Нажмите "Enter" для пропуска содержимого

Аберрации это: Аберрация – это что

Содержание

L | Tamron

Lateral Chromatic Aberration (Латеральные хроматические аберрации)

Это аберрация при которой увеличение изображения в периферийных областях меняется в зависимости от длинны волны. Хроматическая разница увеличения проявляется в виде цветовой окантовки (когда по границам краев виден цвет). 

Для стекла характерны преломления различных длины волн света для разных поверхностей. Короткая длина волны преломляется сильнее, чем длинная . Это свойство называется дисперсией и приводит к нежелательным побочным эффектам, таким как боковая хроматическая аберрация. При разработке объективов, особое внимание уделяется максимально низкой величине дисперсии системы.

Tamron использует стекла с низким рассеянием LD (низкий коэф. дисперсии) и AD (аномальная дисперсия) чтобы избежать появления хроматических аберраций. Это стеклянные элементы, которым всегда свойственно низкий коэффициент рассеивания или свойственно аномальная дисперсия для длинных волны.

Это схематично показано на рисунке:

Нормальный оптическое стекло имеет относительно высокий показатель дисперсии цвета, так что это заметно на всей плоскости изображения.

Объективы Tamron со стеклами LD позволяют существенно снизить дисперсию, и она будет едва заметна на краях изображения.

 

 

LD (низкий коэффициент рассеивания)

Элементы из стекла с низким рассеянием ( LD) в объективе помогают уменьшить хроматическую аберрацию, проявляющуюся в изменении цветности света и в попадании света в другую точку плоскости изображения (это – основная причина цветовых искажений и снижения резкости снимка). Хроматическая аберрация ухудшает резкость изображения, но стекло с низким рассеянием отличается очень низким коэффициентом рассеяния и менее склонно к расщеплению (разделению) луча света на цвета радуги. Такие свойства позволяют разработчикам объективов эффективно компенсировать хроматическую аберрацию по центру поля кадра (по оси). При этом частично остаются проблемы на больших фокусных расстояниях (в конце телескопического диапазона регулируемых фокусных расстояний).

Объективы с LD линзами:

Объективы серии Di II 
SP AF10-24mm F/3.5-4.5 Di II LD Aspherical [ IF]
SP AF 17-50mm F/2,8 VC XR Di II LD Aspherical [ IF]
SP AF 17-50mm F/2,8 XR Di II LD

 Aspherical [ IF]
AF 18-200mm F/3,5-6,3 XR Di II LD Aspherical [ IF] MACRO
AF 18-250mm F/3,5-6,3 Di II LD Aspherical [ IF] MACRO
AF 18-270mm F/3,5 -6,3 Di II VC LD Aspherical [ IF] Macro
AF 55-200mm F/4-5,6 Di II LD MACRO

Объективы серии Di
SP AF 28-75mm F/2,8 XR Di LD Aspherical [ IF] MACRO
AF 28-300mm F/3,5-6,3 VC XR Di LD Aspherical [ IF] MACRO
AF 28-300mm F/3,5-6,3 XR 

Di LD Aspherical [ IF] MACRO
SP AF 70-200mm F/2,8 Di LD [ IF] MACRO 
AF 70-300mm F/4-5,6 Di LD MACRO 1:2
SP AF 200-500mm F/5-6,3 Di LD [ IF]

Объективы с фиксированным фокусным расстоянием
SP AF 180mm F/3,5 Di MACRO 1:1

 

 

Lens hood (Бленда)

Бленда является существенно важным компонентом при оптической прорисовке, она необходима для подавления нежелательного рассеянного света и потери контраста. 

Форма бленды зависит от угла зрения (объектива) и диаметра фронтальной линзы. Объективу с узким углом зрения требуется более длинная бленда, чем объективу с широким углом. (См.пример).

Для объективов с системой внутренней фокусировки, фокусные расстояния которых начинаются в широкоугольном диапазоне, солнечная бленда имеет форму цветочной чашечки. Эта форма обеспечивает оптимальную защиту от паразитного света как в телескопической настройке объектива (за счет удлиненных частей бленды вверху и внизу), так и в широкоугольной настройке (за счет более коротких, обрезанных частей бленды), причем она исключает затемнения углов кадра.

 


    

 Бленда для объектива 10-24mm 

Бленда для объектива 60mm

 

 Бленда для объектива 70-200mm

 

Longitudinal Chromatic Aberration (Продольные хроматические аберрации)

 

Продольная хроматическая аберрация это аберрация при которой положение фокальной точки на оптической оси меняется в зависимости от длинны волны. Это приводит к размытости изображения и снижению контраста.

Для стекла характерны преломления различных длины волн света для разных поверхностей. Короткая длина волны преломляется сильнее, чем длинная . Это свойство называется дисперсией и приводит к нежелательным побочным эффектам, таким как боковая хроматическая аберрация. При разработке объективов, особое внимание уделяется максимально низкой величине дисперсии системы.Tamron использует стекла с низким рассеянием LD (низкий коэф. дисперсии) и AD

 (аномальная дисперсия) чтобы избежать появления хроматических аберраций. Это стеклянные элементы, которым всегда свойственно низкий коэффициент рассеивания или свойственно аномальная дисперсия для длинных волны. 

Различия в хроматической аберрации элементов из стандартного оптиче-
ского стекла и элементов из стекла LD (типичная диаграмма)

Что такое аберрации глаза?

Человеческий глаз может пострадать от ряда аберраций, которые могут снизить качество изображений сетчатки и общее зрительное восприятие.

Исследования показали, что возраст, в частности, увеличивает вероятность развития аберраций более высокого порядка.

Аберрации глаза – что это такое?


Аберрации, описываемые как небольшие оптические неоднородности, — это дефекты глаза, которые приводят к тому, что свет не может эффективно фокусироваться на сетчатке, а также к дефектам визуального изображения. Есть два типа аберраций; аберрации низшего порядка (0, 1 и 2 порядок) и аберрации высшего порядка.

Аберрации высшего порядка
Аберрации высшего порядка, глаза не могут быть исправлены цилиндрической или сферической коррекцией и включают сферические аберрации, кому и
трилистник.

Аберрации комы
Аберрации комы возникают, когда световые лучи от одного края зрачка фокусируются раньше, чем лучи от противоположного края. Визуально у людей с этим типом аберрации может наблюдаться смазывание изображения, так что изображения могут иметь хвост, похожий на комету.

Аберрации трилистника
Классифицируемый как аберрация третьего порядка, трилистник оказывает более незначительное влияние на качество изображения по сравнению с равным количеством комы.

Сферические аберрации
Сферические аберрации могут вызвать ореолы вокруг точечных источников света и снизить контрастную чувствительность.

Считается, что аберрации высшего порядка несут ответственность за людей, которые жалуются на блики, ореолы и снижение контрастной чувствительности после операции по рефракции роговицы. Примерно 90% аберраций вызваны роговицей.

Глаза молодых людей, как правило, меньше подвержены аберрациям более высокого порядка из-за частичной компенсации аберраций между поверхностью роговицы и внутренней оптикой. Было обнаружено, что этот механизм систематически работает при сферических аберрациях и горизонтальной коме. Поскольку на них влияет лишь небольшое количество сферических аберраций и ком, молодые глаза считаются приближенными к апланатической оптической системе. Однако с возрастом в среднем возникает больше аберраций, особенно сферических аберраций, а также горизонтальных ком.

Аберрации низшего порядка
Аберрации низшего порядка включают астигматизм, положительную расфокусировку (близорукость) и отрицательную расфокусировку (дальнозоркость).

Астигматизм
У людей с астигматизмом глаз имеет форму мяча для регби, а не футбольного мяча. В результате свет имеет тенденцию фокусироваться более чем в одном месте глаза, вызывая нечеткое зрение, напряжение глаз и головные боли. Обычно это сопровождается близорукостью или дальнозоркостью.

Миопия
Миопия, обычно называемая близорукостью, представляет собой заболевание глаз, при котором люди воспринимают отдаленные объекты нечетко, а близкие объекты видны четко. Считается, что это происходит, когда глаза становятся слишком длинными, что приводит к неправильной фокусировке света на сетчатке.

Дальнозоркость
Гиперопия или дальнозоркость- это противоположность близорукости. Люди с этим заболеванием могут ясно видеть объекты на расстоянии, но не могут ясно видеть более близкие объекты. Это, как правило, затрагивает людей старше 40 лет, однако может затронуть людей всех возрастов.

Как обнаруживаются аберрации?
Анализ волнового фронта используется для измерения аберраций оптической системы. Существует множество методов, которые можно использовать для оценки аберраций глаза, включая зондирование волнового фронта Шака-Гартмана, метод Чернинга, рефрактометрию с пространственным разрешением и аберрометрию разности оптических путей. Кроме того, это обычно выполняется с использованием устройств, подобных датчикам волнового фронта Хартмана-Шака.

Устройства фокусируют маломощный луч на сетчатке, а затем полученные отраженные лучи света могут быть проанализированы. После прохождения через множество линз на детектор в идеальной оптической системе лучи будут параллельны и фокусируются в одной плоскости. Из-за сложности оптики глаз, этого может не произойти. Степень отклонения изображения от ожидаемой точки фокусировки каждой линзы в системе представляет собой «ошибку волнового фронта» или аберрацию. Ошибка волнового фронта, полученная в результате анализа волнового фронта, далее разбивается на компоненты, которые математически и визуально описывают конкретные элементы аберрации. Эти компоненты разделены на две категории; аберрации высшего порядка и аберрации низшего порядка.

Варианты лечения аберраций
В частности, существует ряд вариантов лечения аберраций более низкого порядка. Детям и молодым людям с дальнозоркостью и близорукостью лечение может не потребоваться, поскольку их глаза могут адаптироваться естественным образом, в результате чего их зрение существенно не пострадает. Для пожилых людей обычно требуется лечение, так как из-за возраста глаза менее способны адаптироваться. Основные методы лечения — это очки или контактные линзы, чтобы свет фокусировался на сетчатке, и лазерная хирургия глаза, которая изменяет форму роговицы и избавляет от необходимости носить контактные линзы и очки. Такие же варианты лечения существуют и при астигматизме.


Аберрация — что это такое?

Аберрация – это погрешность изображения, которое передается оптическими системами: линзами, объективом и т. д. При неправильном прохождении лучей объекта через оптическую плоскость, возникают искажения линий, размытость, изменение цвета. На появление аберрации не влияет качество материала, из которого сделана оптическая система. Дефекты возникают при ошибке в проектировании либо изготовлении оптики.

Типы аберрации

Различают два основных вида аберраций: хроматические и монохроматические.

  • Хроматические аберрации – изменения картинкипри разложенииизлучения на спектральные части во время прохождения через преломляющие поверхности оптической системы. Это совокупность нескольких монохроматических аберраций, которые будут описаны ниже. В этом случае видимые, передаваемые оптикой силуэты отличаются от изначальных окрашенностью контуров.
  • Монохроматические или геометрические аберрации –искажение и размытость контуров при передаче нескольких волн разной длины. Существуют следующие виды: астигматизм, кома, кривизна поля, дисторсия, сферическая.

Сферическая аберрация

При прохождении через линзу происходит преломление излучения. Причем по краю это происходит сильнее, чем по центру или ближе к нему. Искажение объекта происходит в центральной и части и по краям, без изменений в ореоле.

Подобному явлениючаще подвержены сферические, выпуклые линзы. Уменьшить проявление такого аберрации позволяет исключение, блокирование краев, сочетание вогнутых и выпуклых линз либо применение менисков.

Кома

Коматическая аберрация возникает при прохождении световых лучей через оптику под углом. Вследствие преломления на выходе лучи не сходятся в одну точку, образуя размытый световой хвост в виде кометы. При позитивной (положительной) коме размытость исходит от центра объекта, а при негативной (отрицательной) – наоборот, к центру.

Чем дальше лучи проходят от центральной части оптической системы, тем сильнее проявляется коматическая аберрация. При прохождении через сам центр изображение практически не подвергается изменениям.

Астигматизм

При астигматизме аберрация проявляется по краям изображения и не влияет на картинку в центре. Он присущ оптическим системам любого качества. Разница лишь в степени проявления и коррекции.

Искажение картинки возникает из-за того, что во время прохождения через тангенциальную и сагиттальную плоскости оптики, происходит фокусировка лучей в разных местах. Происходит преображение точечного источника света в линии.

Кривизна поля

Это неизбежная и естественная аберрация при использовании оптических систем. Любые изогнутые линзы по своей природе не могут проецировать плоские лучи. Кривизна проявляется по краям изображения. Уменьшить ее можно за счет комбинации менисков, выпуклых и вогнутых линз.

Дисторсия

Это искажение геометрических форм оригинального изображения при прохождении через оптическую систему. Чаще всего геометрическая аберрация или дисторсия проявляется в виде подушкообразного либо бочкообразного искажения прямых линий. Реже встречается в виде усов и волнообразная, сочетающая подушкообразную и бочкообразную.

Степень дисторсии может меняться в зависимости от расстояния. Чем дальше находится оптическая диафрагма от линзы, тем сильнее проявляются геометрические искажения.

Аберрации в оптических системах невозможно полностью устранить. Можно лишь минимизировать степень их проявления, используя для изготовления оптики материалы и технологии с повышенными техническими требованиями.

Продольные аберрации, поперечные хроматические аберрации, фиолетовое свечение, «purple fringing» — будем знакомы

к содержанию ↑

В комментариях к одной из моих статей с тестами объективов мне заметили, что есть такой важный параметр, как продольные аберрации или по-английски LoCA (longitudinal chromatic aberration). Названий у этого вида аберраций много, но если назвать его фиолетовым свечением вокруг веток дерева в центре кадра, то, думаю, все его узнают.

продольные аберрации, loCA, chromatic aberrations (Wikipedia)

Вот сейчас я помянул об это явлении и все о нём вспомнили. Но так ли часто оно вам мешало получать хорошие снимки?

Тем не менее в теории, если вы собираетесь снимать при контровом свете людей или солнце, просвечитвающее через темные ветки, вы с ним столкнетесь и дальше будет играть роль ваша или ваших клиентов индивидуальная непереносимость фиолетового свечения. Свечение это может быть разной силы, в зависимости от степени исправленности продольной хроматической аберрации в объективе.

к содержанию ↑

Откуда берётся продольная аберрация

Всё дело в том, что световые лучи, преломляются в линзах под разным углом, в зависимости от длины волны. Синие, например, преломляются под большим углом, чем красные.

преломление световых лучей в обычной линзе

Соответственно, когда приходит момент фокусирования на плоскости матрицы, световые лучи фокусируются в разных местах и возникает то самое фиолетовое свечение. Особенно это видно, когда есть резкий переход яркостей и свет разлагается из белого во все цвета радуги.

к содержанию ↑

Как отличить Продольную аберрацию от других хроматических аберраций

Продольную хроматическую аберрацию легко отличить от поперечной, так как она возникает чаще в центре кадра и может распространяться на весь кадр. В то же время поперечная (также называемая хроматизмом увеличения) возникает только про краю кадра, хотя и выглядит также как продольная — фиолетовыми и зелеными ореолами вокруг темных объектов на белом фоне.

Еще способ отличить Продольную аберрацию от поперечной:

Продольная аберрация создаёт каёмку одного цвета вокруг объекта в фокусе и другого цвета вокруг объекта вне фокуса. Поперечная даёт разноцветные каёмки у одного объекта в фокусе (чаще фиолетовую и зеленую).

Продольная «лечится» диафрагмированием. Поперечная от него не зависит.

Пример продольной аберрации. Автор: http://toothwalker.org/optics/chromatic.html

Фото сделано Canon EF 85/1.2 L на полностью открытой диафрагме, слева изображение в фокусе, справа чуть-чуть дефокусировано, чтобы получить зеленую кайму вместо фиолетовой. Это один из способов «бороться» с этой аберрацией, если вас раздражает фиолетовая кайма.

Пример поперечной аберрации с того же источника.

Фото сделано объективами:
A: Cosina 3.5-4.5/19-35 @ 20 mm
B: Cosina 3.8/20
C: Carl Zeiss Distagon 2.8/21

Всё объективы на значении диафрагмы F11 и на камере Canon 5D

к содержанию ↑

Как продольная аберрация исправляется оптически

Исправляется продольная аберрация с помощью так называемых ахроматов, т.е. склеек линз, где одна линза крон, а другая — флинт. Крон это линза с ультранизкой дисперсией света и малым коэффициентом преломления, а флинт наоборот.
Крон раньше делали из флюоритового стекла, что было довольно дорого. Упоминаю об этом потому, что рассматриваемые мной объективы относятся как раз к периоду использования флюорита (Calcium fluoride). Флинт же делали из оксида свинца (Lead oxide). В дальнейшем флюорит заменили на более дешевые типы стекла с низкой дисперсией, а оксид свинца заменили тоже на нечто другое ввиду неэкологичности такого производства (это было уже в 2000-ных годах).

В сумме стараются получить эффект минимизации продольной аберрации, т.е. сведения в конечном итоге световых лучей с разной длиной волны в одну точку. Это в идеале, в реальности же идеал невозможен и всегда небольшие аберрации присутствуют.


к содержанию ↑

Ахромат

ахроматическая склейка линз (даблет)

Ахромат способен исправить продольную аберрацию для двух длин волн.


к содержанию ↑

Апохромат

Позже были изобретены Апохроматы, это уже триплет, позволяющий корректировать уже три длины волны.

Не будем останавливаться на всяких патентных тяжбах на ахроматы и апохроматы и лишь приведём схему апохромата.

триплет Апохромат

Вот таким образом мы на простом языке разобрались что такое продольные хроматические аберрации и как с ними борются. Теперь, если вы захотите найти объектив с наименьшими продольными аберрациями вы во-первых посмотрите на название объектива. Ахроматы сейчас уже почти не встречаются даже на вторичном рынке (я мало их видел), а апохроматов достаточно. У них в названии есть приставка APO. Чаще всего это довольно дорогие объективы. В тоже время даже в объективах без такой приставки вы можете поискать апохроматические триплеты и упоминание производителем об использовании флюоритового стекла- — такие объективы будут заранее иметь меньшую продольную аберрацию.

Если же вообще говорить про оптические системы и их аберрации, то в ахроматах уменьшены хроматическая и сферическая аберрации. В апохроматах эти же А. скомпенсированы значительно точнее. В апланатах исправлены хроматические и сферические А., а также кома. Если, кроме этих А., устранены астигматизм и кривизна поля, то объектив называют анастигматом. Ортоскопическими называют системы с исправленной дисторсией.

Но будьте осторожны. Вместе с неидеальностью оптических систем устраняется и их индивидуальный рисунок.

к содержанию ↑

Тест на продольные аберрации объективов Carl Zeiss

к содержанию ↑

Carl Zeiss Makro-Planar 60/2.8

Carl Zeiss Makro- Planar 60/2.8 @2.8

f2.8, crop 100%

f4, crop 100%

f5.6, crop 100%

Снимок на диафрагмах F4 и F5.6 я сделал специально, чтобы вы наглядно убедились, что диафрагмирование в данном случае влияет на уменьшение продольной аберрации. Хотя снимок становится более тёмным, чётким и аберрации менее заметными, но полностью они не исчезают.

В данном случае объектив Carl Zeiss Makro-Planar 60/2.8 демонстрирует умеренные продольные аберрации. Но он и не может похвастаться большой светосилой, а продольные аберрации это проблема светосильных фиксов.

к содержанию ↑

Canon 50/2.5 Macro

canon 50/2.5 @ 2.8

F2.8, crop 100%

Не берусь проводить тут сравнение, так как солнце здорово слепит и на этом объективе мне удалось попасть в фокус много точнее. В конце статьи будет тест в студийных условиях, где я сфокусируюсь более точно.

к содержанию ↑

Carl Zeiss Makro-Planar 100/2.8

F2.8, crop 100%

F4, crop 100%

к содержанию ↑

Carl Zeiss Planar 50/1.7

F1.7, crop 100%

F2.8, crop 100%

к содержанию ↑

Carl Zeiss Planar 85/1.4

F1.4, crop 100%

F2.8, crop 100%

к содержанию ↑

Объективы с исправленными продольными хроматическими аберрациями

Carl Zeiss Aposonnar 200/2

Aposonnar, оптическая схема. Указан ахроматический даблет с линзой из флюорита

а также все APO:

Tele-Apotessar 300/2.8
Tele-Apotessar 500/5.6
Tele-Apotessar 800/8

Carl Zeiss Distagon 21/2.8

Заявлено использование ахроматического даблета. Но возможно не флюорит (про него ничего не сказано).

Carl Zeiss Vario- Sonnar 28-70/3.5-4.5

Заявлен и присутствует ахроматический даблет.

к содержанию ↑

Студийные тесты на продольную аберрацию

Для всех 50мм объективов (включая 60мм) расстояние до мишени 40см. Наклон оптической оси объектива относительно мишени примерно 40град.

к содержанию ↑

Carl Zeiss Planar 50/1.4 vs Carl Zeiss Planar 50/1.7

50/[email protected] (слева) vs 50/[email protected]

Carl Zeiss Planar 50/[email protected](слева) vs Carl Zeiss Planar 50/[email protected]

к содержанию ↑

Carl Zeiss Planar 50/1.7 vs Carl Zeiss Makro-Planar 60/2.8

Carl Zeiss Planar 50/[email protected] (слева) vs Carl Zeiss Makro-Planar 60/[email protected]

к содержанию ↑

Carl Zeiss Planar 135/2.8 vs Юпитер-37А 135/3.5

Юпитер-37А 135/[email protected] (слева) vs Carl Zeiss Planar 135/[email protected]

к содержанию ↑

Выводы

Не стал я размещать дальнейшие картинки так как на мой взгляд итак всё ясно. Среди не-апохроматов достаточно сильны продольные аберрации, но они вовсе не мешают снимать хорошие сюжеты, если не снимать мощный контровый свет, наподобие солнца. Можно вобщем-то и солнце снимать, но на хорошо прикрытых диафрагмах. Никакой мистики тут не получилось. Не скорректированные объективы одного фокусного расстояния имеют примерно одинаковые ХА. Получше на мой взгляд скорректирован Carl Zeiss 85/1.4, но когда я пробую его использовать на F1.4, то его продольные аберрации ничуть не меньше, чем у остальных, так как он поставлен в невыгодные условия. Carl Zeiss 50/1.4 тоже, как правило используется на полностью открытой диафрагме и соответственно на его снимках вы чаще встретите фиолетовые каёмки.

Carl Zeiss Makro-Planar 100/[email protected]

Следовательно нужно стараться избегать жестко контрового света для большинства объективов.

Carl Zeiss Makro-Planar 100/[email protected]

При всех своих замечательных оптических характеристиках они не могут обеспечить абсолютное сведение лучей в таких условиях. Источник света должен быть чуть выше-ниже, но не «в лоб». Или диафрагма значительно прикрыта.

Вот, к примеру, свет через туман и проблем нет.

Есть еще некоторое количество светосильных фикс-объективов менее именитых производителей, таких как Samyang и Sigma. Некоторые из них, а в частности Sigma 85/1.4 демонстрируют почти полное отсутствие продольных аберраций.

Как же это объяснить? Наиболее уважаемые производители проигрывают менее известным.

Но в процессе раскопок информации на эту тему я наткнулся на интересный материал, в котором было рассказано как повысить чёткость изображения биноклей (производители Zeiss, Nikon etc.). Оказывается, поскольку хроматические аберрации снижают резкость изображения, то в биноклях некоторые производители поступаются красным спектром и отфильтровывают его на этапе прохождения через бинокль, используя стекло мало пропускающее красный спектр. В результате такой системе остается сфокусировать лишь оставшиеся световые лучи. А чем меньше лучей, тем проще их сфокусировать в одной плоскости и соотвественно выше резкость.

Тогда что мешает поставить стекло, фильтрующее некоторые участки спектра в объектив и тем самым уменьшить хроматические аберрации и увеличить резкость?
Это пока только догадки и требуют подтверждения. Но всё когда-то начиналось с догадок.
А вообще это был бы нечестный приём…

Теперь нужна мишень с непрерывным градиентом цвета и сфотографировать её разными объективами (в частности Samyang 85/1.4) для того, чтобы установить истину.

А всем удачных фото! 🙂

Carl Zeiss Makro-Planar 100/2.8

к содержанию ↑

к содержанию ↑

Откуда возникают

Поперечные хроматические аберрации (lateral chromatic aberrations, axial chromatic aberrations) возникают из-за того, что лучи света с разной длиной волны по-разному преломляются, проходя через стекло. В результате они выходят под разным углом и чем ближе к краю линзы, тем сильнее отличие в угле преломления. По этой же причине в центре такой вид аберраций практически отсутствует (потому и одно из названий аберрации — осевая) и сильно проявляется к краям изображения.

Цвета они могут иметь разные. Чаще всего фиолетово-зеленые или красно-синие.

к содержанию ↑

Как выглядят

к содержанию ↑

Здесь подробно про исправление ХА

Аберрация оптических систем — Сферическая аберрация, астигматизм наклонных пучков, искривление плоскости изображения, дисторсия изображений, преломление в призме, линзе, хроматическая аберрация и ахроматизация линз


Сферические аберрации в контактных линзах

Среди оптических искажений высшего порядка, которые могут возникать при ношении контактных линз, самой распространенной является сферическая аберрация. Она оказывает более заметное влияние на качество зрения по сравнению с другими типами искажений, поэтому производители контактной оптики ищут способы избавиться от подобных оптических дефектов.

Такой тип искажений характерен прежде всего для контактной оптики со сферическим дизайном. Она имеет форму полусферы, а радиус кривизны является одинаковым по всей поверхности. Сферические линзы прекрасно справляются с коррекцией оптических аберраций низшего порядка — близорукости, дальнозоркости, астигматизма до -1,5 диоптрий. По сравнению с очковой оптикой они дают гораздо менее заметные искажения боковой картинки.

Но все же такие линзы не являются на 100% эффективными в отношении сферических аберраций и других оптических дефектов высшего порядка. Поскольку их толщина в центре и на периферии одинакова, человек при определенных условиях может не совсем четко видеть предметы, получать изображение малой контрастности. Его зрение в сумерках заметно ухудшается, а при взгляде на освещенные предметы могут возникать ореолы и блики.

Производители контактной оптики долгое время искали способ минимизировать аберрации в мягких контактных линзах и создали оптические изделия асферического дизайна.

Аберрации высшего порядка

Более сложными и трудно устранимыми являются аберрации высшего порядка. Их сложнее диагностировать и не всегда можно скорректировать при помощи контактных линз. Более того, поскольку оптическим изделиям также присущи аберрации высшего порядка, они могут создавать дополнительные искажения, еще сильнее отклоняя световые пучки от центральной линии. Это особенно заметно при неправильно подобранных диоптриях или размере контактной оптики.

Сферические аберрации в линзах возникают из-за того, что лучи, падающие на периферическую зону оптического изделия, преломляются сильнее, чем те, которые проходят через центр. В результате их фокус не совпадает и картинка получается нечеткой, малоконтрастной.

Хроматическая аберрация при ношении линзы встречается реже сферической. Она представляет собой цветовое искажение и вызвана тем, что световые лучи с разной длиной волны преломляются под разными углами. В результате предметы одних цветов человек различает более четко, а другие видятся ему размытыми. Специалисты говорят, что именно по этой причине разноцветные объекты наш глаз почти всегда видит нечетко.

Кома является разновидностью сферической аберрации, при которой лучи, поступающие под углом к линзе, не фокусируются в одной точке. При таком искажении картинка сдвигается, и чем больше угол наклона падающих лучей, тем дальше отодвигается изображение. Кома не часто беспокоит пользователей контактных линз, однако может серьезно ухудшать качество зрения при определенных заболеваниях, например, кератоконусе.

Кривизна поля изображения — это такой тип оптического искажения, при котором изображение плоского предмета располагается на искривленной поверхности. Аберрация возникает из-за того, что фокусы в центральной части и на периферии не совпадают.

Дисторсия представляет собой неравномерное изменение масштабов картинки от центральной до краевой зоны. При такой аберрации меняется форма объекта, человеческий глаз воспринимает прямые линии как искривленные, при этом положительные и отрицательные линзы дают разное изображение.

Астигматизм косого падения возникает, когда человек сильно отводит взгляд от оптической оси и рассматривает изображение через периферию линзы, где совершенно иная кривизна поверхности и преломление лучей происходит под другим углом.

Это основные аберрации, с которыми может сталкиваться человек, использующий оптику, в частности мягкие линзы. Некоторые из них при ношении контактной оптики почти незаметны и не мешают качественному зрению. Наибольший дискомфорт пользователям доставляют сферические аберрации в контактных линзах, которые встречаются чаще других.

Асферические линзы: контактная оптика без аберраций

Асферические линзы имеют особую форму, которая отличается от классической полусферы. В таких моделях обе поверхности или только передняя имеют эллипсоидную форму и выглядят более плоскими по сравнению со сферическими изделиями. Радиус кривизны в таких средствах контактной коррекции не является постоянным по всей поверхности, а меняется от центра к периферической зоне. Такая конструкция позволяет добиться нужного баланса в преломлении световых лучей, проходящих через разные участки линзы, и получить изображение, сфокусированное в одной точке. Таким образом, асферическая контактная оптика помогает не только корректировать близорукость и гиперметропию, но также нейтрализует оптические искажения высшего порядка.

Такие линзы повышают контрастную чувствительность, улучшают четкость и остроту зрения (как центрального, так и периферического), позволяют человеку лучше видеть в сумерках и при плохом освещении. Асферическая контактная оптика незаменима для водителей, поскольку избавляет от бликов встречных фар и ореолов — кругов, которые появляются вокруг источников света. Геометрия таких оптических изделий обеспечивает более широкий радиус обзора, увеличивая зону видимости. Кроме того, асферические линзы комфортны для глаз, снижают усталость и утомляемость органов зрения при длительном ношении.

К популярным моделям контактной оптики с асферическим дизайном относятся ежемесячные силикон-гидрогелевые Air Optix Aqua от Alcon, однодневные Proclear 1 Day от CooperVision, цветные гидрогелевые Adria Glamorous от Interojo и многие другие.

Все больше производителей стремится создавать оптические изделия несферической формы, чтобы сократить влияние оптических аберраций и повысить качество Вашего зрения. Сегодня можно найти линзы с таким дизайном для коррекции близорукости, дальнозоркости, астигматизма. Асферические модели могут иметь однодневный, месячный или квартальный срок применения. Они подходят даже тем пользователям, которые нуждается в ношении линз с высокими диоптриями.

Как и другие средства контактной коррекции, назначать их может только врач-офтальмолог после проведенной диагностики. Он оценит степень аберраций зрительной системы, сопоставит эти данные с необходимой оптической коррекцией и подберет тот вариант контактной оптики, который обеспечит максимально качественное зрение.

Резюме

Аберрации как искажения визуальной картинки присущи всем оптическим системам, в том числе и контактным линзам. Однако правильный подбор оптических изделий с помощью профессионального офтальмолога поможет свести к минимуму подобные искажения и гарантирует Вам зрение высокой четкости.

Содержание:

  • 1 Аберрации
  • 2 Откуда появляются аберрации?
  • 3 Аберрации, появившиеся из-за ЛАСИК
  • 4 Борьба с аберрациями, индуцированными ЛАСИК
  • 5 Суперзрение
  • 6 Влияние аберраций на зрение
  • 7 Экскурс в офтальмологическую классификацию аберраций
  • 8 Роль аберрометрии (с функцией кератотопографии) в предоперационном обследовании
  • 9 Еще раз о кератоконусе

Описание

Аберрации низшего порядка

Человеческий глаз является уникальной, но не совершенной оптической системой. Соответственно, проходя сквозь него, световые пучки зачастую отклоняются от нормы и дают неточное изображение на сетчатке. То есть даже без применения очков и контактных линз зрительной системе человека присущи аберрации. На них влияет кривизна роговицы, форма хрусталика, прозрачность слезного секрета и другие анатомические характеристики.

Самыми распространенными искажениями для человеческого глаза являются миопия, гиперметропия и астигматизм. Их называют аберрациями низшего порядка, и выявить такие нарушения может любой врач-офтальмолог при первичной диагностике. Для коррекции подобных искажений успешно применяются очки и мягкие контактные линзы, которые помогают восстановить правильный зрительный фокус и обеспечить четкость зрения.

Аберрация – что это

Содержание статьи:

Что такое аберрация простыми словами

На языке Древнего Рима глагол «aberro» означал отклоняться от нормы, заблуждаться. Поэтому понятие «аберрация» связано с отклонением от идеала, ошибкой, нарушением правильного хода вещей.

Этот термин используется в разделе физики, который называется «оптика» и занимается исследованием свойств оптических систем: природных или созданных человеком приборов, преломляющих ход лучей света и позволяющих получать различные изображения. Аналогичное понятие используют и другие науки: астрономия, биология и даже социология.

Почему возникают оптические аберрации?

В идеальных оптических приборах аберрации возникать не должны. Если поверхность линзы имеет совершенную сферическую форму, а сама линза сделана из однородного материала – полученное на экране изображение должно быть четким. При этом каждой точке объекта соответствует одна точка изображения.

В реальности даже очень хорошо отшлифованная поверхность линзы имеет небольшие отклонения от сферической симметрии. Материал, из которого изготовлен оптический прибор, тоже может быть неоднородным на микроскопическом уровне. Такие неоднородности влияют на скорость распространения световой волны, и, как следствие, на показатель преломления вещества. При этом ход лучей будет отклоняться от теоретически предсказанного направления.

В результате изображение имеет дефекты: отличается от объекта, выглядит как нечеткое и размытое по краям или приобретает цветную окраску. Эти отклонения от нормы и называются аберрациями.

Измерение аберраций

Отклонение лучей от своего правильного хода можно выразить в сетке координат. Для непосредственного расчета используются формулы, полученные как в рамках традиционной геометрической оптики, так и на основе волновых представлений.

Первый из этих способов описания лучше применим для случаев больших аберраций оптической системы, а формулы волновой оптики дают прецизионные результаты при малых аберрациях объектива.

Виды аберраций

В оптике выделяется два основных типа аберраций:

  1. Монохроматические, присущие пучкам лучей одного цвета. Их называют еще геометрическими, так как они связаны с изменением хода лучей и можно исследовать с помощью геометрических построений. Примерами таких искажений являются сферические аберрации, кома, астигматизм и дисторсия.
  2. Хроматические аберрации связаны с дисперсионными свойствами материала линз. В пучках белого света присутствуют световые волны разной длины, воспринимающиеся человеческим глазом как лучи разных цветов. При прохождении через прозрачный материал, например, стекло, эти лучи изменяют свою скорость по-разному, что приводит к разложению света в спектр. Изображение будет окружено цветным контуром или иметь неестественную окраску.

Как уменьшить аберрацию оптического прибора?

Устранение искажений, возникающих в оптических системах, представляет сложную задачу. Практические методы, применяемые для улучшения качества изображения, зависят от назначения оптического прибора.

Сферическая аберрация является следствием кривизны поверхности линзы. Лучи, идущие близко к главной оптической оси (линии, пересекающей центр линзы и перпендикулярной ее поверхности) и лучи, проходящие по краям, в идеальной линзе должны собираться в одну точку. Если на практике этого не происходит, изображение будет нечетким. Можно устранить этот недостаток, используя стекло с более высоким показателем преломления.

Другой способ борьбы со сферической аберрацией – использование диафрагмы, отсекающей «лишние» лучи, проходящие по краям линзы. Правда, при этом уменьшится яркость полученной картинки. Используют также системы из двух склеенных линз, для которых сферическая аберрация будет минимальной.

Хроматические аберрации также могут быть скорректированы. Для этого применяются комбинации оптических стекол с различной дисперсией. Дефекты, вносимые основной линзой, компенсируются искажениями, которые вносит добавочная линза. Такие системы линз называются ахроматическими.

Аберрация света

Астрономы используют термин «аберрация» для описания поправок, которые вносит система отсчета, связанная с Землей. Это одно из проявлений всеобщего принципа относительности – направление световых лучей зависит от выбора точки отсчета.

Расположение звезд на небосводе изменяется в зависимости от направления скорости движения нашей планеты по орбите вокруг Солнца, ее суточного обращения вокруг оси, и даже от скорости движения Солнца относительно центра нашей Галактики. Например, в течение земного года любая видимая звезда небесной сферы движется по эллипсу, тогда как при наблюдении с Солнца она бы оставалась неподвижной.

Аберрация в генетике

В биологической науке понятие аберрации вводится для описания изменений в структуре хромосом. Дефекты могут заключаться в отсутствии одного из участков хромосомы, изменении очередности генов, возникновении лишних участков и т.д. Если перестройка генов сбалансирована, она не ведет к утрате генетического материала и отклонениям от нормы.

Несбалансированные искажения приводят к повышению риска возникновения онкологических и наследственных заболеваний. Причиной таких аберраций часто служит ионизирующее излучение высокой частоты.

Узнайте много нового о линзах от офтальмолога | Материал линз с высоким индексом преломления MR™

Урок №1Число Аббе: число, определяющее комфорт обзора при ношении очков

Когда свет проходит через линзу (призму), он рассеивается на составляющие спектральные цвета по причине зависимости индексов преломления от длины волны. Мы иногда замечаем это явление как цветную окантовку (хроматическую аберрацию) синего или красного цвета в поле обзора, видимого через линзу. Аберрация особенно заметна в периферических областях линзы, где больший угол падения приводит к большей дисперсии.
Число Аббе указывает на степень рассеивания света. Более высокие числа Аббе означают более низкую дисперсию, пониженную хроматическую аберрацию и более высокое качество обзора.

Цветовая окантовка приводит к размытости изображения

Обычно число Аббе ниже в материалах для пластиковых линз с более высокими индексами преломления. Это означает, что перед окулистами стоит непростой выбор: выбрать линзы с более высоким индексом преломления для уменьшения толщины, что приведет к более явной хроматической аберрации.
Но этого выбора можно полностью избежать, выбирая материалы с высоким ИП и числом Аббе, такие как MR-8™. Это позволяет создавать тонкие линзы без риска возникновения хроматической аберрации.

Соотношение между индексами преломления и числами Аббе материалов линз для очков
MR-8™ Поликарбонат Акрил ADC Кронстекло
Индекс преломления (ne) 1.60 1.59 1.60 1.50 1.52
число Аббе (νe) 41 28~30 32 58 59
Высокий ИП и высокое число Аббе Высокий ИП, но низкое число Аббе Низкий ИП, но высокое число Аббе
Индекс преломления (ne) число Аббе (νe)
MR-8™ 1.60 41 Высокий ИП и высокое число Аббе
Поликарбонат 1.59 28~30 Высокий ИП, но низкое число Аббе
Акрил 1.60 32
ADC 1.50 58 Низкий ИП, но высокое число Аббе
Кронстекло 1.52 59

*ADC: аллилдигликолькарбонат


Урок №2Выбор линз с учетом силы

Чтобы линзы для очков оставались в идеальном состоянии как можно дольше, необходимо сосредоточиться на прочности линз. Слово «прочность», как оно используется здесь, относится к общему сопротивлению деформации и поломке и охватывает широкий спектр различных свойств, таких как стойкость к растрескиванию или износостойкость. Это означает, что нужно хорошо понимать разницу свойств различных материалов для линз.

Выбор основан на устойчивости к растрескиванию

Чтобы измерить устойчивость к трещинам, в дополнение к простой прочности объекта нужно понимать, что такое «ударная вязкость».
Под ударной вязкостью понимают сопротивление поломке при воздействии удара или давления. Мы также можем сослаться на прочность материала. Например, в то время как фарфор и стекло имеют определенную прочность и сопротивляются деформации, ни один из этих материалов не является особо прочным: оба могут потрескаться и на них могут появиться сколы.
В случае пластиковых линз ударная вязкость различна для разных пластиковых материалов. Линзы со средним ИП и акриловые линзы имеют относительно низкую ударную вязкость и склонны к поломкам. Напротив, тиоуретановые материалы MR™ не только обладают высокой ударопрочностью, но и высокой ударной вязкостью. Материал с большей вероятностью деформируется без поломки при применении силы, а не трескается или скалывается.

Линза со средним индексом преломления / акриловая линзаЛинза MR™

Выбор основан на износостойкости или сопротивлении царапинам

Даже если линза устойчива к растрескиванию, она не будет идеальной для длительного использования, если она не устойчива к царапинам. Тиоуретановый материал часто достигает лучших результатов сцепления с покрытием, что позволяет использовать его в суровых условиях, в том числе при высоких температурах. Покрытие повышает устойчивость к трещинам, даже когда линза царапается о поверхность.

Резюме – Гиперучебник по физике

  • … линзы
  • аберрация
  • заряд …
Гиперучебник по физике
© 1998–2022 Гленн Элерт
Автор, иллюстратор, веб-мастер

  1. Механика
    1. Кинематика
      1. Движение
      2. Расстояние и перемещение
      3. Скорость и Скорость
      4. Ускорение
      5. Уравнения движения
      6. Свободное падение
      7. Графики движения
      8. Кинематика и исчисление
      9. Кинематика в двух измерениях
      10. Снаряды
      11. Параметрические уравнения
    2. Динамика I: Сила
      1. Силы
      2. Сила и масса
      3. Действие-реакция
      4. Вес
      5. Динамика
      6. Статика
      7. Трение
      8. Силы в двух измерениях
      9. Центростремительная сила
      10. Системы отсчета
    3. Энергия
      1. Работа
      2. Энергия
      3. Кинетическая энергия
      4. Потенциальная энергия
      5. Сохранение энергии
      6. Мощность
      7. Простые машины
    4. Динамика II: Импульс
      1. Импульс и импульс
      2. Сохранение импульса
      3. Импульс и энергия
      4. Импульс в двух измерениях
    5. Вращательное движение
      1. Кинематика вращения
      2. Инерция вращения
      3. Вращательная динамика
      4. Вращательная статика
      5. Угловой момент
      6. Энергия вращения
      7. Роллинг
      8. Вращение в двух измерениях
      9. сила Кориолиса
    6. Планетарное движение
      1. Геоцентризм
      2. Гелиоцентризм
      3. Всемирная гравитация
      4. Орбитальная механика I
      5. Гравитационная потенциальная энергия
      6. Орбитальная механика II
      7. Гравитация вытянутых тел
    7. Периодическое движение
      1. Пружины
      2. Простой гармонический осциллятор
      3. Маятники
      4. Резонанс
      5. Эластичность
    8. Жидкости
      1. Плотность
      2. Давление
      3. Плавучесть
      4. Поток жидкости
      5. Вязкость
      6. Аэродинамическое сопротивление
      7. Режимы течения
  2. Теплофизика
    1. Тепло и температура
      1. Температура
      2. Тепловое расширение
      3. Атомная природа материи
      4. Газовые законы
      5. Кинетико-молекулярная теория
      6. Фазы
    2. Калориметрия
      1. Явное тепло
      2. Скрытая теплота
      3. Химическая потенциальная энергия
    3. Теплопередача
      1. Проводка
      2. Конвекция
      3. Радиация
    4. Термодинамика
      1. Тепло и работа
      2. Диаграммы давление-объем
      3. Двигатели
      4. Холодильники
      5. Энергия и энтропия
      6. Абсолютный ноль
  3. Волны и оптика
    1. Волновые явления
      1. Природа волн
      2. Периодические волны
      3. Интерференция и наложение
      4. Интерфейсы и барьеры
    2. Звук
      1. Природа звука
      2. Интенсивность
      3. Эффект Доплера (звук)
      4. Ударные волны
      5. Дифракция и интерференция (звук)
      6. Стоячие волны
      7. Биты
      8. Музыка и шум
    3. Физическая оптика
      1. Природа света
      2. Поляризация
      3. Эффект Доплера (свет)
      4. Черенковское излучение
      5. Дифракция и интерференция (свет)
      6. Тонкопленочная интерференция
      7. Цвет
    4. Геометрическая оптика
      1. Отражение
      2. Преломление
      3. Сферические зеркала
      4. Сферические линзы
      5. Аберрация
  4. Электричество и магнетизм
    1. Электростатика
      1. Электрический заряд
      2. Закон Кулона
      3. Электрическое поле
      4. Электрический потенциал
      5. Закон Гаусса
      6. Проводники
    2. Электростатические приложения
      1. Конденсаторы
      2. Диэлектрики
      3. Батареи
    3. Электрический ток
      1. Электрический ток
      2. Электрическое сопротивление
      3. Электроэнергия
    4. цепи постоянного тока
      1. Резисторы в цепях
      2. Батареи в цепях
      3. Конденсаторы в цепях
      4. Правила Кирхгофа
    5. Магнитостатика
      1. Магнетизм
      2. Электромагнетизм
      3. Закон Ампера
      4. Электромагнитная сила
    6. Магнитодинамика
      1. Электромагнитная индукция
      2. Закон Фарадея
      3. Закон Ленца
      4. Индуктивность
    7. Цепи переменного тока
      1. Переменный ток
      2. RC цепи
      3. Цепи РЛ
      4. LC-цепи
    8. Электромагнитные волны
      1. уравнения Максвелла
      2. Электромагнитные волны
      3. Электромагнитный спектр
  5. Современная физика
    1. Относительность
      1. Пространство-время
      2. Масса-энергия
      3. Общая теория относительности
    2. кванта
      1. Излучение черного тела
      2. Фотоэлектрический эффект
      3. Рентген
      4. Антивещество
    3. Волновая механика
      1. Волны материи
      2. Атомные модели
      3. Полупроводники
      4. Конденсированные вещества
    4. Ядерная физика
      1. Изотопы
      2. Радиоактивный распад
      3. Период полураспада
      4. Энергия связи
      5. Деление
      6. Фьюжн
      7. Нуклеосинтез
      8. Ядерное оружие
      9. Радиобиология
    5. Физика элементарных частиц
      1. Квантовая электродинамика
      2. Квантовая хромодинамика
      3. Квантовая динамика вкуса
      4. Стандартная модель
      5. Вне стандартной модели
  6. Фонды
    1. Единицы
      1. Международная система единиц
      2. Гауссова система единиц
      3. Британско-американская система единиц
      4. Разные единицы
      5. Время
      6. Преобразование единиц измерения
    2. Измерение
      1. Значащие цифры
      2. Порядок величины
    3. Графики
      1. Графическое представление данных
      2. Линейная регрессия
      3. Изогнутый фитинг
      4. Исчисление
    4. Векторов
      1. Тригонометрия
      2. Сложение и вычитание векторов
      3. Векторное разрешение и компоненты
      4. Умножение на вектор
    5. Ссылка
      1. Специальные символы
      2. Часто используемые уравнения
      3. Физические константы
      4. Астрономические данные
      5. Периодическая таблица элементов
      6. Люди в физике
  7. Задняя часть
    1. Предисловие
      1. Об этой книге
    2. Связаться с автором
      1. Гленнелерт.сша
      2. Беханс
      3. Инстаграм
      4. Твиттер
      5. Ютуб
    3. Аффилированные сайты
      1. hypertextbook.com
      2. midwoodscience.org

Аберрации объектива: устранение дефектов изображения | оптика | Справочник по фотонике

Идеальный объектив может дать идеальное изображение. Но вместо этого семь основных аберраций объектива могут размыть или исказить изображение, и их следует учитывать при создании оптической системы.

Брюс Х. Уокер, Walker Associates


Линза собирает свет из точки на объекте и фокусирует его в соответствующей сопряженной точке на изображении. В большинстве случаев объектив не справляется с этой задачей из-за некоторой ошибки в точности, с которой он фокусирует этот свет. Вместо истинного точечного изображения объектив создает кружок размытия. Функция оптического дизайнера состоит в том, чтобы убедиться, что этот кружок размытия достаточно мал, чтобы обеспечить требуемое разрешение или качество изображения.Неспособность объектива сформировать идеальное изображение вызвана аберрациями объектива. В следующих абзацах будут описаны семь отклонений и обсуждены некоторые основные моменты каждого из них.

Сферическая аберрация

Сферическая аберрация — это ошибка изображения, возникающая, когда линза фокусирует осевой пучок монохроматического света. При наличии сферической аберрации каждая зона или кольцо апертуры объектива имеет немного отличающееся фокусное расстояние.


Фигура 1. Сферическая аберрация в плосковыпуклой линзе.



Результат можно увидеть на рисунке 1. На увеличенном изображении показано фактическое пересечение сфокусированных лучей с поверхностью изображения. В параксиальном фокусе А все лучи, близкие к оси линзы, фокусируются точно. Лучи из зон, удаленных от оси, фокусируются ближе к параксиальному фокусу. Чем дальше лучи от оси, тем больше эта ошибка фокусировки. Это отсутствие общего фокуса для всех зон объектива и есть сферическая аберрация.


Рис. 2.
Функции рассеяния точки для линзы на Рис. 1 в параксиальном фокусе ( a ) и фокусировке для минимального размера пятна ( b ).


На рис. 1 есть точка B, расположенная недалеко от параксиального фокуса, где круг размытия или размер пятна, вызванный сферической аберрацией, сведен к минимуму. На рис. 2 показана функция разброса интенсивности для параксиального положения фокуса и положения фокуса с минимальным размером пятна. Анализ этих функций рассеяния показывает, что в параксиальном фокусе имеется яркое пятно около 0.02 мм в диаметре, окруженный бликом диаметром около 0,08 мм. В случае фокусировки для минимального размера пятна центральное пятно немного больше, около 0,025 мм в диаметре, а диаметр видимого блика уменьшен до менее 0,04 мм. Почти во всех приложениях, где присутствует сферическая аберрация, общее качество изображения является наилучшим, когда объектив сфокусирован близко к точке минимального размера пятна.

Кома

Кома — это аберрация, которая поражает внеосевые световые пучки способом, очень похожим на то, как сферическая аберрация влияет на осевые пучки.Как показано на рисунке 3, когда внеосевой пучок падает на линзу, пораженную комой, каждое кольцо фокусируется на плоскости изображения на несколько разной высоте и с разным размером пятна. В результате получается общее пятно коматозной формы, имеющее яркое центральное ядро ​​с треугольным бликом, простирающимся к оптической оси линзы.


Рис. 3. Иллюстрация внеосевой аберрации, комы.

Для пары простых линз, расположенных симметрично, как в системе релейных линз, или сложной линзы, имеющей некоторую степень симметрии, обнаружено значительное снижение степени комы.Эта важная характеристика используется в конструкции многих линз и инструментов, таких как бороскопы и перископы подводных лодок. Остаточная кома в системе линз обычно сочетается с другими внеосевыми аберрациями, что затрудняет оценку ее индивидуального вклада в конечное качество изображения.

Кривизна поля

В большинстве оптических систем конечное изображение должно формироваться на плоской или плоской поверхности. К сожалению, большинство оптических систем склонны формировать такое изображение на искривленной поверхности.Номинальная кривизна (1/радиус) этой поверхности называется кривизной Петцваля, или кривизной поля линзы. Для простых линз эта кривизна равна примерно 2/3 оптической силы линзы. Когда объектив свободен от других внеосевых аберраций, изображение формируется на поверхности Петцваля. При наличии астигматизма (что бывает чаще всего) поверхность Петцваля не имеет реального значения с точки зрения фактического изображения системы линз.


Рис. 4. Иллюстрация астигматизма.



Астигматизм

Когда в системе линз присутствует астигматизм, веерные лучи разной ориентации на апертуре линзы имеют тенденцию фокусироваться на разных криволинейных поверхностях. На рис. 4 показаны два веера лучей, проходящих через простую линзу, и показано, как они фокусируются. Точечная диаграмма на рисунке 4 показывает, что наличие астигматизма приводит к тому, что изображение идеальной круглой точки размывается в эллиптическое пятно.

Кривые поля, показанные на рис. 5, представляют собой еще один метод иллюстрации аберраций кривизны поля и астигматизма.Эти кривые представляют поперечное сечение половины поверхности изображения от оптической оси до края поля зрения. На рис. 5а показан набор кривых поля для линзы, страдающей как кривизной поля, так и астигматизмом. Если мы представим изображение как колесо со спицами, центрированное на оптической оси, обод колеса будет в фокусе на тангенциальной поверхности изображения, а спицы будут в фокусе на сагиттальной поверхности.


Рисунок 5а. Иллюстрация кривизны поля и астигматизма в простой линзе.



Астигматизм – это, по определению, разница между тангенциальной и сагиттальной кривыми поля зрения. Если тангенциальная и сагиттальная поверхности совпадают, то говорят, что хрусталик не имеет астигматизма. В этом случае изображение формируется на поверхности Петцваля. При наличии астигматизма отклонение тангенциального поля от поверхности Петцваля в три раза превышает отклонение сагиттального поля (рис. 5а). В большинстве случаев невозможно скорректировать кривизну поля и астигматизм до нуля, но удовлетворительное качество изображения обычно может быть достигнуто путем балансировки остаточного астигматизма с собственной кривизной поля, как показано на рисунке 5b.


Рисунок 5б. Иллюстрация введения отрицательного астигматизма для компенсации кривизны поля зрения.



Искажение

Искажение — это уникальная аберрация, поскольку она не влияет на качество изображения с точки зрения резкости или фокусировки. Скорее, искажение влияет на форму изображения, заставляя его отклоняться от истинного масштабированного дубликата объекта. На рис. 6b представлена ​​система линз без искажений, которая обеспечивает точное воспроизведение объекта в виде шахматной доски .Если система страдает от положительного искажения, то внеосевые точки отображаются на расстоянии большем, чем номинальное, создавая эффект подушечки для булавок, показанный на 6а. С другой стороны, если система демонстрирует отрицательное искажение, результирующее изображение принимает бочкообразную форму, как показано на рисунке 6c. За исключением некоторых метрологических систем, где критические измерения производятся с изображения, погрешности искажения в диапазоне от 5 до 10 процентов обычно считаются приемлемыми.


Рисунок 6. Иллюстрация искажения: ( a ) приблизительно 15-процентное положительное (подушкообразное) искажение; ( b ) нулевое искажение; и ( c ) примерно 10-процентное отрицательное (бочкообразное) искажение.


Пять аберраций, представленных на данный момент, были монохроматическими аберрациями, обычно вычисляемыми для центральной длины волны системы линз. Если объектив предполагается использовать в расширенном спектральном диапазоне, необходимо также учитывать следующие две хроматические аберрации.

Осевой цвет

Для всех оптических стекол показатель преломления зависит от длины волны; индекс больше для более коротких (синих) длин волн. Кроме того, скорость изменения индекса больше на более коротких длинах волн. В простой линзе это приводит к тому, что каждая длина волны фокусируется в разных точках вдоль оптической оси. Это хроматическое распространение света известно как дисперсия.


Рисунок 7. Осевой цвет в простой линзе ( a ) и в ахромате ( b ) с одинаковым фокусным расстоянием и светосилой (f/#).

 


На рис. 7а показана простая линза, фокусирующая пучок белого света, охватывающий спектральный диапазон от 450 до 650 нм. Если фокус установлен на середину полосы, как показано, круг размытия состоит из зеленого центрального ядра с фиолетовым (красным и синим) ореолом, окружающим его. За исключением очень необычных случаев, таких как лазерные системы или почти монохроматические системы, осевой цвет — это аберрация, с которой необходимо бороться, чтобы добиться приемлемого качества изображения.Этого можно добиться, превратив простую линзу в ахроматический дублет, как показано на рис. 7b. Два выбранных типа стекла корректируют основной осевой цвет, сводя две крайние длины волн к общему фокусу. В показанном объективе уменьшение размера круга размытия в 30 раз было реализовано за счет ахроматизации этой простой линзы.


Рис. 8. Простая линза с небольшим преломлением главного луча ( a ) имеет мало бокового цвета.Конструкция окуляра ( b ), в которой существует существенное несимметричное преломление главного луча, будет иметь боковой цвет.

 



Боковой цвет

Вторая хроматическая аберрация (и последняя из семи основных аберраций объектива) — это боковой цвет. Для осевых световых пучков оптическая ось линзы совпадает с центральным лучом в этом пучке. Для внеосевых пучков соответствующий центральный луч называется главным лучом или главным лучом.Высота главного луча в плоскости изображения определяет размер изображения. Если в системе линз существует боковой цвет, этот главный луч рассеивается, в результате чего разные длины волн отображаются на разных высотах в плоскости изображения. Результатом является хроматическое радиальное размытие внеосевых точек изображения.

В случае простой линзы с главным лучом, проходящим через ее центр, преломление этого луча мало и, следовательно, мало бокового цвета. Система, симметричная относительно точки пересечения главного луча с оптической осью (апертурной диафрагмы), практически не имеет бокового цвета, поскольку аберрация имеет тенденцию устраняться, когда главный луч пересекает симметричные половины системы.

Окуляр представляет собой классический пример формы линзы, обеспечивающей значительное преломление главного луча, которое не является симметричным относительно апертурной диафрагмы. В результате в большинстве конструкций окуляров боковой цвет является основной причиной ухудшения качества внеосевого изображения. На рис. 8 показан путь главного луча через простую линзу 8а и окуляр 8b. В каждом случае показано наличие или отсутствие боковой окраски.

Заключение

На этом обзор семи основных аберраций объектива завершен.Разработчик оптики должен оценить потенциальный вклад каждой аберрации в окончательную производительность системы и отрегулировать конфигурацию оптической системы для достижения удовлетворительных характеристик.

Благодарность

Эта статья основана на более раннем материале, подготовленном автором для использования в каталоге Optics and Filters , выпущенном Oriel Corp. Мы с благодарностью признаем разрешение компании на использование частей этого материала.


Оптические аберрации

К сожалению, не существует ни одного телескопа или любого другого оптического инструмента, полностью свободного от аберраций изображения.Идеального телескопа не существует. Даже глаз имеет некоторые аберрации. Но всегда можно разработать оптические системы, корректирующие определенные аберрации. Часто это также вопрос отношения наблюдателя: т. е. принимает ли он оптическую систему с определенными аберрациями, или ему требуется инструмент высокого класса, который дает практически идеальное изображение.

Объяснения наиболее важных аберраций в астрономических телескопах можно найти на следующих страницах.

Сферическая аберрация 

Сферическая аберрация — это аберрация, которая может возникать как в случае объектива, так и в случае зеркал.Здесь световые лучи, расположенные ближе к оптической оси, преломляются или отражаются иначе, чем световые лучи, находящиеся дальше от нее. Это означает, что для разных лучей существуют разные фокальные плоскости. В случае сферической линзы или сферического зеркала эта сферическая аберрация возникает из-за того, что угол падения дальше от оптической оси значительно больше, чем угол падения вблизи оптической оси. В телескопы эта аберрация проявляется как размытие изображения. Аберрация более серьезна при более коротких фокусных расстояниях, чем при более длинных фокусных расстояниях.Эту аберрацию можно уменьшить, используя асферически изогнутую линзу или параболическое зеркало. Это означает, что угол падения не такой большой, и поэтому световые лучи собираются в одной фокальной плоскости.

Когда телескоп «Хаббл» впервые был запущен в космос, было обнаружено, что он страдает сферической аберрацией и дает размытые изображения. Чтобы исправить эту ошибку, нужно было изготовить пару «очков» и установить их в космосе.

Хроматическая аберрация

Хроматическая аберрация — это проблема, от которой страдают линзовые или преломляющие телескопы.Свет попадает на элементы линз и преломляется ими — возможно, вы еще что-то помните об этом из уроков физики в школе. Преломление необходимо для формирования изображения. Синий свет преломляется больше, чем, скажем, красный свет. Это означает, что разные длины волн имеют разные фокусные расстояния. Показатель преломления синего света больше, чем у красного света.

Если представить себе влияние этого на формирование изображения объекта, то синий свет будет находиться в другом месте, чем красный свет.Это означает, что полученное изображение размыто. Но не только это, это также означает разницу в увеличении разных цветов. На простом языке это означает, что разные расстояния изображения для соответствующих цветов вызывают для них разные размеры изображения. Это означает появление раздражающих цветовых полос на изображении.

Хроматическая аберрация может быть достаточно хорошо скорректирована с помощью ахроматического дублета. Здесь положительная двояковыпуклая линза сочетается с расположенной за ней отрицательной линзой с большей дисперсией.Таким образом частично компенсируются хроматические аберрации. Но даже тогда есть остаточная хроматическая аберрация. Этот остаток называется «вторичным спектром».

Также этот вторичный спектр можно скорректировать, в который еще можно вставить дополнительную линзу (обычно опять же плюсовую линзу). В телескопах-рефлекторах хроматических аберраций не возникает.


Кома Кома — это еще одна ошибка изображения, вызванная, главным образом, тем, что падающий световой луч падает наклонно, в сторону от оптической оси.Часто возникает из-за сочетания сферической аберрации и астигматизма. Астигматизм частично обусловлен асимметричными световыми лучами. На диаграмме световые лучи создают асимметричные изображения. Это приводит к тому, что звезды на краю поля зрения демонстрируют искажения, напоминающие хвосты комет. Они имеют нечеткий вид и не могут быть сфокусированы.

Телескопы с большой апертурой, как правило, особенно сильно страдают от комы. Это телескопы с апертурой от 1:4 или 1:5 до примерно 1:7.Другими словами, аберрация проявляется сильнее с особенно светосильной оптикой. Телескопы с большим фокусным расстоянием и меньшей светосилой (например, 1:10) гораздо меньше страдают от комы. Также эту ошибку можно свести к минимуму, если закрыть объектив. Однако всегда можно использовать корректор комы для получения четких изображений с светосильной оптикой.

Астигматизм

Астигматизм может быть вызван тем, что падающий световой луч падает на зрительную трубу под углом (косой астигматизм). Также это может произойти из-за перекосов главного зеркала.Но это часто вызвано тем, что две разные кривизны зеркал или линз создают разные фокусные расстояния. Тогда один пучок лучей будет перпендикулярен другому. Астигматизм можно увидеть в диске Эйри как искажение изображения, когда он длиннее по одной оси, чем по оси, перпендикулярной ей. Аберрацию можно свести к минимуму, остановив телескоп.

 

Кривизна поля

Кривизна поля связана с косым астигматизмом.
Изображение формируется на изогнутой поверхности, а не на плоском стекле, что означает, что вы никогда не сможете сфокусировать изображение одновременно по центру и по краю.Закрытие объектива также может свести к минимуму эту аберрацию.

| Аберрации Зейделя третьего порядка

При выводе предыдущих уравнений для объекта, изображения и фокусного расстояния предполагалось, что n1θ1 = n2θ2. Однако закон Снелла точен; включение более высоких порядков синусоидального разложения приводит к небольшим изменениям в предсказаниях теории первого порядка. Добавление следующего ненулевого члена дает приближение:

sin θ = θ – θ³/3!

Основными аберрациями третьего порядка при монохроматическом освещении являются сферические, кома, астигматизм, кривизна поля и дисторсия.Сферическая аберрация зависит от фокусного расстояния, апертуры, формы и положения объекта. Как правило, простая положительная линза страдает от недокорректированной сферической аберрации, когда внеосевые лучи фокусируются ближе к линзе, чем параксиальные лучи, как показано ниже.

Недокорректированная сферическая аберрация в позитивном синглете

Кома — это изменение увеличения внеосевых лучей, вызванное преломлением световых лучей при их пересечении в различных точках на сферической поверхности.В результате комы точка объекта размывается в конусообразное изображение, как показано на следующей диаграмме.

Эффекты комы для внеосевой точки объекта

Астигматизм также ухудшает изображение внеосевых точек объекта. Конус лучей из точки вне оси асимметрично падает на линзу, создавая изображения в двух разных фокальных плоскостях. Изображение меняется от сагиттальной (радиальной) до тангенциальной линии, в зависимости от фокального положения плоскости изображения. Результирующие линейные изображения перпендикулярны друг другу, как показано ниже.

Эффекты астигматизма

Кривизна поля — это дефект изображения, из-за которого внеосевые точки изображения фокусируются в разных фокальных плоскостях, чем аксиальные точки изображения. Большинство позитивных линз демонстрируют «внутреннюю» кривизну поля, то есть изображение внеосевой точки не соответствует идеальной плоскости изображения, вызывая расфокусировку на краю изображения, когда линза сфокусирована резко. на оси. Кривизна поля присуща каждой оптической системе, но поскольку она связана с кривизной поверхности и показателем преломления, ее можно свести к минимуму за счет конструкции линзы.

Кривизна поля

Последней аберрацией Зейделя является искажение. Дисторсия — это неспособность объектива точно отображать прямолинейные объекты. Хотя это деформирует изображение, оно не изменяет положение фокуса. Полученные изображения показаны ниже.

Искажение

В предыдущем обсуждении предполагалось монохроматическое освещение. При полихроматическом освещении необходимо также учитывать эффекты дисперсии. Дисперсия — это изменение показателя преломления в зависимости от длины волны.Он равен nλ1 – nλ2, где λ1 и λ2 – длины волн, для которых выражена дисперсия.

В большинстве случаев материалы используются в видимом спектре; значение n или число Аббе выражает взаимосвязь между дисперсией и преломляющей способностью материала. Определяется как:

, где n d 1 – относительная преломляющая способность, а n F -n C – мера дисперсии (n d = показатель преломления при 587.6нм; n F = показатель преломления при 486,1 нм; n C = показатель преломления при 656,3 нм). Типичные дисперсионные кривые для различных оптических стекол показаны на рисунке ниже. Это демонстрирует скорость изменения показателей преломления относительно длины волны.

Кривые дисперсии

Следует отметить, что если вторичный спектр становится важным фактором производительности, как в приложениях, зависящих от цвета, то частные дисперсии становятся все более важными.Частичная дисперсия является мерой скорости изменения наклона кривой зависимости индекса от длины волны и выражается следующим соотношением:

Примером этого эффекта является разделение белого света на его спектральные составляющие с помощью призмы.

Поскольку индекс меняется в зависимости от длины волны, то же самое должен делать и угол преломления. В результате падающий белый свет, состоящий из волн разной длины, не может сфокусироваться в одной точке; хроматические аберрации будут возникать даже с «во всем остальном идеальным» объективом.Параксиальный осевой цвет, также известный как продольная хроматическая аберрация, относится к изменению фокусного расстояния линзы в зависимости от длины волны. Для той же простой положительной линзы более короткие длины волн образуют более короткие фокусные расстояния.

Продольная хроматическая аберрация

Эффекты хроматических аберраций можно уменьшить, используя скорректированную дуплетную линзу, состоящую из одного положительного и одного отрицательного элемента из разных материалов, выбранных для сведения к минимуму общей аберрации.Такие ахроматы обычно корректируются для двух длин волн и демонстрируют уменьшенные хроматические аберрации для промежуточных длин волн по сравнению с простой линзой.

Аберрация и другие искажения света – W. Nuhsbaum, Inc

Источник: Unsplash

Это не луна! Это… искажение нашего образца, вызванное явлением, называемым аберрацией. (Можно ли предположить, что диаграмма Венна фанатов «Звездных войн» и любителей микроскопов представляет собой круг?)

Аберрация в оптике — это отклонение световых лучей, проходящих через линзы, что приводит к размытию изображений объектов.Обычно каждая точка на объекте фокусируется на точке нулевого размера на изображении, но аберрация приводит к тому, что свет распределяется по некоторой области пространства, а не фокусируется на точке. В результате изображение образца становится размытым или искаженным. То, как они искажаются и в какой степени, зависит от типа аберрации, которых существует несколько.

Сферический

При сферической аберрации лучи света из точки на оптической оси линзы со сферическими поверхностями не все встречаются в одной и той же точке изображения.Лучи, проходящие через линзу вблизи ее центра, фокусируются дальше, чем лучи, проходящие через круглую зону вблизи ее края.

Для каждого конуса лучей от осевой точки объекта, встречающихся с линзой, существует конус лучей, который сходится, образуя точку изображения, причем длина конуса различается в зависимости от диаметра круговой зоны. Везде, где плоскость, перпендикулярная оптической оси, пересекает конус, лучи образуют круглое поперечное сечение.

Кома или кома аберрация

Кома аберрация относится к аберрации, присущей определенным оптическим конструкциям или из-за несовершенства линзы или других компонентов, что приводит к тому, что внеосевые точечные источники, такие как звезды, кажутся искаженными, имеющими хвост (кома) как комета.В частности, кома определяется как изменение увеличения входного зрачка. Обычный способ уменьшения комы — использование диафрагмы для устранения внешних конусов лучей.

Хроматическая

Хроматическая аберрация — это неспособность объектива сфокусировать все цвета в одной точке. Это вызвано дисперсией: показатель преломления элементов линзы зависит от длины волны света. Показатель преломления большинства прозрачных материалов уменьшается с увеличением длины волны. Поскольку фокусное расстояние линзы зависит от показателя преломления, это изменение показателя преломления влияет на фокусировку.Хроматическая аберрация проявляется в виде «полос» цвета по границам, разделяющим темные и светлые части изображения.

Нужен ремонт?

У объектива микроскопа возникла одна из вышеперечисленных проблем? Свяжитесь с нашей дружелюбной командой обслуживания, и мы будем более чем рады помочь вам!

Источники:

Анатомия микроскопа. Оптические аберрации

Ошибки объектива в современной оптической микроскопии представляют собой досадную проблему, вызванную артефактами, возникающими при взаимодействии света со стеклянными линзами.Существуют две основные причины неидеального действия линзы : Геометрические или сферические аберрации связаны со сферической природой линзы и приближениями, используемыми для получения уравнения линзы Гаусса; и Хроматические аберрации, возникающие из-за вариаций показателей преломления в широком диапазоне частот видимого света.

Как правило, эффекты оптических аберраций заключаются в том, чтобы вызвать дефекты характеристик изображения, наблюдаемого через микроскоп.Хроматическая аберрация в конденсоре предметного столика показана на рис. 1, где синяя окантовка на краю изображения полевой диафрагмы обусловлена ​​хроматической аберрацией. Эти артефакты были впервые рассмотрены в восемнадцатом веке, когда физик Джон Доллонд обнаружил, что хроматические аберрации можно уменьшить или исправить, используя комбинацию двух разных типов стекла при изготовлении линз. Позже, в девятнадцатом веке, были разработаны ахроматические объективы с высокой числовой апертурой, хотя геометрические проблемы с линзами все еще оставались.Современные составы стекла и просветляющие покрытия в сочетании с передовыми технологиями шлифования и производства почти полностью устранили большинство аберраций в объективах современных микроскопов, хотя этим эффектам по-прежнему необходимо уделять особое внимание, особенно при проведении количественной видеомикроскопии с большим увеличением и фотомикрофотографии.

Сферическая аберрация . Эти артефакты возникают, когда световые волны, проходящие через периферию линзы, не фокусируются на волнах, проходящих через центр, как показано на рисунке 2.Волны, проходящие вблизи центра линзы, лишь незначительно преломляются, тогда как волны, проходящие вблизи периферии, преломляются в большей степени, что приводит к образованию различных фокусных точек вдоль оптической оси. Это один из самых серьезных артефактов разрешения, поскольку изображение образца расплывается, а не находится в резком фокусе.

На рис. 2 показано увеличенное изображение трех гипотетических монохроматических световых лучей, проходящих через выпуклую линзу. Наибольшее преломление периферийных лучей, за ними следуют средние, а затем лучи в центре.Большее преломление крайними лучами приводит к фокальной точке (обозначенной как фокальная точка 1), которая находится перед фокальными точками, создаваемыми лучами, проходящими ближе к центру линзы (фокальные точки 2 и 3). Большая часть этого несоответствия в фокальных точках возникает из-за аппроксимаций эквивалентности синуса и тангенса значений соответствующих углов, сделанных для уравнения линзы Гаусса для сферической преломляющей поверхности :

n/s + n’/s ‘ = (n’-n)/r

, где n и n’ представляют собой показатель преломления воздуха и стекла, составляющего линзу, соответственно, s и s’ представляют собой объект и изображение расстояние, а r — радиус кривизны линзы.Это выражение определяет взаимное расположение изображений, образованных криволинейной поверхностью линзы радиусом х , зажатой между средами с показателями преломления n и n’ . Уточнение этого уравнения часто называют коррекцией более высокого порядка (первого, второго или третьего) путем включения членов в куб угла апертуры, что приводит к более точному расчету.

Сферические аберрации очень важны с точки зрения разрешения объектива, поскольку они влияют на совпадающее изображение точек вдоль оптической оси и ухудшают работу объектива, что серьезно влияет на резкость и четкость образца.Эти дефекты линзы можно уменьшить, ограничивая внешние края линзы от воздействия света с помощью диафрагм, а также используя асферические поверхности линз внутри системы. Современные высококачественные объективы для микроскопов устраняют сферические аберрации несколькими способами, включая специальные методы шлифовки линз, улучшенные составы стекла и лучший контроль оптических путей.

Хроматические аберрации Этот тип оптического дефекта является результатом того, что белый свет состоит из множества длин волн.Когда белый свет проходит через выпуклую линзу, длины волн компонентов преломляются в соответствии с их частотой. Синий свет преломляется в наибольшей степени, за ним следуют зеленый и красный свет, явление, обычно называемое дисперсией . Неспособность объектива свести все цвета в общий фокус приводит к немного разным размеру изображения и точке фокусировки для каждой преобладающей группы длин волн. Это приводит к цветным полосам, окружающим изображение, как показано на рисунке 3 ниже :

, где мы сильно преувеличили различия в свойствах преломления длин волн компонентов белого света.Это описывается как дисперсия показателей преломления компонентов белого света. Показатель преломления — это отношение скорости света в вакууме к его скорости в такой среде, как стекло. Для всех практических целей скорость света в воздухе практически идентична скорости света в вакууме. Как видно на рисунке 3, каждая длина волны образует свою собственную независимую фокусную точку на оптической оси линзы, эффект, называемый осевой или продольной хроматической аберрацией .Конечным результатом этой ошибки объектива является то, что изображение точки в белом свете окружено цветом. Например, если бы вы сфокусировались на «синей плоскости», точка изображения была бы окружена светом других цветов, с красным снаружи кольца. Точно так же, если бы вы сфокусировали точку на «красной плоскости», точка изображения была бы окружена зеленым и синим цветом.

Хроматическая аберрация очень распространена при использовании одиночных тонких линз, изготовленных с использованием классической формулы производителя линз , которая связывает расстояние между образцом и изображением для параксиальных лучей.Для одной тонкой линзы, изготовленной из материала с показателем преломления n и радиусами кривизны r(1) и r(2) , мы можем написать следующее уравнение :

1/с + 1 /s’ = (n-1)(1/r(1)-1/r(2))

, где s и s’ определяются как расстояние до объекта и изображения соответственно. В случае сферической линзы фокусное расстояние ( f ) определяется как расстояние до изображения для параллельных падающих лучей :

1/f = 1/с + 1/с’ f изменяется в зависимости от длины волны света, как показано на рисунке 3.Это отклонение можно частично исправить, используя две линзы с разными оптическими свойствами, склеенные вместе. Коррекция линз была впервые предпринята во второй половине 18 века, когда Доллонд, Листер и другие разработали способы уменьшения продольной хроматической аберрации. Комбинируя крон-стекло и флинт (каждый тип имеет разную дисперсию показателя преломления), им удалось свести синие и красные лучи в общий фокус, близкий, но не идентичный зеленому. лучи.Эта комбинация называется линзой дублет , где каждая линза имеет разные показатели преломления и дисперсионные свойства. Дублеты линз также известны как ахроматические линзы или ахроматы для краткости, происходящие от греческих терминов «а», означающих отсутствие, и «цветность», означающих цвет. Эта простая форма коррекции позволяет точкам изображения на 486 нанометрах в синей области и 656 нанометрах в красной области теперь совпадать.Это наиболее широко используемый объектив, который обычно используется в лабораторных микроскопах. Объективы, не имеющие специальной надписи, указывающей иное, скорее всего, являются ахроматами. Ахроматы являются удовлетворительными объективами для рутинного лабораторного использования, но, поскольку они не исправлены для всех цветов, бесцветная деталь образца, вероятно, покажет в белом свете бледно-зеленый цвет в лучшем фокусе (так называемый вторичный спектр ). Простая ахроматическая линза показана на рисунке 4 ниже.

Как видно на этом рисунке, правильное сочетание толщины линзы, кривизны, показателя преломления и дисперсии позволяет дублету уменьшить хроматическую аберрацию за счет помещения двух групп длин волн в общую фокальную плоскость. Если в состав стекла, используемого для изготовления линзы, ввести плавиковый шпат, то три цвета: красный, зеленый и синий можно свести в одну фокусную точку, что приведет к незначительной хроматической аберрации. Эти линзы известны как апохроматические линзы и используются для создания высококачественных объективов микроскопов без хроматических аберраций.В современных микроскопах используется эта концепция, и сегодня часто можно встретить тройки оптических линз (рис. 5), изготовленные из трех линз, склеенных вместе, особенно в объективах более высокого качества. Для коррекции хроматических аберраций типичный объектив ахроматического микроскопа с 10-кратным увеличением состоит из двух двойных линз, как показано на рис. 5 слева. Объектив апохромата, показанный справа на рис. 5, содержит два дуплета и тройку линз для улучшенной коррекции как хроматических, так и сферических аберраций.

Известный немецкий производитель линз Эрнст Аббе в конце 19 века первым преуспел в изготовлении апохроматических объективов. Поскольку Аббе по конструктивным причинам в то время не выполнял всю хроматическую коррекцию в самих объективах, он решил выполнить часть коррекции через окуляр; отсюда и термин компенсирующие окуляры .

В дополнение к коррекции продольной (или осевой) хроматической аберрации объективы микроскопа также имеют другой хроматический дефект.Даже при подведении всех трех основных цветов к одинаковым фокальным плоскостям в осевом направлении (как во флюоритовых и апохроматических объективах) точечные изображения деталей вблизи периферии поля зрения неодинаковы по размеру. Это происходит из-за того, что внеосевые лучевые потоки рассеиваются, в результате чего длины волн компонентов формируют изображения на разных высотах в плоскости изображения. Например, синее изображение детали немного больше, чем зеленое изображение или красное изображение в белом свете, что приводит к цветовому кольцу деталей образца во внешних областях поля зрения.Таким образом, зависимость осевого фокусного расстояния от длины волны дает также зависимость поперечного увеличения от длины волны. Этот дефект известен как боковая хроматическая аберрация или хроматическая разность увеличения . При освещении белым светом линза с боковой хроматической аберрацией создаст серию перекрывающихся изображений, различающихся по размеру и цвету.

В микроскопах с конечной длиной тубуса для коррекции боковой хроматической аберрации используется компенсирующий окуляр с хроматической разницей увеличения, прямо противоположной хроматической разнице увеличения объектива.Поскольку этот дефект встречается и у ахроматов с большим увеличением, для таких объективов часто используются компенсирующие окуляры. Действительно, многие производители конструируют свои ахроматы со стандартной боковой хроматической ошибкой и используют компенсирующие окуляры для всех своих объективов. Такие окуляры часто несут надпись K или C или Compens . В результате компенсирующие окуляры имеют встроенную боковую хроматическую ошибку и сами по себе не полностью исправлены.В 1976 году компания Nikon представила оптику CF, которая корректирует боковую хроматическую аберрацию без помощи окуляра. Более новые микроскопы с коррекцией на бесконечность решают эту проблему, вводя фиксированную величину боковой хроматической аберрации в тубусную линзу, используемую для формирования промежуточного изображения со светом, исходящим от объектива.

Интересно отметить, что человеческий глаз имеет значительное количество хроматических аберраций. К счастью, мы можем компенсировать этот артефакт, когда мозг обрабатывает изображения, но можно продемонстрировать аберрацию, используя маленькую фиолетовую точку на листе бумаги.Если поднести к глазу, фиолетовая точка будет казаться синей в центре, окруженной красным ореолом. По мере того, как бумага отодвигается дальше, точка становится красной, окруженной синим ореолом.

Хотя производители микроскопов тратят значительные ресурсы на производство объективов без сферической аберрации, пользователь может непреднамеренно внести этот артефакт в хорошо скорректированную оптическую систему. Используя неправильную монтажную среду (например, живую ткань или клетки в водной среде) с масляным иммерсионным объективом или вводя аналогичные несоответствия показателей преломления, микроскописты часто могут создавать артефакты сферической аберрации в нормальном в остальном микроскопе.Кроме того, при использовании сухих объективов с большим увеличением и высокой числовой апертурой правильная толщина покровного стекла (рекомендуется 0,17 мм) имеет решающее значение; поэтому на такие объективы надевается корректирующая втулка , позволяющая регулировать неправильную толщину покровного стекла, как показано на рис. 6 ниже. Объектив слева был отрегулирован для толщины покровного стекла 0,20 мм путем сближения элементов линзы корректирующего кольца. Перемещая элементы объектива далеко друг от друга в другую крайность (объектив справа на рис. 6), объектив корректируется для толщины покровного стекла, равной 0.13мм. Точно так же вставка аксессуаров в световой путь объективов с конечной трубкой может привести к аберрациям при перефокусировке образца, если только такие аксессуары не были должным образом разработаны с дополнительной оптикой. Мы создали интерактивный учебник Java , предназначенный для ознакомления наших читателей с объективными корректирующими кольцами для изменений толщины покровного стекла.

Различные объективы для контроля качества различаются тем, насколько хорошо они сводят различные цвета к общему фокусу и одинаковому размеру в поле зрения.Между ахроматической и апохроматической коррекцией типа есть также объективы, известные как полуапохроматы или, что несколько сбивает с толку, флюориты. Флюориты стоят дешевле, но корректируются почти так же хорошо, как и апохроматы; в результате они обычно также хорошо подходят для микрофотографии в белом свете.

Другие геометрические аберрации . К ним относятся различные эффекты, в том числе астигматизм , кривизна поля и коматика, которые легко корректируются с помощью правильной линзы.Тема кривизны поля уже подробно обсуждалась в предыдущем разделе. Коматические аберрации аналогичны сферическим аберрациям, но они возникают только у объектов вне оси и наиболее выражены, когда микроскоп не отрегулирован. В этом случае изображение точки асимметрично, что приводит к кометоподобной форме (отсюда и термин кома). Кома часто считается наиболее проблематичной аберрацией из-за асимметрии, которую она вызывает в изображениях. Это также одна из самых простых аберраций для демонстрации.В яркий солнечный день с помощью увеличительного стекла сфокусируйте изображение солнца на тротуаре и слегка наклоните стекло по отношению к основным солнечным лучам. Изображение солнца, проецируемое на бетон, затем вытягивается в форму кометы, что характерно для коматической аберрации.

Четкая форма, отображаемая на изображениях с коматической аберрацией, является результатом различия преломления световых лучей, проходящих через различные зоны линзы при увеличении угла падения.Серьезность коматической аберрации является функцией тонкой формы линзы, которая в крайнем случае приводит к тому, что меридиональные лучи, проходящие через периферию линзы, достигают плоскости изображения ближе к оси, чем лучи, проходящие ближе к оси и ближе к главной линзе. луч (см. рис. 7). В этом случае периферийные лучи дают наименьшее изображение, и говорят, что знак аберрации комы равен отрицательных . Напротив, когда периферийные лучи фокусируются дальше по оси и создают изображение гораздо большего размера, аберрация называется положительной .Форма «кометы» может иметь «хвост», направленный к центру поля зрения или от него, в зависимости от того, имеет ли коматическая аберрация положительное или отрицательное значение.

Коматические аберрации обычно исправляются с помощью сферических аберраций или путем создания линз различной формы для устранения этой ошибки. Объективы, предназначенные для получения превосходных изображений для окуляров с широким полем зрения, должны быть скорректированы на кому и астигматизм с помощью специально разработанной многоэлементной оптики в тубусной линзе, чтобы избежать этих артефактов на периферии поля зрения. .

Аберрации астигматизма похожи на коматические аберрации, однако эти артефакты не так чувствительны к размеру апертуры и сильнее зависят от угла наклона светового луча. Аберрация проявляется внеосевым изображением точки образца в виде линии или эллипса вместо точки. В зависимости от угла внеосевых лучей, входящих в линзу, линейчатое изображение может быть ориентировано в одном из двух разных направлений (рис. 8): тангенциально (меридионально) или сагиттально (экваториально).Коэффициент интенсивности единичного изображения будет уменьшаться, при этом четкость, детализация и контрастность будут теряться по мере увеличения расстояния от центра.

Ошибки астигматизма обычно исправляются конструкцией объективов, обеспечивающей точное расстояние между отдельными элементами линзы, а также соответствующие формы линз и показатели преломления. Коррекция астигматизма часто осуществляется в сочетании с исправлением кривизны поля аберраций.

Из нашего обсуждения оптических аберраций должно быть ясно, что существует ряд факторов, влияющих на работу оптических элементов микроскопа.Несмотря на то, что в последние годы был достигнут огромный прогресс в исправлении этих артефактов, дизайнерам по-прежнему очень трудно полностью устранить или подавить все усложняющие оптические проблемы, связанные с микроскопией.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц — Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Melville, New York, 11747.

Michael W. Davidson — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 East Paul Dirac Dr ., The Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310.

Продольная и поперечная хроматическая аберрация

Поскольку показатель преломления пропускающей среды зависит от длины волны света, при прохождении белого света через такую ​​среду возникает дисперсия. Преломление сильнее для света с короткими длинами волн, например синего, и менее интенсивно для света с длинными волнами, например для красного.

Различные виды стекол вызывают преломление или рассеивание различной интенсивности.В фотообъективах происходит тот же эффект. Поэтому необходимо исправлять эти аберрации, иначе вы увидите эти эффекты на изображениях.

Существует два основных типа хроматических аберраций:
БОКОВАЯ (или поперечная) и ПРОДОЛЬНАЯ хроматическая аберрация.


Имеется ПРОДОЛЬНАЯ ХРОМАТИЧЕСКАЯ АБЕРРАЦИЯ , если объектив не может фокусировать разные цвета в одной фокальной плоскости. Это вызвано прямым падающим светом.Фокусы разных цветов лежат в разных точках в продольном направлении вдоль оптической оси.

Продольная хроматическая аберрация приводит к цветным областям на изображениях, которые возникают из-за того, что не все три цвета могут отображаться в фокусе.


Наклонно падающий свет приводит к БОКОВАЯ ХРОМАТИЧЕСКАЯ АБЕРРАЦИЯ . В этом случае все цвета находятся в фокусе в одной плоскости, но фокусы не расположены вдоль оптической оси.

Этот вид аберрации приводит не к цветным областям, а к полосам вокруг объектов с высокой контрастностью, поскольку увеличение зависит от длины волны.

Одним из способов исправления хроматической аберрации является использование разных линз в одной оптической системе. Разные типы очков преломляют свет с разной интенсивностью, поэтому, комбинируя разные типы очков, можно уменьшить аберрации. Примером может служить ахромат — оптическая система, сочетающая в себе преломляющую и рассеивающую линзы.

Выпуклая линза преломляет лучи коротких волн (синие) сильнее, чем лучи длинных волн (красные), а вогнутая линза, следующая за ней, делает обратное: она рассеивает красные лучи сильнее, чем синие.

Станьте первым комментатором

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

2019 © Все права защищены. Интернет-Магазин Санкт-Петербург (СПБ)