Нажмите "Enter" для пропуска содержимого

Виды аберраций: Что такое аберрации объектива. Виды аберраций

Содержание

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.

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.

Монохроматические геометрические аберрации

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.).

Сферическая аберрация

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.

Кома

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.

Астигматизм

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.

Кривизна поля изображения

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.

Дисторсия

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.

Хроматические аберрации

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.

Дифракционная аберрация

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.

Автор: FC,
05.10.2014 г.

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 оптической системы. Лучи, параллельные оси оптической системы сходится не в точке, а в перетяжке.

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.

Класс объективов Коррекция хроматических аберраций Применение
Ахроматы (Achromats) Между F red и F blue т.е. красный и синий лучи сведены в одну область, длиной менее 2 глубин резкости. Расстояние до фокуса зеленого луча не определено. Рутинная микроскопия в видимом световом диапазоне
Полу-Апохроматы (Semi-Apochromats) F red , F blue и F green т.е. фокус красного, синего и зеленого лучей сведены в одну область шириной 2,5 глубины резкости. Для качественной визуализации в видимом световом диапазоне, а также достижения высококонтрастного изображения.
Апохроматы (Apochromats) F red , F blue и F green т.е. фокус красного, синего и зеленого лучей сведены в одну точку. (Коррекция ХА по трем цветам) Для решения задач сверхточной микроскопии, измерительной микроскопии при большом увеличении, а также для работы в УФ и ИК диапазонах.

* 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.

Монохроматические геометрические аберрации

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.).

Сферическая аберрация

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.

Кома

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.

Астигматизм

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.

Кривизна поля изображения

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.


Дисторсия

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.

Хроматические аберрации

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.

Дифракционная аберрация

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.

Хроматическая аберрация Ахроматическая линза

Монохроматические аберрации

Геометрические аберрации внемеридионального (косого) луча.
AQ — внемеридиональный луч
P -входной зрачок
P’  — выходной зрачок
A’ 0 — идеальное изображение точки A
A’  — реальное изображение точки A
δg’ и δG’ — отступления от идеального изображения.

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,…аk, 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 SI, SII, SIII, SIV, SV. 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. SI — сферическая аберрация;
  2. SII — кома;
  3. SIII — астигматизм;
  4. SIV — кривизна поля (поверхности) изображения;
  5. SV — 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.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Астигматизм, в отличие от сферической аберрации и комы, возникает в результате того, что одна зона линзы не может сфокусировать изображение внеосевой точки в одной точке. Как показано на трехмерной схеме, две плоскости, расположенные под прямым углом друг к другу, проходящие через оптическую ось, представляют собой меридиональную плоскость и сагиттальную плоскость, причем меридиональная плоскость является плоскостью, содержащей внеосевую объектную точку.Лучи не в меридиональной плоскости, называемые косыми лучами, фокусируются дальше от линзы, чем те, которые лежат в плоскости. В любом случае лучи встречаются не в точечном фокусе, а как линии, перпендикулярные друг другу. Между этими двумя положениями изображения имеют форму эллипса.

Британская энциклопедия, Inc. Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Кривизна поля и искажение относятся к расположению точек изображения относительно друг друга.Несмотря на то, что первые три аберрации могут быть исправлены в конструкции объектива, эти две аберрации могут остаться. При кривизне поля изображение плоского объекта, перпендикулярного оптической оси, будет лежать на параболоидальной поверхности, называемой поверхностью Пецваля (в честь венгерского математика Йожефа Пецваля). Плоские поля изображения желательны в фотографии, чтобы соответствовать плоскости пленки и проекции, когда увеличивающая бумага или проекционный экран лежат на плоской поверхности. Искажение относится к деформации изображения.Существует два вида искажения, каждый из которых может присутствовать в линзе: бочкообразное искажение, при котором увеличение уменьшается с увеличением расстояния от оси, и искажение типа «подушечка-подушечка», при котором увеличение увеличивается с увеличением расстояния от оси.

Последняя аберрация, хроматическая аберрация, — это неспособность линзы фокусировать все цвета в одной плоскости. Поскольку показатель преломления меньше всего в красном конце спектра, фокусное расстояние линзы в воздухе будет больше для красного и зеленого, чем для синего и фиолетового.На увеличение влияет хроматическая аберрация, которая различается вдоль оптической оси и перпендикулярно ей. Первая называется продольной хроматической аберрацией, а вторая — боковой хроматической аберрацией.

Encyclopdia Britannica, Inc.

Оптические аберрации, объясненные энциклопедией RP Photonics; хроматический, сферический, астигматизм, кома, кривизна поля, искажение изображения, полиномы Цернике, компенсация, качество изображения

Энциклопедия> буква O> оптические аберрации

Определение: ухудшение оптических изображений, вызванное приборами для визуализации

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

немецкий: optische Aberrationen

Категории: общая оптика, зрение, дисплеи и изображения

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

URL: https://www.rp-photonics.com/optical_aberrations.html

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

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

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

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

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

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

Параксиальное приближение позволяет определить аберрации.

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

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

Типы оптических аберраций

Ниже описаны типичные виды аберраций.

Расфокусировка

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

Хроматические аберрации

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

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

Подробнее см. В статье о хроматических аберрациях.

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

Сферические аберрации

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

Асферическая оптика позволяет реализовать высокоэффективные объективы с меньшим количеством компонентов.

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

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

Подробнее см. Статью о сферических аберрациях.

Астигматизм

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

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

Подробнее см. В статье об астигматизме.

Кома

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

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

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

Кривизна поля

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

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

Искажение изображения

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

Полиномы Цернике

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

Минимизация аберраций

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

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

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

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

Компенсация эффектов аберраций с помощью алгоритмов цифровой обработки изображений

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

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

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

Вопросы и комментарии пользователей

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

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

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

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

Если вам нравится эта страница, поделитесь ссылкой с друзьями и коллегами, например через соцсети:

Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

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

HTML-ссылка на эту статью:

   
Статья об оптических аберрациях

в
Энциклопедия RP Photonics

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

   
alt =" article ">

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

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

Сравнение оптических аберраций | Эдмунд Оптикс

Выявление аберраций | Примеры аберраций

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

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

Оптическая идентификация аберраций

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

Название аберрации (коэффициент волнового фронта):

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


Рисунок 1: Образец диска Эйри

Распознавание аберраций, особенно на стадии проектирования, является первым шагом в их исправлении. Почему разработчик оптики хочет исправить аберрации? Ответ заключается в создании системы с ограничением дифракции, что является наилучшей возможной производительностью.Аберрации систем с ограничением дифракции содержатся в пределах размера пятна диска Эйри или размера дифракционной картины, вызванной круглой апертурой (рис. 1).

Уравнение 1 можно использовать для вычисления размера пятна диска Эйри $ \ small {\ left (d \ right)} $, где $ \ small {\ lambda} $ — длина волны, используемая в системе, а f / # — это f- номер системы.

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

ПРИМЕРЫ ОПТИЧЕСКИХ АБЕРРАЦИЙ

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

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

Рисунок 2: Целевое значение искажений в сети с фиксированной частотой

Рисунок 3: Отрицательный контраст 1951 г. Цель разрешения ВВС США

Рисунок 4: Звездная цель

Наклон — $ \ small {W_ {111}} $

Рисунок 5a: Представление аберрации наклона

Рисунок 5b: Моделирование аберрации наклона

Характеристика
  • Изображение неправильно увеличено
  • вызвано наклоном фактического волнового фронта относительно опорного волнового фронта
  • Первый порядок: $ \ small {W_ {111} = H \ cdot \ rho \ cdot \ cos {\ left (\ theta \ right)}} $
Корректирующее действие
  • Изменить систему увеличения
Расфокусировка — $ \ small {W_ {020}} $

Рисунок 6a: Представление аберрации расфокусировки

Рисунок 6b: Моделирование аберрации расфокусировки

Характеристика
  • Изображение в неправильной плоскости изображения
  • вызвано неправильным эталонным изображением
  • Используется для исправления других аберраций
  • Первый порядок: $ \ small {W_ {020} = \ rho ^ 2} $
Корректирующее действие
  • Система перефокусировки, найти новое эталонное изображение
Сферический — $ \ small {W_ {040}} $

Рисунок 7a: Представление сферической аберрации

Рисунок 7b: Моделирование сферической аберрации

Характеристика
  • Изображение выглядит размытым, лучи от края фокусируются в другой точке, чем лучи от центра
  • Встречается со всей сферической оптикой
  • Аберрация по оси и вне оси
  • Третий порядок: $ \ small {W_ {040} = \ rho ^ 4} $
Корректирующее действие
Кома — $ \ small {W_ {131}} $

Рисунок 8a: Представление аберрации комы

Рисунок 8b: Моделирование аберрации комы

Характеристика
  • Возникает при изменении увеличения в зависимости от местоположения на изображении
  • Два типа: тангенциальный (вертикальный, направление Y) и сагиттальный (горизонтальный, направление X)
  • Только вне оси
  • Третий порядок: $ \ small {W_ {131} = H \ cdot \ rho ^ 3 \ cdot \ cos {\ left (\ theta \ right)}} $
Корректирующее действие
  • Использовать двойную линзу с разнесением по центру
Астигматизм — $ \ small {W_ {222}} $

Рисунок 9a: Представление аберрации астигматизма

Рисунок 9b: Моделирование аберрации астигматизма

Характеристика
  • Вызывает две точки фокусировки: одну в горизонтальном (сагиттальном) направлении, а другую в вертикальном (тангенциальном) направлении
  • Выходной зрачок выглядит эллиптическим вне оси, радиус меньше в одном направлении
  • Только вне оси
  • Третий порядок: $ \ small {W_ {222} = H ^ 2 \ cdot \ rho ^ 2 \ cos ^ 2 {\ left (\ theta \ right)}} $
Корректирующее действие
  • Противодействие с расфокусировкой
  • Использовать двойную линзу с разнесением и ограничителем по центру
Кривизна поля — $ \ small {W_ {220}} $

Рисунок 10a: Представление аберрации кривизны поля

Рисунок 10b: Моделирование аберрации кривизны поля

Характеристика
  • Изображение идеальное, но только на изогнутой плоскости изображения
  • Вызвано распределением питания оптики
  • Только вне оси
  • Третий порядок: $ \ small {W_ {220} = H ^ 2 \ cdot \ rho ^ 2} $
Корректирующее действие
Искажение — $ \ small {W_ {311}} $

Рисунок 11a: Представление аберрации искажения

Рисунок 11b: Моделирование аберрации искажения ствола

Рисунок 11c: Моделирование аберрации подушкообразного искажения

Характеристика
  • Ошибка квадратичного увеличения, точки на изображении либо слишком близки, либо слишком далеко от центра
  • Положительное искажение называется бочкообразным искажением, отрицательное — подушкообразным искажением
  • Только вне оси
  • Третий порядок: $ \ small {W_ {311} = H ^ 3 \ cdot \ rho \ cdot \ cos {\ left (\ theta \ right)}} $
Корректирующее действие
  • Уменьшено за счет размещения диафрагмы в центре системы

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


Номер ссылки

  1. Дерениак, Юстас Л. и Тереза ​​Д. Дерениак. Геометрическая и тригонометрическая оптика . Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2008.

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

Что такое оптическая аберрация?

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

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

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

Чем больше рассеивается свет, тем меньше будет резкость изображения. Если диафрагма не мала, цели, находящиеся на большом расстоянии друг от друга на изображении, часто будут иметь не в фокусе фон или передний план. Это связано с тем, что свет, сходящийся на переднем плане, будет сходиться в другой точке, чем свет от цели, находящейся дальше на заднем плане.Для получения дополнительной информации о преимуществах использования диафрагмы в системах технического зрения прочитайте блог Teledyne Lumenera «Повышение производительности системы визуализации с помощью оптимизации апертуры объектива».

Coma

Coma вызывает свет, который должен фокусироваться как единая точка изображения и превращает его в конус света. Это связано с тем, что при коме свет, попадающий в разные части объектива, будет фокусироваться все дальше и дальше по плоскости изображения, где расположен датчик.

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

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

Астигматизм

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


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

(Petzval) Кривизна поля

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


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

Искажение

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

Бочкообразное искажение

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

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

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

Тем не менее, это целесообразно на определенных высотах, но в большинстве случаев на определенной высоте камере потребуется большее фокусное расстояние, чтобы иметь возможность четко отображать объекты, находящиеся на большем расстоянии. Поэтому широкоугольные объективы могут обеспечивать детализацию для аэрофотосъемки или других приложений, таких как точное земледелие, но необходимо учитывать требования к высоте. Ключевым фактором является расстояние от земли (GSD), которое потребуется системе технического зрения. В условиях, когда камера фиксирована, а высота камеры остается постоянным, например, в теплице, использование широкоугольного объектива может помочь получить изображение большей части целевой окружающей среды.Чтобы узнать больше о GSD и о том, как настроить систему аэрофотосъемки, прочтите блог Teledyne Lumenera «Задача аэрофотосъемки: получение четкого и резкого изображения».

Подушкообразное искажение

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

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

Искажение усов

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

Расфокусировка

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

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

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

Хроматический

Продольная / осевая аберрация

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

Поперечная / боковая аберрация

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


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

Итог

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

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

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

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

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

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

Аберрации | Физика

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите оптическую аберрацию.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Сводка раздела

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

Концептуальные вопросы

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

Задачи и упражнения

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

Глоссарий

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

Решения проблем и упражнения

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

аберраций

аберраций

Аберрации

Для идеальной оптической системы каждый луч, выходящий из заданной точки объекта P успешно переходит к соответствующей точке изображения P ‘.
Линзы со сферическими поверхностями создают изображение только от P до P ‘в параксиальной приближение, когда свет остается близко к оптической оси, а лучи составляют небольшие углы с оптической осью. В противном случае изображение точки может стать более-менее размазанный клякса.

Ссылка: Аберрация (Nikon)
Перейдите по этой ссылке и посмотрите фотографии разных типы аберраций, о которых вы читаете ниже.
Также, пожалуйста, посмотрите все короткие видеоролики Youtube, ссылки на которые есть на этой странице.

Сферические аберрации

Сферические аберрации преобладают, когда широкий пучок, параллельный оптической оси, фокусируется собирающая линза со сферическими поверхностями. Фокусное расстояние для лучей которые проходят через внешние области линзы короче, чем для лучей, проходящих через центр линзы.

Цифра к ниже показаны лучи, падающие параллельно оптической оси с очень большой удаленная точка объекта на оси, например звезда.Они преломляются по мере продвижения к параксиальная фокальная плоскость. Наименее размытое изображение получается коротким расстояние слева от параксиальной фокальной плоскости и называется кругом минимум путаницы .


Величина преломления на двух поверхностях линзы неодинакова. Сферические аберрации можно уменьшить, уравняв величину рефракции на обе поверхности линзы. Это можно сделать, изменив форму линзы, при сохранении постоянного показателя преломления, толщины и фокусного расстояния.Меняются только радиусы линзы. Это называется изгибанием линзы.


Из-за сферической аберрации изображение точки объекта, лежащего на оптическая ось — это не точка, а сферическое пятно.


Ссылка: YouTube, сферическая аберрация


Кома

Аберрации комы ухудшают изображение внеосевой точки объекта. Смысл изображается как капля, форма которой напоминает хвост кометы.Полоса света, кажется, исходит из сфокусированного пятна. В солнечный день используйте увеличительное стекло для фокусировки изображения солнца. Когда вы наклоняете, он увеличивается стекла относительно луча зрения на солнце, изображение солнца будет вытянуты в кометоподобную форму, что характерно для аберрации комы.

Ссылка: YouTube, аберрация комы


Астигматизм

Аберрации астигматизма ухудшают изображения внеосевых точек объекта, образованные линзами со сферическими поверхности и изображения всех точек, образованные линзами с двумя разные радиусы кривизны в двух перпендикулярных плоскостях.(Эти линзы которые по форме больше похожи на футбольный мяч, чем на шар.) Изображение внеосевая точка отображается как линия или эллипс вместо дискретного точка. Лучи, распространяющиеся в перпендикулярных плоскостях, имеют разные фокусы. Астигматизм очень распространен в человеческом глазу.

Поскольку существует две разные плоскости изображения, объект со спицами может иметь изображение в одной плоскости, для которого вертикальные линии резкие, но линии, образующие угол с вертикалью становятся все более и более размытыми по мере приближения угла 90 o .В другой плоскости изображения горизонтальные линии могут быть четкими и вертикальными. линии размыты. При обследовании глаз астигматизм обнаруживается, если кажется, что спицы перейти от черного к серому.

Предположим, мы хотим отобразить объект вне оси

Если переместить экран в фокальную плоскость синего веера, то изображение точки представляет собой отрезок горизонтальной линии. Изображение из серии точки, образующие горизонтальную линию, будут резкой горизонтальной линией, образованной перекрывающиеся отрезки горизонтальных линий.Но изображение ряда точек образующая вертикальную линию будет очень размытой вертикальной линией, образованной вертикальными сложенные горизонтальные отрезки линии. Если переместить экран в фокальную плоскость красный веер, то изображение точки представляет собой горизонтальный отрезок. Сейчас изображение серии точек, образующих вертикальную линию, будет четкой вертикальной линия, образованная перекрывающимися сегментами вертикальной линии. Но образ из серии точки, образующие горизонтальную линию, будут очень размытой горизонтальной линией, образованной горизонтально уложенные вертикальные линейные сегменты.


Аберрации расширенных объектов

Кривизна поля — это не точечная аберрация, а связанная с ней аберрация с протяженным объектом. Когда протяженные объекты отображаются сферическими линзами, все поперечные точки на изображении находятся в фокусе одновременно на изогнутая поверхность, а не на плоскости. На плоском экране при захвате изображения значок центр и внешние области протяженного объекта находятся в фокусе на разных расстояния от объектива.Этот дефект называется искривлением Пецваля или искривление дефекта поля.

Искажение — еще одна аберрация, связанная с протяженными объектами. искажение. Искажение возникает, когда увеличение зависит от расстояние от оптической оси. Искажение — это то, что заставляет вертикальные линии выпирать наружу (бочкообразное искажение) или внутрь (подушкообразное искажение) в плоскости изображения.


Хроматические аберрации

Хроматические аберрации возникают в результате дисперсии материала.Потому что Закон Снеллиуса зависит от показателя преломления n, а разные цвета света преломляются в разной степени, точка изображения, образованная светом один цвет не совпадает с соответствующей точкой изображения, образованной светом другого цвета. Это не геометрическая аберрация.

На изображения, сформированные сферическими зеркалами, также могут влиять сферические зеркала. аберрации, кома, астигматизм, искривление поля и искажения. Но изображения, сформированные сферическими зеркалами, не содержат хроматических аберраций, поскольку, в отличие от закона Снеллиуса, закон отражения не зависит от индекса преломление n.

Проблема:

Настоящая сферическая вогнутая зеркало не идеально фокусирует свет от точечного источника. Это может быть из-за каких дефектов?

Решение:

  • Рассуждение:
    Точечные аберрации, связанные со сферическими поверхностями, имеют сферическую форму. аберрации, кома и астигматизм. Зеркало не производит хроматического аберрации, так как закон отражения не включает индекс преломление.

Ссылка: Как работают линзы (официальное лицо Canon) (Youtube)

аберраций | Оптика детская

Аберрации

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

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

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

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

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

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

Станьте первым комментатором

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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