение симметрии пучка лучей относительно его оси и изображение точки (которая создается системой) принимает вид несимметричного пятна рассеяния.

3. Астигматизм. Об этой аберрации говорят, когда световая волна испытывает деформацию во время прохождения оптической системы. В результате этого, наблюдается деформация, при которой исходящие из одной точки объекта пучки лучей не пересекаются в одной точке, а располагаются в двух взаимно перпендикулярных отрезках на некотором расстоянии друг от друга. Такие пучки получили название астигматических.

4. Дисторсию. Так называется аберрация, характеризующаяся нарушением геометрического подобия между объектом и изображением объекта. Она обуславливается неодинаковостью линейного оптического увеличения на разных участках изображения.

5. Кривизну поля изображения. При этой аберрации наблюдается процесс, когда изображение плоского предмета получается резким на искривленной поверхности, а не на плоскости, как должно было.

Все вышеперечисленные виды аберраций оптических систем называются геометрическими или аберрациями Зейделя. В реальных системах отдельные виды геометрических аберраций можно встретить крайне редко. Куда чаще мы можем наблюдать симбиоз всех аберраций. А метод выделения отдельных видов аберраций является искусственным приемом, призванным облегчить анализ явления.

В то же время существует и хроматическая аберрация. Наблюдается связь этого вида аберрации и  зависимости показателя преломления оптических сред от длины волны света. Проявления этой аберрации наблюдаются в оптических системах, в которые входят элементы из преломляющих материалов. Как пример, линзы. Отметим также, что зеркалам свойственна ахроматичность.

Проявление хроматических аберраций может наблюдаться при виде постороннего окрашивания изображения, а также, когда у изображения предмета появляются цветные контуры, которых у предмета ранее не наблюдалось. Хроматические аберрации обусловливаются дисперсией оптических сред (зависимость показателя преломления оптических материалов от длины проходящей световой волны). Именно из них образуется оптическая система

К числу этих аберраций можно отнести хроматическую аберрацию или хроматизм положения (ее иногда называют «продольным хроматизмом») и хроматическу аберрацию  или хроматизм увеличения.

Хотите узнать больше об аберрациях оптических систем? У вас остались какие-то вопросы или появилось желание получше разобраться в отдельных нюансах? – Мы всегда готовы вам помочь. Просто зарегистрируйтесь на нашем сайте, выберите подходящий тарифный план и вперед!

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!

Зарегистрироваться

© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

RP Photonics Encyclopedia — оптические аберрации, хроматические, сферические, астигматизм, кома, кривизна поля, искажение изображения, полиномы Цернике, компенсация, качество изображения

Энциклопедия

> буква O> оптические аберрации

Определение: ухудшение оптических изображений, вызванное приборами для визуализации

Более конкретные термины: расфокусировка, астигматизм, кома, сферические аберрации, хроматические аберрации

немецкий: optische Aberrationen

Категории: общая оптика, зрение, дисплеи и изображения

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

Многие оптические инструменты, такие как фотоаппараты, телескопы и микроскопы, используют те или иные оптические изображения. В идеале полученные оптические изображения должны иметь следующие свойства, как они получены с помощью гауссовой оптики:

• Существует точное соответствие между точками объекта и точками изображения, где каждая точка объекта отображается в одной точке. Другими словами, получаются идеально четкие изображения.
• По крайней мере, для точек объекта в одной плоскости изображения не будут иметь геометрических искажений.Например, квадратная область всегда будет отображаться в квадратной области с точно прямыми границами.
• Не будет зависимости свойств изображения от длины волны (цвета).

Такая идеальная производительность на практике никогда не может быть достигнута по разным причинам:

• Дифракция света устанавливает предел возможного разрешения изображения. Например, бесконечно малая точка на объекте всегда отображается в области конечного размера (описываемой функцией рассеяния точки).
• Различные свойства системы формирования изображения вызывают различные виды оптических аберраций — несовершенства изображения, которые можно проанализировать с помощью геометрической оптики (лучевой оптики). Это может произойти, даже если оптические детали полностью соответствуют спецификациям, например с идеально сферическими поверхностями.
• Могут быть дефекты оптических элементов, которые еще больше увеличивают аберрации. Например, асферическая линза на основе дешевой пластиковой оптики может иметь несовершенную форму.

Важной частью конструкции оптических инструментов является минимизация аберраций.Это особенно верно для систем визуализации, тогда как системы освещения часто не критичны в этом отношении.

Аберрации также часто влияют на достижимое качество луча лазеров. Например, тепловые линзы в лазерных кристаллах часто демонстрируют значительные аберрации.

Параксиальное приближение позволяет определить аберрации.

Как упоминалось выше, оптические аберрации обычно анализируются на основе чисто лучевой оптики (без учета волновых аспектов). Для справки обычно используются пути луча, положение фокуса и т. Д.на основе параксиального приближения; аберрации рассматриваются как отклонения от них, в то время как отклонения фактического физического поведения из-за волновых аспектов света (например, дифракции) составляют , а не , рассматриваемые как аберрации. Последние также часто слабее аберраций в объясненном смысле.

Теория оптических аберраций довольно сложна, включает в себя множество нетривиальных геометрических соображений и значительный объем математики. К сожалению, различные аспекты, в том числе даже весьма фундаментальные, часто вводят в заблуждение или даже противоречат друг другу.Например, непоследовательно определять аберрации только через не идеально четкие изображения (по каким-либо физическим причинам и игнорируя геометрические искажения) и в то же время как отклонения от поведения, основанного на параксиальной оптике. Для всестороннего понимания требуются подробные исследования. Эта статья дает только очень краткий обзор; некоторые подробности содержатся в более конкретных статьях, цитируемых здесь.

Типы оптических аберраций

Ниже описаны типичные виды аберраций.

Расфокусировка

Если система формирования изображения не сфокусирована на фактическом расстоянии отображаемых объектов, изображение становится размытым. Эта проблема не обязательно рассматривается как несовершенство оптической системы, которую необходимо решать с помощью оптимизации конструкции, поскольку можно просто соответствующим образом скорректировать настройку фокуса. Однако это работает только до тех пор, пока все отображаемые объекты находятся в пределах определенного диапазона расстояний, для которого могут быть получены достаточно четкие изображения: системы визуализации обычно имеют ограниченную глубину резкости .Кроме того, идеальная фокусировка по всей области изображения может оказаться невозможной из-за кривизны поля (см. Ниже).

Хроматические аберрации

Оптика формирования изображений обычно должна работать с широким диапазоном длин волн!

Из-за хроматической дисперсии (вызванной зависящим от длины волны преломлением) линза обычно имеет фокусное расстояние, которое немного зависит от длины оптической волны. Очевидно, это явление может вызвать существенное ухудшение качества изображения, называемое хроматическими аберрациями , поскольку видимый диапазон длин волн составляет почти одну октаву (примерно от 400 до 700 нм).Однако есть определенные способы получения ахроматической оптики, по сути, путем правильного комбинирования разных линз, изготовленных из разных оптических материалов. Другая возможность — работать с отражающей оптикой, которая, как правило, не содержит хроматических аберраций.

Подробнее см. В статье о хроматических аберрациях.

В следующих разделах объясняются типы аберраций, которые возникают даже при монохроматическом свете. Это пять типов первичных аберраций , идентифицированных Филиппом Людвигом Зайделем в 19 ^-м веках.

Сферические аберрации

Большинство оптических линз имеют сферическую поверхность, поскольку их легче всего изготовить. Однако такая форма поверхности не идеальна для визуализации; тогда внешние части линзы слишком сильно изогнуты. Это приводит к так называемым сферическим аберрациям , которые могут серьезно ухудшить качество изображения.

Асферическая оптика позволяет реализовать высокоэффективные объективы с меньшим количеством компонентов.

Эту проблему можно решить либо с помощью асферических линз, либо с помощью комбинации линз, сконструированных таким образом, что сферические аберрации хорошо компенсируются.Развитие усовершенствованных методов изготовления асферической оптики привело к их более широкому использованию, что позволяет производителям изготавливать высокопроизводительные объективы с меньшим количеством линз, что также может привести к увеличению светопропускания.

Обратите внимание, что сферические аберрации также часто рассматриваются в более общем смысле как неидеальные фазовые изменения для больших радиальных положений. Такие ошибки также могут быть вызваны простыми оптическими пластинами и, например, тепловым линзированием в лазерных кристаллах.

Подробнее см. Статью о сферических аберрациях.

Астигматизм

Проблема астигматизма часто наблюдается, когда свет распространяется под значительным углом к ​​оптической оси. Например, когда световые лучи попадают на линзу или изогнутое зеркало под значительным углом, расстояние от линзы до фокальной точки несколько отличается в вертикальном и горизонтальном направлениях, или, точнее, в меридиональной и сагиттальной плоскости. Таким образом, в фокальной плоскости, соответствующей каждому из этих направлений, отображается точка в эллиптической области.

Астигматизм линзы зависит от конструкции линзы, но не может быть полностью скорректирован для одной линзы. Кроме того, он не исчезает просто при использовании узкой диафрагмы, препятствующей прохождению света через внешнюю область линзы. Тем не менее, анастигматические оптические системы (то есть системы, не проявляющие астигматизма) могут быть разработаны с подходящей комбинацией линз.

Подробнее см. В статье об астигматизме.

Кома

Явление комы возникает, когда свет находится под значительным углом к ​​оптической оси и, кроме того, распространяется по внешним областям линзы.Затем объектная точка отображается в области более или менее сложной формы, часто напоминающей форму кометы.

Кома может быть уменьшена с помощью диафрагмы (за счет потери яркости изображения) или с помощью более сложных методов дизайна.

Например, астигматизм и кому можно наблюдать, наблюдая за маленькой точкой на листе бумаги через увеличительное стекло, которое существенно наклонено против направления взгляда. Это более выражено для очков с большим увеличением.

Кривизна поля

Кривизна поля означает проблему, заключающуюся в том, что фокусные точки линзы, полученные с разными углами падения, лежат не на плоскости, а на изогнутой поверхности, особенно для широко открытых диафрагм. Например, при использовании датчика плоского изображения это может сделать невозможным настройку оптики для получения резкого изображения по всей плоскости изображения. Поэтому нужно либо попытаться минимизировать кривизну поля, либо, в некоторых случаях, использовать датчик изображения с соответствующим изгибом.

Проблема кривизны поля была проанализирована, в частности, Джозефом Петцвалем, поэтому ее часто называют кривизна поля Петцваля . Это особенно актуально, например, для измерительных микроскопов.

Искажение изображения

Имеются геометрические искажения изображения, из-за которых прямые линии объекта выглядят как непрямые кривые на изображении. Часто встречающиеся проблемы — это деформация ствола и деформация подушки .Такие проблемы особенно характерны для широкоугольных объективов.

Полиномы Цернике

Общий метод для характеристики любого вида монохроматических аберраций (то есть всего, кроме хроматических аберраций) основан на наборе взаимно ортогональных функций, разработанных Фрицем Зернике. Эти функции зависят от полярных координат ρ и φ. Радиальная часть описана полиномами Цернике, а азимутальный фактор — cos mφ или sin mφ .Один разлагает искажения волнового фронта в зависимости от положения в двух измерениях, и полученные коэффициенты этих функций количественно определяют соответствующие типы аберраций.

Минимизация аберраций

Все виды аберраций изображения можно минимизировать с помощью определенных методов проектирования объективов и рабочих целей в пределах разумных областей параметров, например относительно расстояния до объекта. Некоторые аберрации можно компенсировать локально; например, вместо одиночной линзы можно использовать дублеты ахроматических линз.Другие виды аберраций необходимо компенсировать другими способами, когда аберрации от различных элементов в оптической системе (возможно, с большим расстоянием между ними) приблизительно компенсируют друг друга. Часто для разных компонентов необходимо использовать разные оптические стекла (или пластмассы).

Оптимизация конструкции с точки зрения оптических аберраций может быть довольно сложной задачей!

Одновременная точная компенсация различных видов аберраций может быть довольно сложной задачей. Обратите внимание, что любое изменение конструкции может изменить все виды аберраций, так что, как правило, невозможно решить разные проблемы одну за другой.Часто приходится соглашаться на некоторые компромиссы, основанные на приоритетах определенных приложений для обработки изображений. Например, минимизация искажений изображения особенно важна для измерительного микроскопа, где пропускная способность света и хроматические аберрации могут быть меньшими проблемами, поскольку можно использовать освещение ярким узкополосным светом.

Для проектирования оптических систем обычно используется программное обеспечение для оптического проектирования, которое может вычислять все соответствующие виды аберраций изображения и предлагает инструменты для их численной минимизации с помощью корректировок конструкции.Тем не менее, полное понимание многих аспектов аберраций является жизненно важным, поскольку в противном случае невозможно будет правильно интерпретировать вычисленные результаты или выбрать основную архитектуру дизайна, которая имеет шанс достичь требуемых характеристик.

Компенсация эффектов аберраций

Некоторые аберрации в цифровых изображениях можно в значительной степени компенсировать с помощью числового программного обеспечения. Некоторые примеры:

Программное обеспечение можно использовать для значительного уменьшения различных аберраций.

• Существуют различные алгоритмы повышения резкости изображения, которые могут работать достаточно хорошо, по крайней мере, если на изображении не слишком много шума.
• Геометрические искажения изображения можно хорошо исправить, но можно потерять некоторые внешние области изображения.
Программное обеспечение
• может обнаруживать и корректировать цветовые эффекты на границах, вызванные хроматическими аберрациями.
• Проблемы с кривизной поля могут быть уменьшены путем объединения данных по экспозициям с немного разными настройками фокусировки.

Такие методы часто используются в цифровых фотоаппаратах для улучшения качества изображения и, возможно, для создания устройств, которые обеспечивают удовлетворительное качество изображения с более дешевыми объектами.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор примет решение о приеме на основании определенных критериев.По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала рассматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. Также: сферические аберрации, хроматические аберрации, визуализация, визуализация с помощью объектива, фотографические объективы, геометрическая оптика, параксиальное приближение
и другие статьи в категориях общая оптика, зрение, дисплеи и визуализация

Если вам нравится эта страница, поделитесь ссылкой с друзьями и коллегами, например через соцсети: Эти кнопки общего доступа реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (напр.грамм. ваш веб-сайт, социальные сети, дискуссионный форум, Википедия), вы можете получить требуемый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

   
 Статья об оптических аберрациях  
 в  
 RP Photonics Encyclopedia   

С изображением для предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
  alt =" article ">   

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/optical_aberrations.html 
, статья «Оптические аберрации» в энциклопедии RP Photonics]  

Сравнение оптических аберраций | Эдмунд Оптикс

Выявление аберраций | Примеры аберраций

Оптические аберрации — это отклонения от совершенной математической модели.Важно отметить, что они не вызваны какими-либо физическими, оптическими или механическими дефектами. Скорее, они могут быть вызваны самой формой линзы или размещением оптических элементов внутри системы из-за волновой природы света. Оптические системы обычно проектируются с использованием оптики первого порядка или параксиальной оптики для расчета размера и местоположения изображения. Параксиальная оптика не учитывает аберрации; он рассматривает свет как луч и поэтому не учитывает волновые явления, вызывающие аберрации. Чтобы получить представление об оптических аберрациях, просмотрите Хроматические и Монохроматические оптические аберрации.

После определения различных групп и типов хроматических и монохроматических оптических аберраций трудной частью становится их распознавание в системе посредством компьютерного анализа или наблюдения в реальном мире, а затем корректировка системы для уменьшения аберраций. Обычно проектировщики оптики сначала помещают систему в программное обеспечение для проектирования оптических систем, такое как Zemax® или Code V®, чтобы проверить производительность и отклонения системы. Важно отметить, что после изготовления оптического компонента аберрации можно распознать, наблюдая за выходным сигналом системы.

Оптическая идентификация аберраций

Определение того, какие аберрации присутствуют в оптической системе, не всегда является простой задачей, даже на этапе компьютерного анализа, поскольку обычно в любой данной системе присутствуют две или более аберрации. Разработчики оптики используют различные инструменты для распознавания аберраций и их исправления, часто включая компьютерные точечные диаграммы, волновые веерные диаграммы и лучевые веерные диаграммы. Точечные диаграммы показывают, как одна светящаяся точка будет выглядеть после того, как она будет отображена через систему.Волновые веерные диаграммы — это графики волнового фронта относительно плоского волнового фронта, где идеальная волна была бы плоской вдоль направления x. Диаграммы лучевого веера представляют собой графики зависимости точек лучевого веера от координат зрачка. Следующее меню иллюстрирует характерные диаграммы вееров волн и лучей для тангенциальной (вертикальная, направление y) и сагиттальной (горизонтальная, направление z) плоскостей, где H = 1 для каждой из следующих аберраций: наклон (W ₁₁₁ ), расфокусировка (W ₀₂₀ ), сферический (W ₀₄₀ ), кома (W ₁₃₁ ), астигматизм (W ₂₂₂ ), кривизна поля (W ₂₂₀ ) и искажение (W ₃₁₁ ).Просто выберите интересующую аберрацию, чтобы увидеть каждую иллюстрацию.

Название аберрации (коэффициент волнового фронта):

Наклон (W111) Расфокусировка (W020) Сферическая (W040) Кома (W131) Астигматизм (W222) Кривизна поля (W220) Искажение (W311)

---

Рисунок 1: Образец диска Эйри

Распознавание аберраций, особенно на стадии проектирования, является первым шагом в их исправлении. Почему проектировщик оптики хочет исправить аберрации? Ответ заключается в создании системы с ограничением дифракции, что является наилучшей возможной производительностью.В системах с дифракционным ограничением все аберрации содержатся в размере пятна на диске Эйри или в размере дифракционной картины, вызванной круглой апертурой (рис. 1).

Уравнение 1 можно использовать для расчета размера пятна диска Эйри (d), где λ — длина волны, используемая в системе, а f / # — f-число системы.

(1) $$ d = 2,44 \ cdot \ left (f / \ # \ right) $$

ПРИМЕРЫ ОПТИЧЕСКИХ АБЕРРАЦИЙ

После того, как система спроектирована и изготовлена, аберрации можно наблюдать путем визуализации точечного источника, такого как лазер, через систему, чтобы увидеть, как одна точка появляется на плоскости изображения.Могут присутствовать множественные аберрации, но в целом, чем больше похоже изображение на пятно, тем меньше аберраций; это независимо от размера, так как пятно может быть увеличено системой. Следующие семь примеров иллюстрируют поведение луча, если соответствующая аберрация была единственной в системе, моделирование аберрированных изображений с использованием общих тестовых целей (рисунки 2-4) и возможные корректирующие действия для минимизации аберрации.

Моделирование было создано в Code V® и преувеличено, чтобы лучше проиллюстрировать индуцированную аберрацию.Важно отметить, что обсуждаются только аберрации первого и третьего порядка из-за их общности, поскольку исправление аберраций более высокого порядка становится очень сложным для небольшого улучшения качества изображения.

Рисунок 2: Целевой показатель искажений в сети с фиксированной частотой

Рисунок 3: Отрицательный контраст 1951 Цель разрешения ВВС США

Рисунок 4: Star Target

Наклон — W 111
Рисунок 5a: Представление аберрации наклона	Рисунок 5b: Моделирование аберрации наклона
Характеристика Изображение неправильно увеличено Вызванный Actual Wavefront наклонен по отношению к Справочной Wavefront Первый порядок: W 111 = Hρcos (θ)	Действие по устранению Изменить систему увеличения

Расфокусировка — W 020
Рисунок 6a: Представление аберрации расфокусировки	Рисунок 6b: Моделирование аберрации расфокусировки
Характеристика Изображение в неправильной плоскости изображения вызвано неправильным эталонным изображением Используется для исправления других аберраций Первый порядок: W 020 = ρ 2	Действие по устранению Система перефокусировки, найти новое эталонное изображение

Сферический — W 040
Рисунок 7a: Представление сферической аберрации	Рисунок 7b: Моделирование сферической аберрации
Характеристика Изображение выглядит размытым, лучи от края фокусируются в другой точке, чем лучи от центра Встречается со всей сферической оптикой Аберрация по оси и вне оси Третий порядок: W 040 = ρ 4	Действие по устранению

Кома — W 131
Рисунок 8a: Представление аберрации комы	Рисунок 8b: Моделирование аберрации комы
Характеристика Возникает при изменении увеличения в зависимости от местоположения на изображении Два типа: тангенциальный (вертикальный, направление Y) и сагиттальный (горизонтальный, направление X) Только вне оси Третий порядок: W 131 = Hρ 3 ; cos (θ)	Действие по устранению Используйте двойную линзу с разнесением и ограничителем по центру

Астигматизм — W 222
Рисунок 9a: Представление аберрации астигматизма	Рисунок 9b: Моделирование аберрации астигматизма
Характеристика Образует две точки фокусировки: одну в горизонтальном (сагиттальном) направлении, а другую в вертикальном (тангенциальном) направлении Выходной зрачок выглядит эллиптическим вне оси, радиус меньше в одном направлении Только вне оси Третий порядок: W 222 = H 2 ρ 2 cos 2 (θ)	Действие по устранению Противодействие с расфокусировкой Используйте двойную линзу с разнесением и ограничителем по центру

Кривизна поля — W 220
Рисунок 10a: Представление аберрации кривизны поля	Рисунок 10b: Моделирование аберрации кривизны поля
Характеристика Изображение идеальное, но только на изогнутой плоскости изображения вызвано распределением питания оптики Только вне оси Третий порядок: W 220 = H 2 ρ 2	Действие по устранению

Искажение — W 311
Рисунок 11a: Представление аберрации искажения	Рисунок 11b: Моделирование аберрации искажения ствола Рис. 11c: Моделирование аберрации подушкообразного искажения
Характеристика Ошибка квадратичного увеличения, точки на изображении либо слишком близки, либо слишком далеко от центра Положительное искажение называется бочкообразным искажением, отрицательное — подушкообразным искажением Только вне оси Третий порядок: W 311 = H 3 ρcos (θ)	Действие по устранению Уменьшено за счет размещения диафрагмы в центре системы

Распознавание оптических аберраций очень важно для их коррекции в оптической системе, так как цель состоит в том, чтобы ограничить дифракцию в системе.Оптические системы и системы визуализации могут содержать несколько комбинаций аберраций, которые можно классифицировать как хроматические или монохроматические. Коррекцию аберраций лучше всего выполнять на этапе проектирования, когда такие действия, как перемещение диафрагмы или изменение типа оптической линзы, могут значительно снизить количество и серьезность (или величину) аберраций. В целом, разработчики оптики работают над уменьшением аберраций первого и третьего порядка, прежде всего потому, что уменьшение аберраций более высокого порядка значительно усложняет работу при лишь небольшом улучшении качества изображения.

---

Номер ссылки

1. Dereniak, Eustace L., and Teresa D. Dereniak. Геометрическая и тригонометрическая оптика . Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2008.

Коррекция шести распространенных типов аберраций линз

В оптической конструкции аберрации возникают, когда свет из одной точки объекта не сходится или не расходится из одной точки после прохождения через систему. Нелинейные члены в законе Снеллиуса вызывают отклонения от идеального изображения: оптические системы, формирующие изображения, будут создавать не столь резкие изображения.Инженеры-оптики должны исправить аберрации, чтобы получить максимально резкое изображение.

Шесть распространенных типов оптических аберраций

1. Расфокусировка: оптическая система не в фокусе, что снижает резкость изображений, создаваемых системой.
2. Радиальное искажение: изображения с радиальным искажением обычно имеют симметричное искажение из-за симметрии линзы. Существует три типа радиального искажения: бочка, при которой увеличение изображения уменьшается с удалением от оптической оси; подушкообразное искажение, при котором увеличение изображения увеличивается с удалением от оптической оси; и искажение усов, которое представляет собой смесь двух типов.Хроматическая аберрация — это радиальное искажение, которое зависит от длины волны.
3. Астигматизм: лучи, распространяющиеся в двух перпендикулярных плоскостях, имеют разные фокусы. Там, где горизонтальная и вертикальная оси пересекаются, оси будут четко сфокусированы на двух разных расстояниях. Есть две формы астигматизма: аберрация третьего порядка, которая возникает для объектов, находящихся вдали от оптического доступа; и когда оптическая система не симметрична относительно оптической оси.
4. Кома: определяется как вариация увеличения над входным зрачком. Кома часто встречается при проектировании телескопов, в результате чего звезды или другие объекты выглядят имеющими хвост.
5. Сферическая аберрация: это происходит, когда наблюдается повышенное преломление световых лучей, падающих на линзу, или когда есть отражение световых лучей, падающих на зеркало около края, а не ближе к центру.
6. Кривизна поля Петцваля. Названная в честь физика Йозефа Петцваля, одного из основоположников геометрической оптики, это аберрация, при которой плоский объект не может быть сфокусирован на плоской плоскости изображения.

Устранение оптических аберраций с помощью программного обеспечения для проектирования оптики

Многие оптические аберрации можно легко устранить с помощью подходящего программного обеспечения для проектирования оптики.Например, OpticStudio от Zemax, ведущее в отрасли программное обеспечение для проектирования оптики, имеет множество функций и возможностей, которые помогают исправлять распространенные аберрации.

Например, OpticStudio предлагает функцию анализа аберраций во всем поле, которая позволяет инженерам-оптикам улучшать конструкции произвольной формы, анализируя, как различные аберрации ухудшают качество изображения или луча системы во всем поле обзора. Оптические поверхности произвольной формы являются ключевым элементом многих современных оптических систем, используемых, например, в проектах виртуальной и дополненной реальности.Эта функция анализа отображает аберрации и вклад в ухудшение изображения по всему полю обзора XY. Пользователи могут анализировать системы произвольной формы так же, как и любую другую обычную последовательную систему, выявляя изменения аберраций в поле зрения и получая указания, как их исправить.

Электронное руководство: как понять, как изменяется или теряется контраст в оптической системе

Понимание потери контрастности в оптической системе так же важно, как и коррекция аберраций.Изучите основы.

СКАЧАТЬ>

Аберрации | Оптика детская

Аберрации

Аберрации — это ошибки в изображении, возникающие из-за дефектов оптической системы. Другими словами, аберрации возникают, когда оптическая система неверно направляет некоторые лучи объекта. Оптические компоненты могут создавать ошибки в изображении, даже если они сделаны из лучших материалов и не имеют дефектов.Некоторые типы аберраций могут возникать при отображении электромагнитного излучения одной длины волны (монохроматические аберрации), а другие типы возникают при отображении электромагнитного излучения двух или более длин волн (хроматические аберрации). Происхождение и последствия хроматического излучения обсуждались в предыдущем разделе.

Монохроматические аберрации можно разделить на несколько категорий: сферические, кома, астигматизм, кривизна поля и искажения. Идея эталонной сферы часто используется при обсуждении аберраций.Для всех сфер луч, нарисованный перпендикулярно поверхности сферы, будет пересекать центр сферы, независимо от того, какое место на поверхности выбрано.

Сфера, лучи которой перпендикулярны поверхности, пересекаются в центре сферы.

Контрольная сфера не является физической структурой; это просто математическая конструкция, с которой сравнивается волновой фронт электромагнитного излучения. Если фронт электромагнитной волны имеет форму эталонной сферы, то фронт волны будет идеально сфокусирован в центре сферы.Помните, что определение луча указывает, что лучи рисуются перпендикулярно волновому фронту. Все лучи, связанные со сферическим волновым фронтом, будут пересекаться в центре сферы. Если фронт волны не сферический, часть лучей пройдет через центр сферы.

Некоторые лучи на аберрированном волновом фронте фокусируются в другой точке W, чем лучи, перпендикулярные эталонной сфере.

Сравнивая волновой фронт электромагнитного излучения с эталонной сферой, можно определить, какие аберрации присутствуют на изображении и насколько они серьезны.

Сферические аберрации возникают у линз со сферической поверхностью. Лучи, проходящие через точки линзы, находящиеся дальше от оси, преломляются сильнее, чем лучи, расположенные ближе к оси. Это приводит к распределению фокусов вдоль оптической оси.

аберраций | Физика

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите оптическую аберрацию.

Реальные линзы ведут себя несколько иначе, чем моделируются с помощью уравнений тонкой линзы, создавая аберрации .Аберрация — это искажение изображения. Существует множество аберраций, связанных с размером линзы, материалом, толщиной и положением объекта. Одним из распространенных типов аберраций является хроматическая аберрация, связанная с цветом. Поскольку показатель преломления линз зависит от цвета или длины волны, изображения создаются в разных местах и ​​с разным увеличением для разных цветов. (Закон отражения не зависит от длины волны, поэтому у зеркал нет этой проблемы. Это еще одно преимущество зеркал в оптических системах, таких как телескопы.)

На рис. 1а показана хроматическая аберрация для одной выпуклой линзы и ее частичная коррекция с помощью двухлинзовой системы. Фиолетовые лучи изгибаются больше, чем красные, поскольку они имеют более высокий показатель преломления и поэтому фокусируются ближе к линзе. Рассеивающая линза частично исправляет это, хотя обычно это невозможно сделать полностью. Могут использоваться линзы из разных материалов и с разной дисперсией. Например, ахроматический дуплет, состоящий из собирающей линзы из стекла короны и расходящейся линзы из бесцветного стекла в контакте, может значительно уменьшить хроматическую аберрацию (см. Рисунок 1b).

Рис. 1. (a) Хроматическая аберрация вызвана зависимостью показателя преломления линзы от цвета (длины волны). Линза более сильна для фиолетового (V), чем для красного (R), создавая изображения с разным расположением и увеличением. (b) Системы с несколькими линзами могут частично корректировать хроматические аберрации, но для них могут потребоваться линзы из разных материалов и увеличивать стоимость оптических систем, таких как камеры.

Довольно часто в системе визуализации объект находится не по центру.Следовательно, разные части линзы или зеркала не преломляют и не отражают изображение в одной и той же точке. Этот тип аберрации называется комой и показан на рисунке 2. Изображение в этом случае часто выглядит грушевидным. Другой распространенной аберрацией является сферическая аберрация, когда лучи, сходящиеся от внешних краев линзы, сходятся в фокусе ближе к линзе, а лучи ближе к фокусу оси дальше (см. Рисунок 3). Аберрации из-за астигматизма в линзах глаз обсуждаются в разделе «Коррекция зрения», а диаграмма, используемая для обнаружения астигматизма, показана на рисунке 4.Такие аберрации также могут быть проблемой для изготовленных линз.

Рис. 2. Кома — это аберрация, вызванная смещением объекта по центру, что часто приводит к получению изображения грушевидной формы. Лучи исходят из точек, которые не находятся на оптической оси, и они не сходятся в одной общей точке фокусировки.

Рис. 3. Сферическая аберрация вызвана фокусировкой лучей на разном расстоянии от линзы.

Рисунок 4. На этой диаграмме можно обнаружить астигматизм, неравномерность в фокусе глаза.Проверьте каждый глаз отдельно, посмотрев на центральный крест (без очков, если вы их носите). Если линии на одних осях кажутся темнее или четче, чем на других, у вас астигматизм.

Изображение, создаваемое оптической системой, должно быть достаточно ярким, чтобы его можно было различить. Часто бывает сложно получить достаточно яркое изображение. Яркость определяется количеством света, проходящего через оптическую систему. Оптическими компонентами, определяющими яркость, являются диаметр линзы и диаметр зрачков, диафрагм или диафрагм, расположенных перед линзами.В оптических системах часто есть входные и выходные зрачки, специально предназначенные для уменьшения аберраций, но они также неизбежно снижают яркость. Следовательно, оптические системы должны обеспечивать баланс между различными используемыми компонентами. Радужная оболочка глаза расширяется и сужается, действуя как входной зрачок. Вы можете видеть предметы более четко, если посмотрите через маленькое отверстие, проделанное рукой в ​​форме кулака. Прищурившись или используя небольшое отверстие в листе бумаги, вы также сделаете объект более резким.

Так как же исправить аберрации? Линзы также могут иметь поверхность особой формы в отличие от простой сферической формы, которую относительно легко изготовить.Дорогие объективы для фотоаппаратов имеют большой диаметр, поэтому они могут собирать больше света и требуют нескольких элементов для коррекции различных аберраций. Кроме того, достижения в области материаловедения привели к созданию линз с диапазоном показателей преломления, которые технически называются линзами с градиентным показателем преломления (GRIN). Очки часто обладают способностью обеспечивать диапазон фокусировки с использованием аналогичных приемов. Линзы GRIN особенно важны на конце оптических волокон в эндоскопах. Усовершенствованные вычислительные методы позволяют вносить ряд исправлений в изображения после того, как изображение было собрано и известны определенные характеристики оптической системы.Некоторые из этих методов представляют собой сложные версии того, что доступно в коммерческих пакетах, таких как Adobe Photoshop.

Сводка раздела

• Аберрации или искажения изображения могут возникать из-за конечной толщины оптических инструментов, несовершенства оптических компонентов и ограничений на способы использования компонентов.
• Средства для исправления аберраций варьируются от лучших компонентов до вычислительных методов.

Концептуальные вопросы

1. Перечислите различные типы аберраций.Что их вызывает и как их можно уменьшить?

Задачи и упражнения

Интегрированные концепции. (a) Во время лазерной коррекции зрения на роговицу пациента проецируется короткая вспышка ультрафиолетового света 193 нм. Он образует пятно диаметром 1,00 мм и выделяет 0,500 мДж энергии. Рассчитайте глубину абляции слоя, предполагая, что ткань роговицы имеет те же свойства, что и вода, и изначально имеет температуру 34,0 ° C. Температура ткани повышается до 100ºC и испаряется без дальнейшего повышения температуры.
(b) Означает ли ваш ответ, что форму роговицы можно точно контролировать?

Глоссарий

аберрация: отказ лучей сходиться в одном фокусе из-за ограничений или дефектов линзы или зеркала

Решения проблем и упражнения

(а) 0,251 мкм; (b) Да, эта толщина означает, что форму роговицы можно очень точно контролировать, обеспечивая нормальное зрение вдаль у более чем 90% пациентов.

Шесть оптических аберраций, которые могут повлиять на вашу систему зрения Teledyne Lumenera

Что такое оптическая аберрация?

Для получения наилучшего качества изображения объектив должен корректировать оптические аберрации.Без надлежащих исправлений изображения могут стать каким-то образом размытыми и потерять важные данные изображения. В этом блоге основное внимание уделяется шести оптическим аберрациям, их возникновению и способам их предотвращения / уменьшения негативного воздействия.

Под оптической аберрацией понимается дефект в конструкции линзы, из-за которого свет рассеивается вместо фокусировки для формирования резкого изображения. Это варьируется от всего света на изображении до только определенных пятен или краев, находящихся не в фокусе. Есть несколько типов оптических аберраций, которые могут возникнуть при визуализации.Построение идеальной системы зрения, в которой были бы исправлены все возможные аберрации, значительно увеличило бы стоимость линзы. На практике всегда есть какая-то форма аберрации, которая может быть обнаружена в линзе, но минимизация эффектов аберрации имеет решающее значение. Поэтому при изготовлении любого объектива обычно идут на некоторые компромиссы.

Чтобы объяснить, как аберрации размывают изображение, полезно сначала объяснить: что такое круг нерезкости? Когда точка света от цели достигает линзы, а затем сходится к датчику, она становится резкой.В противном случае, если он сходится до или после датчика, свет на датчике будет распространяться шире. Это можно увидеть на Рисунке 1, где видно, что точечный источник света сходится к датчику, но по мере изменения положения датчика также изменяется и количество света, распространяющегося вдоль датчика.

Чем больше рассеивается свет, тем меньше будет резкость изображения. Если диафрагма не мала, цели, находящиеся на большом расстоянии друг от друга на изображении, часто будут иметь не в фокусе фон или передний план.Это связано с тем, что свет, сходящийся на переднем плане, будет сходиться в другой точке, чем свет от цели, находящейся дальше на заднем плане. Для получения дополнительной информации о преимуществах использования диафрагмы в системах технического зрения прочтите блог Teledyne Lumenera, «Повышение производительности системы визуализации с помощью оптимизации апертуры объектива». и превращает его в конус света. Это связано с тем, что при коме свет, попадающий в разные части объектива, будет фокусироваться все дальше и дальше по плоскости изображения, где расположен датчик.

Свет, попадающий в линзу под углом, может вызвать образование следа из расширяющихся кругов нерезкости на плоскости изображения. Это может привести к тому, что след расширяющегося света повлияет на любой точечный источник света, пытающийся отобразить, как показано на рисунке 2. В верхней части рисунка 2 изображение аберрации комы можно увидеть как точечный источник с расширяющимися вниз кружками нерезкости. , создавая изображение в форме конуса. Часто это является результатом смещения оптики.

Кома случается с точечными источниками света, такими как звезды, поэтому это особенно важная аберрация для астрофотографии.Уменьшая диафрагму, можно удалить некоторые световые лучи, вызывающие эффект, но для чего-то вроде астрофотографии удаляется большая часть объекта, который необходимо отобразить. В таких случаях требуются линзы, разработанные специально для коррекции комы.

Астигматизм

Лучи, распространяющиеся в двух перпендикулярных плоскостях, могут иметь астигматизм, когда они фокусируются в разных точках. Это можно увидеть на рисунке 3, где две точки фокуса представлены красной горизонтальной и синей вертикальной плоскостями.Точка оптимальной резкости изображения будет между этими двумя точками, где кружок нерезкости для любой из плоскостей не слишком широк. Астигматизм вызывает искажения по сторонам и краям изображения при смещении оптики. Это часто описывается как отсутствие резкости при просмотре линии на изображении. Кома и астигматизм обычно являются результатом схожего смещения внутренней оптики линзовой системы. Когда астигматизм ухудшается, можно с уверенностью сказать, что наступит кома.

Эту форму аберрации можно исправить, используя правильную конструкцию линз, которую можно найти в самой качественной оптике. Первоначальные конструкции оптики, фиксирующей астигматизм, были разработаны компанией Carl Zeiss и разрабатывались более ста лет. На данный момент он обычно встречается только в линзах очень низкого качества или в тех случаях, когда внутренняя оптика была повреждена или сместилась через каплю линзы.

(Petzval) Кривизна поля

Многие линзы имеют округлое поле фокусировки.Это может привести к появлению мягких углов изображения и, прежде всего, к удержанию центра изображения в фокусе. Однако большинство объективов имеют округлое поле фокусировки и не могут сфокусировать все изображение без некоторой обрезки. Это связано с изогнутой поверхностью большей части линзовой оптики. Кривизна поля — это результат того, что плоскость изображения не является плоской из-за наличия нескольких точек фокусировки. На рисунке 4 плоскость изображения показана изогнутой, потому что каждая точка фокусировки находится в другой плоскости, перпендикулярной оптической оси. Когда линия используется для соединения этих точек, она показывает изогнутую плоскость.Благодаря тому, что свет попадает в линзу вне оптической оси, в результате точка фокусировки не фокусируется на датчике.

Объективы фотоаппаратов в значительной степени исправили это, но некоторая кривизна поля, вероятно, будет обнаружена на многих объективах. Некоторые производители датчиков фактически работают над изогнутыми датчиками, которые корректируют искривленное поле фокусировки. Такая конструкция позволила бы датчику корректировать аберрацию вместо того, чтобы требовать изготовления дорогостоящих линз с такой точностью.Используя этот тип сенсора, можно использовать более недорогие линзы для получения высококачественных результатов. Примеры из реальной жизни можно увидеть в космической обсерватории Кеплера, где изогнутая матрица датчиков используется для коррекции большой сферической оптики телескопа. Для получения дополнительной информации о телескопе Кеплера см. Https://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/main/index.html.

Искажение

Искажение — это способ искажения изображения по направлению к краям и сторонам кадра изображения.Для камер с очень большим или очень низким фокусным расстоянием эффекты искажения могут быть наиболее заметными. Две наиболее распространенные формы искажения — это бочкообразный и подушкообразный искажения.

Бочкообразное искажение

Изображения с бочкообразным искажением имеют края и стороны, изогнутые от центра. Визуально кажется, что на изображении есть выпуклость, поскольку оно отражает появление искривленного поля зрения (FoV). Например, при использовании объектива с меньшим фокусным расстоянием (также называемого широкоугольным объективом) с высоты в высоком здании можно получить гораздо более широкое поле зрения.Это наиболее преувеличено при использовании объектива «рыбий глаз», который дает очень искаженное и широкое поле зрения, как показано на рисунке 5. На этом изображении линии сетки используются, чтобы помочь проиллюстрировать, как эффект искажения создает более растянутое изображение наружу ближе к сторонам и края.

Свет, попадающий в линзу, отклоняется от оптической оси и вызывает бочкообразное искажение. В случае широкоугольного объектива дополнительное преимущество гораздо более широкого поля зрения может быть более значительным, чем аберрация на концах изображений, поскольку обеспечивает большую площадь изображения.Следует отметить, что существуют прямолинейные линзы, которые компенсируют бочкообразное искажение и выравнивают поле зрения. Это может быть важно для анализа изображений, поскольку требует использования короткого фокусного расстояния.

Для аэрофотосъемки, требующей широкого поля зрения для лучшего захвата ландшафта, альтернативой использованию очень малых фокусных расстояний является использование нескольких расположенных рядом камер. Поскольку наиболее важной частью изображения большой площади является ширина пикселя сенсора, а не полное разрешение камеры, одновременная съемка изображений несколькими камерами может быть весьма полезной.Более подробно этот вопрос рассматривается в официальном документе Teledyne Lumenera «Использование одной и нескольких камер в аэрофотосъемке».

Однако это возможно на определенных высотах, но в большинстве случаев на определенной высоте камере потребуется большее фокусное расстояние, чтобы иметь возможность четко отображать цели, которые находятся дальше. Следовательно, широкоугольные объективы могут обеспечивать детализацию для аэрофотосъемки или других приложений, таких как точное сельское хозяйство, но необходимо учитывать требования к высоте. Ключевым фактором является расстояние от земли (GSD), которое потребуется системе технического зрения.В условиях, когда камера фиксируется, а высота камеры остается постоянной, например в теплице, использование широкоугольного объектива может помочь получить изображение большей части целевой среды. Чтобы узнать больше о GSD и о том, как настроить систему аэрофотосъемки, прочтите блог Teledyne Lumenera «Задача аэрофотосъемки: получение четкого и резкого изображения».

Подушкообразное искажение

Когда свет направлен в сторону По оптической оси из-за подушкообразного искажения изображение кажется растянутым внутрь.Следовательно, края и стороны изображения будут казаться изогнутыми к центру изображения, как показано на рисунке 6, где линии сетки изгибаются к центру, чем дальше они уходят.

Эта форма аберрации чаще всего встречается у телеобъективов с большим фокусным расстоянием. Телеобъектив увеличит цель на изображении, и чем больше фокусное расстояние, тем более обрезанным и увеличенным будет полученное изображение. Как и в случае с другими аберрациями, это в основном влияет на края и стороны изображения.Таким образом, самый простой способ сохранить изображение в фокусе — это установить на объектив меньшую диафрагму. На рисунке 6 центр изображения остается неискаженным, поэтому при использовании диафрагмы меньшего размера искаженный свет, проникающий с края, оказывается заблокированным.

Искажение усов

Искажение усов — это комбинация подушкообразного и цилиндрического искажений. Это приводит к тому, что внутренняя часть изображения изгибается, а внешняя часть изображения изгибается внутрь.Искажение усов — довольно редкая аберрация, когда на изображение влияет более одного шаблона искажения. Искажение усов обычно является признаком того, что объектив очень плохо сконструирован, поскольку это кульминация оптических ошибок, вызывающих слияние аберраций.

Расфокусировка

Практически любой, кто использовал какую-либо камеру, знаком с аберрацией расфокусировки. Когда изображение просто не в фокусе, оно испытывает аберрацию расфокусировки. Уменьшение резкости и контрастности изображения приведет к тому, что детали станут более размытыми с постепенными переходами.

Обычно это происходит из-за того, что ни одна из целей на изображении не находится в месте, где излучаемый или отражающийся от них свет сходится к датчику. Это означает, что свет будет фокусироваться на другой плоскости изображения, достаточно далеко от датчика, что приведет к полному размытию изображения. Весь свет будет иметь достаточно большой круг нерезкости, чтобы казаться полностью не в фокусе, как показано на рисунке 7.

Чтобы исправить расфокусировку, просто отрегулируйте фокусировку на объективе или положение камеры, пока цель не окажется в фокус.Однако в определенных условиях камера не может сфокусироваться на конкретной цели. Это часто зависит от расстояния: объект находится слишком близко или слишком далеко от объектива. В случае, когда невозможно добиться фокусировки, может потребоваться другой объектив камеры, чтобы изменить фокусное расстояние и минимальное расстояние фокусировки. В качестве альтернативы, уменьшение диафрагмы может позволить объективу сфокусироваться на дополнительных целях, которые находятся дальше, эффективно увеличивая глубину резкости, которая представляет собой расстояние между самой близкой и самой дальней целью, которые остаются в фокусе.Чтобы понять, какое фокусное расстояние требуется для системы зрения, прочтите информационный документ TeledyneLumenera «Правильное решение: выбор линзы для системы зрения».

Хроматический

Продольная / осевая аберрация

Цвет света представляет собой определенную длину волны света. Цветное изображение будет иметь несколько длин волн, попадающих в линзу и фокусирующихся в разных точках из-за преломления. Продольная или осевая хроматическая аберрация возникает из-за того, что разные длины волн фокусируются в разных точках вдоль оптической оси.Чем короче длина волны, тем ближе точка фокусировки к линзе, в то время как противоположное верно для длин волн, фокусирующихся дальше от линзы, как показано на рисунке 8. При уменьшении диафрагмы входящий свет может все еще фокусироваться на разных участках. точек, но ширина (диаметр) «кружков нерезкости» будет намного меньше, что приведет к менее резкому размытию.

Поперечная / боковая аберрация

Внеосевой свет, который приводит к распределению волн различной длины вдоль плоскости изображения, является поперечной или боковой хроматической аберрацией.Это приводит к появлению цветной окантовки по краям объектов на изображении. Это труднее исправить, чем продольную хроматическую аберрацию.

Его можно зафиксировать с помощью ахроматического дублета, вводящего разные показатели преломления. Смещая два конца видимого спектра к одной точке фокусировки, можно удалить цветную окантовку. Как для поперечной, так и для продольной хроматической аберрации также может помочь уменьшение размера апертуры. Кроме того, может быть полезно не отображать объекты изображения в высококонтрастных средах (т.е.е. изображения с очень светлым фоном). В микроскопии линза может использовать апохромат (APO) вместо ахроматной линзы, которая использует три линзы для коррекции всех длин волн входящего света. Когда цвет имеет первостепенное значение, уменьшение хроматической аберрации даст наилучшие результаты.

Итог

По мере того, как количество пикселей сенсора продолжает увеличиваться, недостатки в конструкции объектива могут стать более очевидными, а аберрации станут более заметными.Существует несколько типов аберраций, но постоянная тенденция состоит в том, что они размывают изображение по бокам и по краям.

Самый простой способ улучшить фокусировку на изображении, чтобы большая часть поля зрения оставалась в фокусе, — это применить меньшую диафрагму к объективу. Это общее решение в ситуациях, когда аберрации незначительны. Это обеспечит большую глубину резкости, но также снизит яркость изображения. Следовательно, это жизнеспособное решение только при наличии достаточного освещения.

Однако оптика в системе линз может смещаться. В тех случаях, когда аберрация очень сильна, единственным решением может быть более пристальный взгляд на внутреннюю оптику объектива камеры. Чтобы избежать этого, всегда следует обращаться с линзами осторожно и закреплять их, чтобы избежать чрезмерных ударов или вибрации. Некоторые аберрации можно исправить, отрегулировав внутреннюю оптику объектива, но для этого требуется много точной работы, и ее рекомендуется выполнять только обученным профессионалам.

Следует отметить, что еще одна распространенная аберрация — сферическая аберрация.Из-за формы сферических линз, имеющих изогнутую поверхность, свет будет отклоняться под более крутым углом по мере приближения к краю, заставляя его фокусироваться в разных точках вдоль оптической оси. Чтобы узнать больше о сферической аберрации, прочтите специальный блог «Минимизация сферической аберрации: сделайте правильный выбор линзы для вашей системы визуализации».

За дополнительной информацией обращайтесь к экспертам Teledyne Lumenera по визуализации. Они также могут помочь с выбором камер, которые наилучшим образом соответствуют вашим требованиям.Обратитесь по адресу [email protected].

И подпишитесь на нашу рассылку, чтобы автоматически получать регулярные обновления от Teledyne Lumenera.

Шесть наиболее распространенных и раздражающих типов аберрации линз

В идеальном мире линзы наших фотоаппаратов воссоздали бы то, что мы видим, с идеальной точностью. Мы близки, но с физикой не всегда легко работать. Часто мы сталкиваемся с оптическими аберрациями, которые проявляются в виде различных недостатков на наших фотографиях.Некоторые из них можно легко исправить, а другие — просто часть работы фотографа. Вот обзор шести основных аберраций объектива, с которыми вы можете столкнуться.

Хроматическая аберрация

Хроматическая аберрация — одна из самых известных и легко распознаваемых групп. Возможно, вы также слышали, что это называется «окантовка», название происходит от того, как несовпадающие цвета «окаймляют» контуры объекта. Если ваш объектив чувствителен, вы чаще всего замечаете это на высококонтрастных изображениях.Почему это происходит? Хроматическая аберрация, по сути, является результатом того, что длина волны цвета не достигает правильной фокальной плоскости. У каждой длины волны свой показатель преломления, и они не всегда встречаются там, где должны, когда проходят через ваше стекло.

Хроматическую аберрацию можно разделить на два основных типа: продольную и поперечную. Продольный СА может повлиять на все изображение, и это становится все более проблематичным при использовании сверхбыстрых простых чисел. Это произведение длин волн цветов, фокусирующихся в разных местах вдоль оптической оси.С другой стороны, боковая сторона в первую очередь повлияет на ваши углы. Это происходит, когда все цвета фокусируются в одной плоскости, но фокусы смещены от оптической оси.

Производители линз стараются уменьшить хроматическую аберрацию с помощью специальных покрытий, таких как флюорит. К счастью для нас, его можно уменьшить, остановившись или после обработки. Lightroom, например, имеет относительно эффективный инструмент для удаления бахромы.

Кома

Если вы много фотографируете в ночное время, скорее всего, вы уже знакомы с комой.Это по-прежнему серьезная проблема для современного дизайна линз, хотя одни линзы намного лучше других. Кома берет свое название от латыни, где это относится к облаку пыли, окружающему ядро ​​кометы — как это обычно выглядит. Это оптическое явление возникает, когда световые точки вне оси попадают в линзу и искажаются, создавая иллюзию наличия хвостов. Они могут выглядеть так, как будто они вибрируют или медленно падают через рамку изображения.

Фейерверки, городские огни и звезды невероятно подвержены этому типу аберрации.Вы заметите, что это становится все хуже по краям снимков и, как и в случае с большинством аберраций, при более широкой диафрагме. Чтобы уменьшить его, лучше всего попробовать остановиться. Если вы большой любитель ночной фотографии, вы можете взять напрокат или взять напрокат несколько объективов, чтобы посмотреть, как они справятся с ночной съемкой. Линзы с асферическими элементами более успешно решают эту проблему.

Сферические аберрации

Сферические аберрации — не такая большая проблема, как раньше.К счастью, современный дизайн линз нашел способы их минимизировать. Когда у вас сферическая линза, проходящие через нее световые лучи преломляются в разной степени в центре и по краям. В конечном итоге они сходятся в разных точках на оптической оси, и, как бы вы ни старались, у вас не получится сфокусировать их резко. В конечном итоге вы видите точки света по всему кадру изображения, охваченные размытыми ореолами. Как и в случае с комой, линзы с асферическими элементами лучше всего избегают этой проблемы. Их уникальная форма устраняет ошибку преломления, поэтому все лучи должным образом встречаются в одной точке фокусировки.Если вы все еще сталкиваетесь с этим, снимайте с более высоким значением диафрагмы. Меньшая апертура даст значительное улучшение.

Астигматизм

Те из вас, у кого одноименное заболевание глаз, уже знают, как выглядит астигматизм. Проще говоря, это то, что происходит, когда луч света, попадающий в линзу в горизонтальной или вертикальной плоскости, образует эллипс вместо аккуратной точки фокусировки. Это вызывает иллюзию направленного размытия и позволяет легко обнаружить астигматизм.Обратите внимание на горизонтальные и вертикальные линии изображения, особенно по краям. Если вы видите необъяснимое размытие при движении в горизонтальном или вертикальном направлении, ваш объектив астигматичен. Если он достаточно серьезный, это может быть признаком того, что ваш хрусталик (как и астигматический глаз) сильно деформирован или смещен. Чтобы уменьшить его, снимайте с меньшей диафрагмой.

Кривизна поля

Некоторые люди не решаются называть кривизну поля аберрацией, потому что часто с этим ничего не поделаешь.Кривизна поля — еще одна проблема, которую со временем и технологии значительно улучшили, но не устранили. Из-за этого идеально плоский объект размывается по направлению к краям кадра изображения, а не остается равномерно резким. Это означает, что даже когда ваш объектив идеально параллелен плоскому объекту, ваши углы могут казаться мягкими. Оптика линз изогнута, а не плоская, поэтому они изогнутым образом проецируют свет на наши плоские датчики изображения. В то время как центральные лучи идеально сфокусированы, изогнутые лучи теряют резкость к периферии.Остановка может помочь.

Геометрическое искажение

Это еще одна из наиболее частых и неприятных оптических проблем, с которыми сталкиваются фотографы. Искажение влияет на то, как прямолинейные линии появляются на наших изображениях. Мы все видели эффект выпуклости искажения ствола при съемке прямых линий под широким углом. Телеобъективы, вероятно, знакомы с противоположным, а именно с изогнутой подушечкой для иголок. Иногда, но не часто, вы можете встретить комбинацию этих двух вещей в феномене, известном как усы .

Искажение обычно более распространено на крайних концах увеличения, хотя простые числа, безусловно, не защищены. Ствол, который максимально используется в объективах типа «рыбий глаз», вызван уменьшением увеличения изображения по мере того, как объект перемещается дальше от оптической оси объектива. И наоборот, подушечка для булавок возникает, когда увеличение изображения увеличивается по мере того, как объект перемещается дальше от оптической оси. Поскольку это очень распространенная проблема, большинство программ для редактирования предлагает полезные инструменты коррекции перспективы.

Чтобы узнать больше, подпишитесь на нас на Facebook , Google+ , Flickr и Twitter .

Связанные

.