Виды аберраций: Что такое аберрации объектива. Виды аберраций

Аберрация оптической системы – характеристика и основные виды

Аберрация оптической системы – это искажения изображений, которые возникают на выходе из оптической системы. Название происходит от лат. aberratio — уклонение, удаление. Искажения состоят в том, что оптические изображения не полностью соответствуют предмету. Это проявляется в размытости изображения и называется монохроматической геометрической аберрацией либо окрашенности изображения — хроматической аберрацией оптической системы. Чаще всего оба вида аберрации проявляются вместе.
В приосевой (параксиальной) области оптическая система работает практически идеально, точка отображается точкой, а прямая — прямой и т.д. Однако, по мере отдаления точки от оптической оси, лучи от нее пересекаются в плоскости изображения не в одной точке. Таким образом, возникает круг рассеивания, т.е. возникают аберрации.
Величину аберрации можно определить путем расчёта по геометрическим и оптическим формулам через сравнение координат лучей, а также приближённо при помощи формул теории аберраций.

В 1856 году немецкий ученый Зайдель в результате анализа световых лучей установил пять аберраций объектива, появляющихся при прохождении через объектив монохромного света (т.е. света одной волны). Эти аберрации, описанные ниже, называются пятью аберрациями Зайделя. Монохроматические геометрические аберрации оптических систем являются следствием их несовершенства и проявляются в монохроматичном свете. В отличие от идеальной оптической системы, в которой все лучи от какой-либо точки предмета в меридиональной плоскости после прохождения через систему концентрируются в одной точке, в реальной оптической системе пересечение плоскости изображения этими лучами происходит в разных точках. Координаты этих точек зависят от направления луча, координат точки пересечения с плоскостью входного зрачка и конструктивных элементов оптической системы (радиусы поверхностей, толщина оптических элементов, коэффициенты преломления линз и тд.).

Проявляется в несовпадении фокусов для лучей света, проходящих на разных расстояниях от оптической оси, вследствие чего нарушается гомоцентричность пучков лучей от точечного источника, хотя симметрия этих пучков сохраняется. Это единственный вид геометрической аберрации, которая имеет место даже тогда, когда исходная точка расположена на главной оптической оси системы. При сферической аберрации цилиндрический пучок лучей после преломления линзой приобретает вид не конуса, а воронкообразной фигуры. Изображение точки имеет дисковую форму с неоднородной освещённостью. Причиной является тот факт, что преломляющие поверхности линз пересекаются с лучами широкого пучка под различными углами, из-за чего удалённые лучи преломляются сильнее и образуют свои точки схода на некотором отдалении от фокальной плоскости.

Аберрация Кома нарушает гомоцентричность широких световых пучков, которые входят в систему под углом к оптической оси. На оси центрированных оптических систем кома отсутствует. Каждый участок кольцевой зоны оптической системы, удалённый от оси на расстояние R даёт кольцо изображения точки, радиус которого увеличивается с увеличением R. Из-за несовпадения центров колец происходит их наложение, что приводит к тому, что изображение точки, формируемое оптической системой, принимает форму несимметричного пятна рассеяния с максимальной освещённостью у вершины фигуры рассеяния, напоминающего комету. В сложных оптических системах кому корректируют вместе со сферической аберрацией путем подбора линз. Системы без коматической и сферической аберрации называют апланатами.

Если для объектива исправлены сферическая аберрация и кома, т.е. точка объекта, расположенная на оптической оси, правильно воспроизводится в виде точки изображения, но при этом точка объекта, не лежащая на оси, воспроизводится на изображении не в виде точки, а в виде эллипса или линии, то такой тип аберрации называется астигматизмом. Причиной возникновения является различная кривизна оптической поверхности в различных плоскостях сечения, а углы преломления лучей пучка зависят от углов их падения.  При прохождении через оптическую систему лучи пересекаются на разном расстоянии от преломляющей поверхности. В результате в разных сечениях фокус светового пучка оказывается в разных точках.

Проявляется в том, что изображение плоского (перпендикулярного к оптической оси) объекта находится на поверхности, вогнутой либо выпуклой по отношению к объективу, что делает резкость неравномерной по полю изображения. При резкой фокусировке центральной части изображения края будут лежать не в фокусе (не резкими) и наоборот. Кривизна поля изображения, как правило, достигает больших значений у простых объективов (до 4 линз). Корректируется подбором кривизны поверхностей и толщины линз, а также расстояний между ними. Для качественного исправления, с учетом других видов аберраций, необходимо присутствие в составе не менее двух отрицательных линз. При диафрагмировании отрицательное влияние кривизны поля на качество изображения уменьшается.

Дисторсией (искривлением) является изменение линейного увеличения по полю зрения, что приводит к нарушению геометрического подобия между объектом и его изображением. Этот вид аберрации не зависит от координат пересечения луча и плоскости входного зрачка, но зависит от расстояния от источника до оптической оси. Оптическая система без дисторсии называется ортоскопической. В объективах с симметричной конструкцией проявляется незначительно. Для устранения дисторсии применяют подбор линз и других элементов при разработке оптической системы. В цифровой фотографии дисторсия может быть исправлена с помощью компьютерной обработки.

Излучение большинства источников света характеризуется сложным спектральным составом, что приводит к возникновению хроматических аберраций, которые, в отличие от геометрических, могут возникать и в параксиальной области. Дисперсия (рассеивание) света – зависимость показателя преломления оптического элемента от длины волны света, является причиной возникновения двух видов хроматических аберраций: хроматизма положения фокусов и хроматизма увеличения. В первом случае, который еще называют продольным хроматизмом, возникает смещение плоскости изображения для разных длин волн, во втором — изменяется поперечное увеличение. Хроматические аберрации проявляются в окрашивании изображения, в появлении у него цветных контуров, отсутствующих у источника. К хроматическим аберрациям относят также хроматические разности геометрических аберраций, в частности, хроматическую разность сферических аберраций (сферохроматизм) для лучей различных длин волн и хроматическую разность аберраций наклонных пучков.

Причиной дифракционной аберрации является волновая природа света. Возникает, как результат дифракции света на диафрагме и оправе объектива. Препятствует увеличению разрешающей способности фотообъектива. Из-за дифракционной аберрации ограничено минимальное угловое расстояние между точками, разрешаемое объективом. Высококачественные объективы подвержены ей в той же степени, что и простые. Полностью принципиально не устранима, однако может быть уменьшена путем увеличения апертуры оптической системы.

Устранить аберрации полностью в оптических системах невозможно. Важно свести их к минимально допустимым значениям, которые обусловлены техническими требованиями и стоимостью изготовления системы.

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

Типы аберрации и способы их устранения. Геометрические и хроматические аберрации объективов

1. Введение в теорию аберраций

Когда речь идет о характеристиках объектива, очень часто приходится слышать слово аберрации . «Это отличный объектив, в нем практически исправлены все аберрации!», — тезис, который очень часто можно встретить в обсуждениях или обзорах. Гораздо реже можно услышать и диаметрально противоположное мнение, к примеру: «Это замечательный объектив, его остаточные аберрации хорошо выражены и формируют необыкновенно пластичный и красивый рисунок»…

Почему же возникают такие разные мнения? Я попробую дать ответ на этот вопрос: насколько это явление действительно хорошо/плохо для объективов и для жанров фотографии в целом. Но для начала, давайте попробуем разобраться, что, же такое аберрации фотографического объектива. Начнем мы с теории и некоторых определений.

В общем применении термин Аберрация (лат. ab- «от» + лат. errare «блуждать, заблуждаться») — это отклонение от нормы, ошибка, некое нарушение нормальной работы системы.

Аберрация объектива — ошибка, или погрешность изображения в оптической системе. Она вызвана тем, что в реальной среде может возникать существенное отклонение лучей от того направления, по которому они идут в расчетной «идеальной» оптической системе.

В итоге страдает общепринятое качество фотографического изображения: недостаточная резкость в центре, потеря контраста, сильная нерезкость по краям, искривление геометрии и пространства, цветные ореолы и т.п.

Основные аберрации, характерные для фотографических объективов, следующие:

1. Коматическая аберрация.
2. Дисторсия.
3. Астигматизм.
4. Кривизна поля изображения.

Перед тем как познакомиться поближе с каждой из них, давайте вспомним из статьи , как происходит прохождение через линзу лучей в идеальной оптической системе:

Илл. 1. Прохождение лучей в идеальной оптической системе.

Как мы видим, все лучим при этом собираются в одной точке F — главном фокусе. Но в реальности, все обстоит намного сложнее. Сущность оптических аберраций в том, что лучи, падающие на линзу из одной светящейся точки, не собираются тоже в одной точке. Итак, давайте посмотрим, какие отклонения происходят в оптической системе при воздействии различных аберраций.

Тут еще надо сразу отметить, что и в простой линзе и в сложном объективе все далее описываемые аберрации действуют совместно.

Действие сферической аберрации состоит в том, что лучи, падающие на края линзы, собираются ближе к линзе, чем лучи, падающие на центральную часть линзы. Вследствие этого, изображение точки на плоскости получается в виде размытого кружка или диска.

Илл. 2. Сферическая аберрация.

В фотографиях действие сферической аберрации проявляется в виде смягченного изображения. Особенно часто эффект заметен на открытых диафрагмах, причем объективы с большей светосилой больше подвержены этой аберрации. Если при этом сохраняется и резкость контуров, такой софт-эффект может быть весьма полезным для некоторых видов съемки, например, портретной.

Илл.3. Софт-эффект на открытой диафрагме обусловленный действием сферической аберрации.

В объективах построенных полностью из сферических линз практически невозможно полностью устранить этот вид аберраций. В сверхсветосильных объективах единственный эффективный способ ее существенной компенсации — использование асферических элементов в оптической схеме.

3. Коматическая аберрация, или «Кома»

Это частный вид сферической аберрации для боковых лучей. Действие ее заключается в том, что лучи, приходящие под углом к оптической оси не собираются в одной точке. При этом изображение светящейся точки на краях кадра получается в виде «летящей кометы», а не в форме точки. Кома также может привести к засвечиванию участков изображения в зоне нерезкости.

Илл. 4. Кома.

Илл. 5. Кома на фотоизображении

Является прямым следствием дисперсии света. Суть ее состоит в том, что луч белого света, проходя через линзу, разлагается на составляющие его цветные лучи. Коротковолновые лучи (синие, фиолетовые) преломляются в линзе сильнее и сходятся ближе к ней, чем длиннофокусные (оранжевые, красные).

Илл. 6. Хроматическая аберрация. Ф — фокус фиолетовых лучей. К — фокус красных лучей.

Здесь, как и в случае сферической аберрации, изображение светящейся точки на плоскости, получается в виде размытого кружка/диска.

На фотографиях хроматическая аберрация проявляется в виде посторонних оттенков и цветных контуров у объектов съемки. Особенно заметно влияние аберрации в контрастных сюжетах. В настоящее время ХА достаточно легко исправляется в RAW-конверторах, если съемка велась в RAW-формате.

Илл. 7. Пример проявления хроматической аберрации.

5. Дисторсия

Дисторсия проявляется в искривлении и искажении геометрии фотоснимка. Т.е. масштаб изображения меняется с удалением от центра поля к краям, вследствие чего прямые линии искривляются к центру или к краям.

Различают бочкообразную или отрицательную (наиболее характерна для широкого угла) и подушкообразную или положительную дисторсию (чаще проявляется на длинном фокусе).

Илл. 8. Подушкообразная и бочкообразная дисторсия

Дисторсия намного сильнее обычно выражена у объективов с переменным фокусным расстоянием (зумы), чем у объективов с постоянным фокусным (фиксы). У некоторых эффектных объективов, например Fish Eye (Рыбий глаз), намеренно не исправляется и даже подчеркивается дисторсия.

Илл. 9. Ярко-выраженная бочкообразная дисторсия объектива Zenitar 16 mm FishEye.

В современных объективах, в том числе с переменным фокусным расстоянием, дисторсия достаточно эффективно корректируется введением в оптическую схему асферической линзы (или нескольких линз).

6. Астигматизм

Астигматизм (от греч. Stigma — точка) характеризуется в невозможности получить на краях поля изображения светящейся точки и в виде точки и даже в виде диска. При этом светящаяся точка, находящаяся на главной оптической оси, передается как точка, но если точка вне этой оси — как затемнение, скрещенные линии и т.д.

Это явление чаще всего наблюдается по краям изображения.

Илл. 10. Проявление астигматизма

7. Кривизна поля изображения

Кривизна поля изображения — это аберрация, в результате которой изображение плоского объекта, перпендикулярного к оптической оси объектива, лежит на поверхности, вогнутой либо выпуклой к объективу. Эта аберрация вызывает неравномерную резкость по полю изображения. Когда центральная часть изображения фокусирована резко, то его края будут лежать не в фокусе, и изобразятся не резко. Если установку на резкость производить по краям изображения, то его центральная часть будет нерезкой.

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 – .
Первый урок – бесплатно!

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Статья описывает базовые понятия аберраций, классификацию аберраций, а также возможные методики устранения аберраций применительно к микроскопным объективам. В статье описана методика выбора микроскопных объективов исходя из задач исследователя.

Аберрации в оптических системах — погрешность изображения, вызванная любым отклонением реальных лучей от геометрических направлений по которым они должны были бы идти в идеальной оптической системе. Аберрации можно классифицировать на монохроматические (то есть присущие монохроматическим лучам – лучам одной длины волны) и хроматические.

Монохроматические аберрации

Монохроматические аберрации – погрешности, присущие любой реальной оптической системе. Возникновение связано с тем, что поверхности, преломляющие лучи неспособны собрать в точку широкие пучки лучей, падающие на них под большими углами. Монохроматические аберрации приводят к искажению изображения точки в некоторую фигуру рассеяния, что снижает четкость изображения и нарушает подобие изображения и предмета.

Монохроматические аберрации классифицируют пятью аберрациями Зейделя:

S I — сферическая аберрация

Сферическая аберрация оптических систем из-за несовпадения фокусов для лучей света проходящих на разных расстояниях от оптической оси. Нарушает гомоцентричность пучка света, но не нарушает симметричность.
Существует несколько путей исправления сферической аберрации:

Во-первых, снижение кривизны линзы (использование стекла с большим показателем преломления в совокупности с увеличением радиусов поверхностей линзы, сохраняя, тем самым, ее оптическую силу).
Во-вторых, применением комбинации из положительных и отрицательных линз. Обычно параллельно с исправлением сферической аберрации исправляют также хроматические аберрации.
В-третьих, применяют диафрагмирование – отсечение краевых лучей широкого пучка. Способ позволяет снизить значение рассеяния, но непригоден для оптических систем требующих высокой светосилы.
Полностью избавиться от сферической аберрации невозможно, но способы снизить ее эффективно применяются в микроскопии.

S II – кома

Аберрация Кома обусловлена тем, что лучи, приходящие под углом к оптической оси, собираются не в одной точке. Методика исправления Комы схожа с методикой исправления сферических аберраций и, в основном, строится на использовании комбинаций положительных и отрицательных линз.

S III – астигматизм

Астигматизм оптической системыАберрация, при которой изображение точки, лежащей вне оси и сформированное узким пучком лучей представляет собой два перпендикулярных отрезка расположенных на разном расстоянии плоскости Гаусса (плоскости безаберрационного фокуса).

Астигматизм не может быть исправлен диафрагмированием, т.к. проявляется и на узких пучках. Для коррекции астигматизма применяют дуплеты положительных и отрицательных линз.

S IV – кривизна поля изображения

Аберрация, при которой изображение плоского объекта, перпендикулярного оси оптической системы лежит на выпуклой или вогнутой (обычно сферической в случае симметричной оптики) поверхности относительно объектива.

Погрешность вносимая аберрацией, очень сильно сказывается в микроскопии, так как получаемое изображение плоского объекта не находится полностью в фокальной плоскости и, таким образом, на нескорректированной системе мы не можем наблюдать полностью резкое изображение объекта по всему полю.

Кривизна поля корректируется при помощи расчета системы содержащей две и более отрицательных линз, а также использующей воздушное пространство между линзами.

S V – дисторсия

Дисторсия – изменение коэффициента линейного увеличения оптической системы по полю зрения. Дисторсия не приемлема в микроскопии, так как система, подверженная дисторсии, не обеспечивает геометрическое подобие наблюдаемого объекта и его изображения. Дисторсия исправляется подбором линз на этапе проектировки объектива. Также возможно исправление дисторсии на этапе компьютерной обработки изображения.

Хроматические аберрации (ХА)

Хроматические аберрации – погрешности вносимые в изображение разницей коэффициента преломления для пучков с различными длинами волн.
При прохождении света через оптические материалы наблюдается дисперсия – разложение белого света на спектр. Именно явление дисперсии запечатлено на самой знаменитой обложке музыкального альбома 20 века — Pink Floyd – The Dark Side of the Moon.

Для любой оптической линзы коэффициент преломления синих лучей, как правило, больше, чем красных, поэтому точка фокуса синих лучей F blue расположена ближе к задней главной точке линзы, чем точка фокуса красных лучей F red . Отсюда следует, что лучи, полученные разложением белого света, будут иметь различное фокусное расстояние. Единого фокусного расстояния у одной линзы не существует, а есть совокупность фокусных расстояний — по одному фокусу на луч каждого цвета.

Разность F blue -F red это и есть «хроматизм положения» (или хроматической разностью положения, продольной хроматической аберрацией)

Диафрагмирование несколько уменьшает хроматизм положения. При этом изображения предмета в лучах разного цвета будут находиться на разных расстояниях от задней главной точки. Если наводить оптическую систему на резкость по красным лучам, изображение в синих лучах будет не в фокусе, и наоборот.

Конструкция микроскопных объективов рассчитана на устранение хроматических аберраций. Система линз, выполняющих сближение фокусов двух (например, синих и жёлтых) лучей, называется ахроматической, а при сближении фокусов трёх лучей -апохроматической системой.

Основное правило при исправлении ХА является исправление ХА суммарно для всей системы. Нет необходимости исправлять хроматизм каждого элемента. Важно, чтобы суммарная положительная и отрицательная дисперсия элементов системы была равна нулю.

Критерии при выборе микроскопных объективов

Рассмотрев основные типы различных оптических аберраций мы можем описать основные критерии при выборе объективов для лабораторного микроскопа, ведь именно характеристиками объектива определяются разрешающая способность микроскопа, дисторсия, возможность проведения точных измерений, возможность качественного получения большого поля изображения при сильном увеличении путем сшивки частичных полей.
В большинстве случаев при выборе объективов работает правило, что чем качественнее и дороже объектив – тем он лучше для решения любых задач. Но на самом деле, во-первых, это не всегда абсолютно достоверно, во-вторых – экономическую составляющую вопроса это правило не затрагивает. А ведь порой именно она играет решающую роль при выборе оборудования того или иного класса.

Объективы для микроскопов делятся на различные классы в зависимости от коррекции монохроматических и хроматических аберраций. Каждый производитель имеет свою классификацию и свои уникальные названия для каждого из классов, что крайне усложняет прозрачность выбора той или иной линейки.

Все производители различают три больших класса объективов: Ахроматы, Полу-апохроматы (или Флюотары) и Апохроматы. Критерием внесения объектива в тот или иной класс будет являться сходимость фокальных плоскостей для трех основных цветов: красного, зеленого и синего.

Компания Leica Microsystems предлагает следующую оценку критериев (она может незначительно отличаться от оценки других производителей – Zeiss, Olympus, Nikon и др). Эта оценка дает максимально прозрачное представление коррекции ХА в зависимости от класса объектива.

* DoF – Depth of field – глубина резко изображаемого пространства

Каждый класс объективов делится на несколько групп в зависимости от задач применения. В основном речь идет о коррекции монохроматических аберраций, к примеру, План Ахромат и просто Ахромат будут отличаться наличием коррекции сферы, кривизны поля и дисторсии у объектива План Ахромат.

Дополнительно некоторые объективы имеют конструктивные отличия, к примеру, LD (Long distance) объективы – объективы с увеличенным рабочим расстоянием для работы с чашками Петри в биологии, или контроля объектов со сложной топографией в материаловедении. PH – объективы для фазового контраста с установленным фазовым кольцом (могут использоваться и в светлом поле, но светопропускание таких объективов ниже). OIL-объективы с использованием иммерсионного масла и т.д.

АБЕРРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ (от латинского aberratio — уклонение), искажения изображений, создаваемых оптическими системами. Проявляются в том, что оптические изображения не вполне отчётливы, неточно соответствуют объектам или оказываются окрашенными. Существует несколько видов аберраций. Наиболее распространёнными являются хроматическая аберрация и следующие геометрические 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 оптической 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 кружка с ярким ядром и ослабевающим по яркости ореолом (так называемый кружок рассеяния). Специальным подбором линз (собирающих и рассеивающих) сферическую аберрацию можно почти полностью устранить.

Астигматизм проявляется в том, что изображение точки, не лежащей на главной оптической 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 оптической поверхности в разных плоскостях сечения падающего на неё светового пучка и возникает либо вследствие асимметрии оптической системы (например, в цилиндрических линзах), либо в обычных сферических 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 (смотри Астигматизм глаза).

При наклонном падении лучей на оптическую 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 оптической системы и угловому удалению точки-объекта от оптической оси. Кома велика в телескопах с параболическими зеркалами. Исправляют кому подбором линз.

Для дисторсии характерно нарушение геометрического подобия между объектом и его изображением. Дисторсия обусловлена неодинаковым линейным увеличением оптической системы на разных участках изображения. Пример искажений, которые даёт система, обладающая дисторсией, приведён на рисунке 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 оптической 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 оптических системах кривизну поля исправляют, сочетая линзы с поверхностями разной кривизны.

Оптические системы могут обладать одновременно несколькими аберрациями, устранить их все сразу — очень сложная задача. Обычно аберрации устраняют частично в зависимости от назначения оптической системы. В некоторых случаях используют методы адаптивной оптики.

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

Несовершенства изображений, формируемых оптической 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.

Лит.: Борн М., Вольф Э. Основы оптики. 2-е изд. М., 1973; Слюсарев Г. Г. Расчет оптических систем. 2-е изд. Л., 1975.

Аберрация оптической системы – это искажения изображений, которые возникают на выходе из оптической системы. Название происходит от лат. aberratio — уклонение, удаление. Искажения состоят в том, что оптические изображения не полностью соответствуют предмету. Это проявляется в размытости изображения и называется монохроматической геометрической аберрацией либо окрашенности изображения — хроматической аберрацией оптической системы. Чаще всего оба вида аберрации проявляются вместе.
В приосевой (параксиальной) области оптическая система работает практически идеально, точка отображается точкой, а прямая — прямой и т.д. Однако, по мере отдаления точки от оптической оси, лучи от нее пересекаются в плоскости изображения не в одной точке. Таким образом, возникает круг рассеивания, т.е. возникают аберрации.
Величину аберрации можно определить путем расчёта по геометрическим и оптическим формулам через сравнение координат лучей, а также приближённо при помощи формул теории аберраций.
Существует описание явления аберрации как в лучевой теории (отступление от идентичности описывается через геометрические аберрации и фигуры рассеяния лучей), так и в представлениях волновой оптики (оценивается деформация сферической световой волны по пути через оптическую систему). Обычно, для характеристики объектива с большими аберрациями используются геометрические аберрации, в противном случае применяются представления волновой оптики.

В 1856 году немецкий ученый Зайдель в результате анализа световых лучей установил пять аберраций объектива, появляющихся при прохождении через объектив монохромного света (т.е. света одной волны). Эти аберрации, описанные ниже, называются пятью аберрациями Зайделя. Монохроматические геометрические аберрации оптических систем являются следствием их несовершенства и проявляются в монохроматичном свете. В отличие от идеальной оптической системы, в которой все лучи от какой-либо точки предмета в меридиональной плоскости после прохождения через систему концентрируются в одной точке, в реальной оптической системе пересечение плоскости изображения этими лучами происходит в разных точках. Координаты этих точек зависят от направления луча, координат точки пересечения с плоскостью входного зрачка и конструктивных элементов оптической системы (радиусы поверхностей, толщина оптических элементов, коэффициенты преломления линз и тд.).

Проявляется в несовпадении фокусов для лучей света, проходящих на разных расстояниях от оптической оси, вследствие чего нарушается гомоцентричность пучков лучей от точечного источника, хотя симметрия этих пучков сохраняется. Это единственный вид геометрической аберрации, которая имеет место даже тогда, когда исходная точка расположена на главной оптической оси системы. При сферической аберрации цилиндрический пучок лучей после преломления линзой приобретает вид не конуса, а воронкообразной фигуры. Изображение точки имеет дисковую форму с неоднородной освещённостью. Причиной является тот факт, что преломляющие поверхности линз пересекаются с лучами широкого пучка под различными углами, из-за чего удалённые лучи преломляются сильнее и образуют свои точки схода на некотором отдалении от фокальной плоскости.

Аберрация Кома нарушает гомоцентричность широких световых пучков, которые входят в систему под углом к оптической оси. На оси центрированных оптических систем кома отсутствует. Каждый участок кольцевой зоны оптической системы, удалённый от оси на расстояние R даёт кольцо изображения точки, радиус которого увеличивается с увеличением R. Из-за несовпадения центров колец происходит их наложение, что приводит к тому, что изображение точки, формируемое оптической системой, принимает форму несимметричного пятна рассеяния с максимальной освещённостью у вершины фигуры рассеяния, напоминающего комету. В сложных оптических системах кому корректируют вместе со сферической аберрацией путем подбора линз. Системы без коматической и сферической аберрации называют апланатами.

Если для объектива исправлены сферическая аберрация и кома, т.е. точка объекта, расположенная на оптической оси, правильно воспроизводится в виде точки изображения, но при этом точка объекта, не лежащая на оси, воспроизводится на изображении не в виде точки, а в виде эллипса или линии, то такой тип аберрации называется астигматизмом. Причиной возникновения является различная кривизна оптической поверхности в различных плоскостях сечения, а углы преломления лучей пучка зависят от углов их падения. При прохождении через оптическую систему лучи пересекаются на разном расстоянии от преломляющей поверхности. В результате в разных сечениях фокус светового пучка оказывается в разных точках.
Существует такое положение на поверхности изображения, когда все лучи пучка в меридиональной (или перпендикулярной ей сагиттальной) плоскости пересекутся на этой поверхности. Астигматический пучок изображает точку в форме двух астигматических фокальных линий на фокальных поверхностях, имеющих форму поверхностей вращения, и касающихся друг друга в точке оси системы. Если для некоторой точки поля положения этих поверхностей не совпадают, имеет место астигматизм или астигматическую разность меридионального и сагиттального фокусов. Астигматизм называют положительным, если меридиональные фокусы находятся ближе к поверхности преломления, чем сагиттальные, в противном случае — отрицательным.

Проявляется в том, что изображение плоского (перпендикулярного к оптической оси) объекта находится на поверхности, вогнутой либо выпуклой по отношению к объективу, что делает резкость неравномерной по полю изображения. При резкой фокусировке центральной части изображения края будут лежать не в фокусе (не резкими) и наоборот. Кривизна поля изображения, как правило, достигает больших значений у простых объективов (до 4 линз). Корректируется подбором кривизны поверхностей и толщины линз, а также расстояний между ними. Для качественного исправления, с учетом других видов аберраций, необходимо присутствие в составе не менее двух отрицательных линз. При диафрагмировании отрицательное влияние кривизны поля на качество изображения уменьшается.

Дисторсией (искривлением) является изменение линейного увеличения по полю зрения, что приводит к нарушению геометрического подобия между объектом и его изображением. Этот вид аберрации не зависит от координат пересечения луча и плоскости входного зрачка, но зависит от расстояния от источника до оптической оси. Оптическая система без дисторсии называется ортоскопической. В объективах с симметричной конструкцией проявляется незначительно. Для устранения дисторсии применяют подбор линз и других элементов при разработке оптической системы. В цифровой фотографии дисторсия может быть исправлена с помощью компьютерной обработки.

Излучение большинства источников света характеризуется сложным спектральным составом, что приводит к возникновению хроматических аберраций, которые, в отличие от геометрических, могут возникать и в параксиальной области. Дисперсия (рассеивание) света – зависимость показателя преломления оптического элемента от длины волны света, является причиной возникновения двух видов хроматических аберраций: хроматизма положения фокусов и хроматизма увеличения. В первом случае, который еще называют продольным хроматизмом, возникает смещение плоскости изображения для разных длин волн, во втором — изменяется поперечное увеличение. Хроматические аберрации проявляются в окрашивании изображения, в появлении у него цветных контуров, отсутствующих у источника. К хроматическим аберрациям относят также хроматические разности геометрических аберраций, в частности, хроматическую разность сферических аберраций (сферохроматизм) для лучей различных длин волн и хроматическую разность аберраций наклонных пучков.

Причиной дифракционной аберрации является волновая природа света. Возникает, как результат дифракции света на диафрагме и оправе объектива. Препятствует увеличению разрешающей способности фотообъектива. Из-за дифракционной аберрации ограничено минимальное угловое расстояние между точками, разрешаемое объективом. Высококачественные объективы подвержены ей в той же степени, что и простые. Полностью принципиально не устранима, однако может быть уменьшена путем увеличения апертуры оптической системы.

Устранить аберрации полностью в оптических системах невозможно. Важно свести их к минимально допустимым значениям, которые обусловлены техническими требованиями и стоимостью изготовления системы.

Аберрации оптических систем — это… Что такое Аберрации оптических систем?

У термина «аберрация» есть и другие значения, см. аберрация.

Аберра́ции оптических систем — ошибки, или погрешности изображения в оптической системе, вызываемые отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в идеальной оптической системе. Аберрации характеризуют различного вида нарушения гомоцентричности ^[1] в структуре пучков лучей, выходящих из оптической системы.

Величины аберраций могут быть получены как сравнением координат лучей путём непосредственного расчёта по точным геометро-оптическим формулам, так и приближённо — с помощью формул теории аберраций.

При этом, возможно характеризовать аберрации, как критериями лучевой оптики, так и на основе представлений волновой оптики. В первом случае, отступление от гомоцентричности выражается через представление о геометрических аберрациях и фигурах рассеяния лучей в изображениях точек. Во втором случае, оценивается деформация прошедшей через оптическую систему сферической световой волны, вводя представление о волновых аберрациях. Оба способа описания взаимосвязаны, описывают одно и то же состояние, и различаются лишь формой описания.

Как правило, если объектив обладает большими аберрациями, то их проще характеризовать величинами геометрических аберраций, а если малыми, то на основе представлений волновой оптики.

Аберрации можно разделить на монохроматические, то есть присущие монохромным пучкам лучей, и хроматические.

Монохроматические аберрации

Такие погрешности изображений присущи всякой реальной оптической системе, и принципиально неустранимы. Их возникновение объясняется тем, что преломляющие поверхности неспособны собрать в точку сколько-нибудь широкие пучки лучей, падающие на них под большими углами. Эти аберрации приводят к тому, что изображением точки является некоторая размытая фигура (фигура рассеяния), а не точка, что, в свою очередь, отрицательно влияет на чёткость изображения и нарушает подобие изображения и предмета.

Теория аберраций

Теория геометрических аберраций устанавливает функциональную зависимость аберраций от координат падающего луча и конструктивных элементов оптической системы — от радиусов её поверхностей, толщин, показателей преломления линз и т. д.

Монохроматические аберрации третьего порядка

Теория аберраций ограничивается приближённым представлением составляющих аберраций (δg ‘ и δG’ ) в виде ряда, члены которого содержат некие коэффициенты (суммы переменных) а₁, а₂,…а_k, зависящие только от конструктивных элементов оптической системы и от положения плоскостей объекта и входного зрачка, но не зависящие от координат луча. Так например, меридиональная^[2] составляющая аберрации третьего порядка может быть представлена формулой:

где и  — координаты луча, входящие в качестве сомножителей членов ряда.

Число таких коэффициентов аберраций третьего порядка равно пяти и, как правило, они обозначаются буквами S_I, S_II, S_III, S_IV, S_V. Причём, в целях упрощения анализа, предполагают, что в формулах только один из коэффициентов не равен нулю, и определяет соответствующую аберрацию.

Каждым из пяти коэффициентов определяется одна из так называемых пяти аберраций Зейделя:

1. S_I — сферическая аберрация;
2. S_II — кома;
3. S_III — астигматизм;
4. S_IV — кривизна поля (поверхности) изображения;
5. S_V — дисторсия.

В реальных системах отдельные виды монохроматических аберраций почти никогда не встречаются. В действительности, наблюдается сочетание всех аберраций, а исследование сложной аберрационной фигуры рассеяния методом выделения отдельных видов аберраций (любого порядка) — не более чем искусственный приём, облегчающий анализ явления.

Монохроматические аберрации высших порядков

Как правило, картину распределения лучей в фигурах рассеяния заметно осложняет то, что на комбинацию всех аберраций третьего порядка налагаются аберрации высших порядков. Это распределение заметно меняется с изменением положения точки объекта и отверстия системы. Так например, сферическая аберрация пятого порядка, в отличие от сферической аберрации третьего порядка, отсутствует в точке на оптической оси, но при этом растёт пропорционально квадрату удаления от неё.

Влияние аберраций высших порядков возрастает, по мере роста относительного отверстия объектива, причём настолько быстро, что, на практике, оптические свойства светосильных объективов определяются именно высшими порядками аберраций.

Величины аберраций высших порядков учитываются на основании точного расчёта хода лучей через оптическую систему (трассировки). Как правило, с применением специализированных программ для оптического моделирования (Code V, OSLO, ZEMAX и пр.)

Хроматические аберрации

Хроматические аберрации, обусловленные дисперсией оптических сред, из которых образована оптическая система, то есть зависимостью показателя преломления оптических материалов, из которых изготовлены элементы оптической системы, от длины проходящей световой волны. Могут проявляться в постороннем окрашивании изображения, и в появлении у изображения предмета цветных контуров, которые у предмета отсутствовали.

К этим аберрациям относятся хроматическая аберрация (хроматизм) положения, иногда называемая «продольным хроматизмом», и хроматическая аберрация (хроматизм) увеличения.

Так же к хроматическим аберрациям принято относить хроматические разности геометрических аберраций, в основном, хроматическую разность сферических аберраций для лучей различных длин волн (так. наз. «сферохроматизм»), и хроматическую разность аберраций наклонных пучков.

«Дифракцио́нная аберрация»

Возникает вследствие дифракции света на диафрагме и оправе фотообъектива. Дифракционная аберрация ограничивает разрешающую способность фотообъектива. Из-за этой аберрации минимальное угловое расстояние между точками, разрешаемое объективом, ограничено величиной λ/D радиан, где λ (лямбда) — длина электромагнитной волны светового диапазона (волны с длиной от 400 нм до 700 нм), а D — диаметр объектива.

В оптических системах полностью устранить аберрации невозможно. Их доводят до минимально возможных значений, обусловленных техническими требованиями и ценой изготовления системы. Иногда, также, минимизируют одни аберрации за счёт увеличения других.

Примечания

1. ↑ Гомоцентрическим (гомоцентричным) называется пучок световых лучей, испускаемых светящейся точкой или сходящихся в одной точке.
2. ↑ То есть, лежащая в меридиональной плоскости.
   Меридиональной плоскостью, в оптических системах с центральной симметрией, будет любая плоскость, к которой принадлежит оптическая ось системы. В европейской и американской оптической литературе эта плоскость чаще именуется тангенциальной.
   Сагиттальной плоскостью, для любого пучка лучей лежащего в меридиональной плоскости, будет плоскость, включающая главный луч этого пучка, и перпендикулярная меридиональной плоскости.
   

Литература

См. также

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.

Хроматические аберрации: виды искажений на фото

17.10.2021

Хроматическая аберрация — это нарушение цветопередачи, которое проявляется в виде «бахромы» (контура) на контрастных объектах. Поговорим о том, какие бывают виды аберраций, почему они возникают и как от них избавиться.

Какими бывают цветовые искажения на снимках

Эффект хроматической аберрации возникает в тот момент, когда луч света проходит через линзу объектива, преломляется и распадается на спектральные цвета (от красного до фиолетового). Все цвета разноволновые по длине, поэтому у каждого будет собственный угол преломления, что в результате приводит к возникновению на фотографии разного рода искажений: цветовых полос, бликов или колец.

Показатели аберрации:

• цветные полосы по контуру объектов;
• радужные блики;
• разноцветные круги;
• нивелирование границ между контрастными объектами;
• падение четкости на локальных участках снимка;
• плавный переход одного цвета к другому на границах снимаемого объекта.

Проще говоря, хроматическая аберрация в фотографии — это цветовые искажения на изображении.

Пример хроматической аберрации

Классификация искажений

Хроматические аберрации оптических систем были теоретически обоснованы в позапрошлом столетии немецким математиком Ф. Л. Зейделем. Всего было выделено 5 разновидностей искажений. Они относились к монохроматическому, то есть черно-белому изображению, когда все лучи имеют одну длину волны. Позже, когда появилась цветная пленка, были обнаружены еще и цветовые аномалии.

Монохроматизм — погрешность, присущая оптике. Аномалии появляются оттого, что поверхности, преломляющие лучи, не могут собрать световые потоки в одну точку, если те падают на плоскости под большими углами.

Выделяют следующие типы аномалий:

Сферическая аберрация

Это нивелирование границ между объектами, которые слишком контрастны по отношению друг к другу. Возникает из-за несовпадения фокусов для лучей света проходящих на разных расстояниях от оптической оси.

Пример сферической аберрации

Кома

Выглядит как размытость по краям объекта, на профессиональном жаргоне называют «коматической засветкой». Также может иметь вид капли или кометы с большим светящимся хвостом. Вызывается разницей преломления между лучами, исходящими из одной точки, когда одна часть лучей проходит по краю объектива, а другая по центру.

Пример комы

Астигматизм

Изображение получается резче на одном участке фото, чем на другом. Появляется вследствие того, что лучи, находящиеся вне оптической оси объектива, имеют различные точки сходимости.

Астигматизм фотографии

Кривизна

Также проявляется неравномерной четкостью по всей поверхности снимка из-за особенностей формы линзы.

Кривизна поля изображения

Дисторсия

Это искажение прямых линий. В результате предметы по краям кадра выглядят неестественно сплюснутыми или вытянутыми. Об этом явлении мы поговорим чуть ниже.

Дисторсия

Сферическая и хроматическая аберрации, а также дисторсия — это основные искажения линз.

Главные типы аберраций

Итак, выделяют два основных вида искажений: те, что связаны с геометрией, и цветовые. Первый тип — это дисторсия, эффект, который легко убрать в программе для редактирования фото. Данное явление хорошо знакомо владельцам широкоугольных объективов, когда картинка по краям получается выпуклой или вогнутой.

Второй вид — непосредственно хроматическая аберрация, которая делиться на два подвида: продольная аберрация и поперечная. Причина хроматической аберрации заключается в явлении дисперсии и связана с разложением цвета на световые волны. А причина геометрической аберрации — в дисторсии и связана с кривизной волны. Оба эффекта обязаны своим явлением форме линзы, но если геометрию еще можно исправить, то убрать хроматическую аберрацию целиком не получится. Можно только свести их к минимуму.

Цветовые искажения практически невозможно убрать полностью

Продольная аберрация

Мы уже знаем, что свет при попадании на линзу преломляется и распадается на цвета радуги. Каждый цвет обладает разной длиной волны. Поэтому угол преломления у всех оттенков будет свой. Например, синий излучает сильнее, поэтому точка, где лучи сойдутся воедино, будет располагаться ближе к линзе. С красным цветом все наоборот.

Хроматизм положения (как еще называют продольную аберрацию) — это расхождение между показателями вышеупомянутых цветов. Если, например, равняться по красному цвету, то все части изображения, которые содержат синий цвет, окажутся не в фокусе. Избавиться от данного явления целиком нельзя. Можно лишь уменьшить его проявление до той степени, когда человеческий глаз перестает видеть различия.

Этого можно добиться использованием двух линз: сферической и обратно вогнутой. Первая будет рассеивать пучки света и отклонять их от изначальной оси. Вторая — собирать обратно, нейтрализуя действие первой. В результате мы получим необходимый оттенок. Такие линзы называют ахроматическими. Стоит отметить, что дешевая оптика «хроматит» гораздо сильнее, чем объективы элитной серии, так что обращайте внимание на качество оптической системы. Такие дуплеты устраняют большинство разновидностей аберраций.

Принцип построения ахроматической линзы

Хроматизм увеличения

Его также называют поперечной аберрацией. Возникает тогда, когда волны различной длины фокусируются в разных точках одной фокальной плоскости. Это та самая «бахрома», о которой мы упоминали в начале статьи. Чаще всего цвет искажается на периферии снимков и не возникает в центре. Бороться с этим эффектом путем уменьшения диафрагмы бесполезно. Зато можно исправить аберрации при постобработке.

Нередко при съемке фотографу приходится сталкиваться с двумя типами аберраций: продольной и поперечной. В этом случае в процессе съемки избавиться лучше от хроматизма положения, стараясь уменьшить значение диафрагмы. А проблему хроматизма увеличений решать уже при наличии соответствующего ПО.

Хроматизм увеличения

Как избавиться от хроматических аберраций во время съемки

С цветовыми аномалиями можно справиться в процессе постобработки. Но более действенный результат вас ожидает, если вы начнете бороться с проблемой еще перед началом съемки. Вот несколько практических советов, следуя которым вы сможете свести к минимуму проявление аберрации.

• Ставьте узкую диафрагму

Закрытие лепестков до f/2.8 — f/4 позволит минимизировать выраженность искажений. Чтобы компенсировать потерю света, увеличивайте светочувствительность и выдержку.

• Располагайте важные объекты подальше от периферии

Линза имеет свойство создавать искажения как раз по краям снимка, поэтому если другого выхода нет — нарушьте правило третей и скомпонуйте кадр со значимым объектом в центре. Конечно, во всем следует руководствоваться чувством меры и оставить данный пункт на крайний случай.

• Снимайте со средним фокусным расстоянием

Это поможет сделать дефекты менее заметными. Как вариант, вы можете снять одну и ту же картинку с разным фокусным расстоянием, а потом сделать компоновку в графическом редакторе.

• Избегайте контрастов

На фоне яркого неба ветви деревьев вероятнее всего приобретут цветную окантовку. Если есть возможность, перенесите часы съемки, измените фон или отредактируйте кадр в программе. В последнем случае съемку лучше производить в RAW формате, аберрации легче всего устраняются в специальном модуле «Камера RAW» в Фотошопе.

• Покупайте качественные объективы

Дорогая оптика изготовлена из хороших материалов и проектируется с использованием больших компьютеров для проведения головоломных расчетов и моделирования высокого уровня, что в итоге приводит к подавлению искажений различных типов. Но такое «стекло» и стоит отнюдь не копейки.

Используйте все возможные методы, чтобы подавить искажения еще на этапе съемки

Удаление хроматических аберраций в фоторедакторе

В статье мы рассмотрим как ликвидировать искажения на примере редактора Photoshop. Благодаря этому редактору
вы сможете исправить большинство различных дефектов и нарушений, возникших в процессе съемки. Как выглядит хроматическая аберрация? Обратите внимание на пример, расположенный ниже:

Цветной кант на шляпе свидетельствует о наличии хроматизма

Она проявляется в виде зелено-красной окантовки по краям шляпы ковбоя. Именно от этой неприятности мы и будем избавляться, причем сделаем это несколькими способами.

Метод 1. Камера RAW

Данный модуль является встроенным, начиная с версии Photoshop СC. В ранних модификациях его придется ставить вручную. Однако если вы постоянно работаете с фотографиями, то это скорее необходимость, чем вынужденная мера.

Откройте снимок в «Камере RAW». Выберите опцию «Коррекция дисторсии» —> «Цветность». Поставьте галочку напротив пункта «Удалить хроматическую аберрацию» и цветная окантовка по полю шляпы исчезнет.

Камера RAW — самый легкий способ устранения аберраций

Метод 2. Размытие по Гауссу

Переместите изображение на рабочую область программы. Сделайте дубликат слоя (Ctrl+J). Далее пройдите по пути «Фильтр» —> «Размытие» —> «Размытие по Гауссу…» и установите значение на 4px. Затем поменяйте параметр наложения для копии слоя на «Цветность». Сравните эффект до и после на скриншотах:

До

После

Метод 3. «Губка»

Хроматические аберрации на фото легко устранить при помощи инструмента «Губка». Все участки, к которым прикасается этот инструмент, обесцвечиваются. Посмотрите местонахождение «Губки» на скриншоте, выберите ее, установите значение нажима на 100% и, приблизив нужную область, аккуратно пройдитесь вдоль краев шляпы.

Работать нужно аккуратно, чтобы случайно не удалить цвет на соседних участках. Данный способ более затратный по времени, чем два других, но если с их помощью не удается достичь приемлемых результатов, то используем «Губку».

Устранить несовершенства можно при помощи инструмента «Губка»

Как сделать хроматические аберрации

Вся статья была посвящена тому, как избежать цветовых погрешностей на снимках, но иногда их добавляют специально на изображения для создания интересных эффектов. Поэтому теперь давайте научимся создавать искажения!

Выберите подходящую картинку, откройте в программе и, не делая копии слоя (!), перейдите во вкладку «Каналы». Здесь вы видите иконки, которые обозначают три RGB-цвета: красный, зеленый и голубой. Выберите один из каналов. «Глазики» напротив других слоев автоматически отключатся. Ваша задача включить верхний, цветной слой. При этом «глазики» опять зажгутся напротив всех слоев, но выделенным должен быть только один! Пусть это будет зеленый.

Возьмите инструмент «Перемещение» и на выделенном активном слое канала начните сдвигать изображение влево или вправо. Корректируйте степень толщины цветовых линий углом сдвига. То же самое вы можете проделать и с другими каналами. Это достаточно простой способ, который помогает добиться любопытного эффекта.

Применяйте цветовые искажения для добавления необычных эффектов

ФотоМАСТЕР — программа для стильной обработки

Кстати, об эффектах. Хотим вам рассказать об одной занятной программе, с помощью которой вы сможете добиться интересных снимков. ФотоМАСТЕР обладает русскоязычным интерфейсом, поэтому никаких головоломок с пониманием меню и лихорадочных метаний среди кнопок не возникнет. 100+ уникальных фильтров, способных подчеркнуть настроение фотографии, полуавтоматизированный процесс работы, который позволит выделить лучшие стороны снимка в несколько кликов, и несложная замена фона — вот чем вам понравится эта программа.

Среди других возможностей ФотоМАСТЕРА:

• пресеты для эффектной бьюти-ретуши;
• инструменты для пластики лица и фигуры;
• функция пакетной обработки снимков;
• быстрое удаление ненужных предметов или людей из кадра;
• изменение цвета отдельных элементов;
• обрезка и исправление геометрических искажений.

Избавиться от дисторсии легко. Загрузите снимок, зайдите в раздел «Инструменты» –> «Геометрия». Потяните бегунок на шкале «Дисторсия» влево, если хотите исправить вогнутость, и вправо, если требуется уменьшить выпуклость. Скачайте фоторедактор и добивайтесь идеальных снимков, убирая искажения любого рода!

Уберите дисторсию одним движением

Подводим итоги

Хроматическая аберрация линзы — это дефект, с которым фотографы борются с момента возникновения цветной пленки. Еще 20 лет назад, когда техника и графические редакторы не были особо качественными, хроматика сильно отравляла жизнь фотоделов. Сегодня большинство искажений можно устранить либо во время подготовки к съемке, либо при помощи постобработки. Не допускайте, чтобы в результате хроматической аберрации ваши фотографии потеряли привлекательность. Следуя информации из этой статьи, вы сможете избежать грубых ошибок.

аберраций | оптика | Britannica

аберрация , в оптических системах, таких как линзы и изогнутые зеркала, отклонение световых лучей через линзы, вызывающее размытие изображений объектов. В идеальной системе каждая точка объекта будет фокусироваться на точке нулевого размера на изображении. Однако на практике каждая точка изображения занимает объем конечного размера и несимметричной формы, вызывая некоторое размытие всего изображения. В отличие от плоского зеркала, которое дает изображения без аберраций, линза создает несовершенное изображение, становясь идеальным только для лучей, проходящих через ее центр параллельно оптической оси (линия, проходящая через центр, перпендикулярная поверхностям линз).Уравнения, разработанные для отношений объект-изображение в линзе, имеющей сферическую поверхность, являются только приближенными и касаются только параксиальных лучей — , то есть лучей, образующих лишь небольшие углы с оптической осью. Когда присутствует свет только одной длины волны, необходимо учитывать пять аберраций, называемых сферической аберрацией, комой, астигматизмом, кривизной поля и искажением. Шестая аберрация, обнаруживаемая в линзах (но не в зеркалах), а именно хроматическая аберрация, возникает, когда свет не является монохроматическим (не одной длины волны).

При сферической аберрации не все лучи света из точки на оптической оси линзы, имеющей сферические поверхности, встречаются в одной и той же точке изображения. Лучи, проходящие через линзу близко к ее центру, фокусируются дальше, чем лучи, проходящие через круглую зону у ее края. Для каждого конуса лучей от точки осевого объекта, встречающейся с линзой, существует конус лучей, который сходится, чтобы сформировать точку изображения, причем длина конуса различается в зависимости от диаметра круглой зоны.Если плоскость, расположенная под прямым углом к ​​оптической оси, пересекает конус, лучи будут образовывать круговое поперечное сечение. Площадь поперечного сечения изменяется в зависимости от расстояния вдоль оптической оси, наименьший размер известен как круг наименьшей путаницы. На этом расстоянии находится изображение, наиболее свободное от сферической аберрации.

Подробнее по этой теме

оптика: аберрации линз

Если линза была идеальной, а объект представлял собой единую точку монохроматического света, то, как отмечалось выше, световая волна, выходящая из…

Кома, называемая так потому, что точечное изображение размыто до формы кометы, образуется, когда лучи от точки вне оси объекта отображаются разными зонами линзы. При сферической аберрации изображения осевой точки объекта, которые падают на плоскость под прямым углом к ​​оптической оси, имеют круглую форму, разного размера и накладываются друг на друга вокруг общего центра; в коме изображения внеосевой точки объекта имеют круглую форму, разного размера, но смещены друг относительно друга.На прилагаемой диаграмме показан преувеличенный случай двух изображений, одно из которых является результатом центрального конуса лучей, а другое — конуса, проходящего через обод. Обычный способ уменьшить кому — использовать диафрагму для устранения внешних конусов лучей.

   
 Статья об оптических аберрациях  
 в  
 Энциклопедия RP Photonics   

   
  alt =" article ">   

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