АБЕРРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ • Большая российская энциклопедия
АБЕРРА́ЦИИ ОПТИ́ЧЕСКИХ СИСТЕ́М (от лат. aberratio – уклонение), искажения изображений, создаваемых оптич. системами. Проявляются в том, что оптич. изображения не вполне отчётливы, неточно соответствуют объектам или оказываются окрашенными. Существует неск. видов аберраций. Наиболее распространёнными являются хроматическая аберрация и следующие геометрич. аберрации: сферическая, астигматизм, кома, дисторсия, кривизна поля изображения.
Сферическая аберрация заключается в том, что световые лучи, испущенные одной точкой объекта и прошедшие одни из них вблизи оптич. оси, а другие через отдалённые от оси части системы, не собираются в одной точке. Вследствие этого изображение, создаваемое параллельным пучком лучей на перпендикулярном оси экране, имеет вид не точки, а кружкá с ярким ядром и ослабевающим по яркости ореолом (т.
н. кружок рассеяния). Специальным подбором линз (собирающих и рассеивающих) сферич. аберрацию можно почти полностью устранить.
Рис. 1. Световой пучок, прошедший через оптическую систему, обладающую астигматизмом. Внизу показаны сечения пучка плоскостями, перпендикулярными оптической оси системы.
Астигматизм проявляется в том, что изображение точки, не лежащей на главной оптич. оси, представляет собой не точку, а две взаимно перпендикулярные линии, расположенные в разных плоскостях на некотором расстоянии друг от друга. Изображения точки в промежуточных между этими плоскостями сечениях имеют вид эллипсов (рис. 1). Астигматизм обусловлен неодинаковостью кривизны оптич. поверхности в разных плоскостях сечения падающего на неё светового пучка и возникает либо вследствие асимметрии оптич. системы (напр., в цилиндрич. линзах), либо в обычных сферич. линзах при падении светового пучка под большим углом к оси.
Астигматизм исправляют таким подбором линз, чтобы одна компенсировала астигматизм другой. Астигматизмом может обладать человеческий глаз (см. Астигматизм глаза).
При наклонном падении лучей на оптич. систему в результате нарушения симметрии пучка возникает ещё одна аберрация – кома, при которой изображение точки имеет вид несимметричного пятна рассеяния. Её размеры пропорциональны квадрату угловой апертуры оптич. системы и угловому удалению точки-объекта от оптич. оси. Кома велика в телескопах с параболич. зеркалами. Исправляют кому подбором линз.
Рис. 2. Дисторсия.
Для дисторсии характерно нарушение геометрич. подобия между объектом и его изображением. Дисторсия обусловлена неодинаковым линейным увеличением оптич. системы на разных участках изображения. Пример искажений, которые даёт система, обладающая дисторсией, приведён на рис.
2. Слева от центрального квадрата показано его изображение, искажённое за счёт подушкообразной (положительной) дисторсии, справа – искажённое за счёт бочкообразной (отрицательной) дисторсии. Дисторсия устраняется подбором линз.
Кривизна поля – аберрация осесимметричной оптич. системы, она заключается в том, что изображение плоского предмета получается плоским не в плоскости, как должно быть в идеальной системе, а на искривлённой поверхности. В сложных оптич. системах кривизну поля исправляют, сочетая линзы с поверхностями разной кривизны.
Оптич. системы могут обладать одновременно неск. аберрациями, устранить их все сразу – очень сложная задача. Обычно аберрации устраняют частично в зависимости от назначения оптич. системы. В некоторых случаях используют методы адаптивной оптики.
Хроматич. аберрация связана с зависимостью показателя преломления сред от длины волны света.
Несовершенства изображений, формируемых оптич. системой, возникают также в результате дифракции света на оправах линз, диафрагмах и т. п. Такие аберрации принципиально неустранимы, хотя и могут быть уменьшены. Но они обычно не так сильно влияют на изображение, как геометрические и хроматические.
Хромосомные аберрации: причины и методы выявления
24 Августа 2019г.
Для данной мутации характерны структурные изменения хромосом. Выделяют несколько видов хромосомных аберраций.
- Делеция — утрата части хромосомы. Протяженность утраченного участка может быть разная, начиная от одного нуклеотида и заканчивая субхромосомными структурами, например целым плечом хромосомы. При такой хромосомной аберрации может утрачиваться как концевой участок, так и внутренний. Одной из крупных делеций у человека является потеря короткого плеча 5-й хромосомы, которая приводит к развитию синдрома кошачьего крика. Микроделеции являются причиной таких патологий, как синдром Вильямса, Прадера — Вилли и др.
- Дупликация — дублирование участка хромосомы, появление его дополнительной копии. При этом копия может локализоваться рядом с дуплицированным районом, в другом месте этой же хромосомы или вообще на другой хромосоме. Может даже формировать свою микрохромосому с центромерой и теломерой. Такая мутация называется свободной дупликацией. Обычно дополнительные копии генов не сказываются на здоровье и даже не имеют эволюционного значения, формируя генные кластеры и семейства.
- Инверсия — переворот участка хромосомы на 180о. Может осуществляться вокруг центромеры, тогда говорят о перицентрических инверсиях, а может располагаться по одну сторону центромеры, тогда ее называют перицентрической. Фенотипически, т. е. внешне, такие мутации практически не проявляются. Большинство их носителей не имеет проблем со здоровьем. Однако при определенных мутациях могут быть проблемы с фертильностью.
- Транслокации — перенос одного участка хромосомы на другую негомологичную хромосому. Как и другие хромосомные аберрации, транслокации имеют большое значение при бесплодии, врожденных наследственных патологиях и онкологических заболеваниях. Так, например, робертсоновская транслокация der (13;14) является одной из наиболее часто встречающихся врожденных аномалий человека. При этом фенотипически ее носители являются здоровыми, но могут иметь проблемы с репродуктивной функцией.
Как и другие хромосомные аберрации, транслокации имеют большое значение при бесплодии, врожденных наследственных патологиях и онкологических заболеваниях. Так, например, робертсоновская транслокация der (13;14) является одной из наиболее часто встречающихся врожденных аномалий человека. При этом фенотипически ее носители являются здоровыми, но могут иметь проблемы с репродуктивной функцией.Более 500 известных транслокаций специфически связаны со злокачественными новообразованиями. Первой такой обнаруженной аномалией была филадельфийская хромосома, которая определяет до 95 % случаев хронического миелолейкоза и большинство случаев острого лимфобластного лейкоза.
Причины хромосомных аберраций
Большинство хромосомных аберраций происходят случайно, без видимых причин. Однако есть определенные факторы, при действии которых риски перестроек увеличиваются:
- возраст;
- действие ионизирующего излучения;
- прием некоторых медикаментов или химических веществ.
Методы выявления хромосомных аберраций
Необходимость поиска хромосомных аберраций может возникнуть в рамках пренатальной диагностики, когда имеются данные о высоком риске тех или иных врожденных аномалий. В других случаях исследование назначают при подозрении на врожденные патологии у детей и взрослых.
Кроме того, определение хромосомных аберраций является краеугольным камнем при типировании злокачественных солидных и опухолей кроветворения, иммунной системы. В этом случае наличие мутаций будет определять протоколы лечения и прогноз выздоровления и/или выживаемости.
Для выявления хромосомных аберраций используются специальные молекулярно-генетические и цитогенетические методы. В пренатальной диагностике анализ перестроек проводят с помощью G-бэндинга в метафазной стадии деления клетки. Однако для забора материала требуется инвазивное вмешательство, которое несет определенные риски как для матери, так и для плода.
Медико-генетический центр «Геномед» проводит определение таких патологий по крови матери.
Эта услуга называется неинвазивный пренатальный тест НИПТ. Мы обладаем современным высокотехнологичным лабораторным оборудованием, позволяющим выполнять большой спектр генетических исследований, в том числе и по поиску хромосомных аберраций в опухолевых клетках.
Что за аберрация и зачем ее исправлять?
Монохроматор PGM с коррекцией аберраций
Оптическая аберрация — это отклонение характеристик оптической системы от предсказаний параксиальной оптики. При наличии оптической аберрации свет из одной точки объекта не сходится (или не расходится) в одну точку после прохождения через систему. Оптические аберрации делятся на два класса: монохроматические и хроматические.
Хроматическая аберрация — это тип искажения, при котором линза не может сфокусировать все цвета в одной и той же точке схождения из-за дисперсии линзы (разный показатель преломления линзы для разных длин волн света).
Монохроматические аберрации обусловлены геометрией линзы и возникают как при отражении, так и при преломлении света.
Монохроматические аберрации включают сферическую аберрацию, кому, астигматизм, кривизну поля и искажение изображения.
Сферическая аберрация
Сферическая аберрация
Эта проблема свойственна сферическим линзам и зеркалам. Параллельные световые лучи, проходящие через центральную область, фокусируются дальше, чем те, которые проходят через края. В результате получается много фокусных точек, что создает размытое изображение.
Коматозная аберрация
Коматозная аберрация
Некоторая аберрация влияет на изображения из-за внеосевых лучей. Изображение пятна выглядит как несколько цилиндров не по центру, как изображение «кометы», откуда и происходит его название.
Аберрация астигматизма
Аберрация астигматизма
Оптическая система с астигматизмом — это система, в которой лучи, распространяющиеся в двух перпендикулярных плоскостях, имеют разные фокусные точки.
Кривизна поля
Кривизна поля
Кривизна поля — это аберрация, из-за которой плоский объект выглядит искривленным на изображении.
Искажение
Искажение Аберрация
Искажение — это наиболее легко распознаваемая аберрация, поскольку она искажает изображение в целом. Оно возникает из-за неравного увеличения периферийной части линзы (или зеркала) по сравнению с увеличением его центральной части. При «бочкообразной дисторсии» увеличение изображения уменьшается по мере удаления от оптической оси. При «подушкообразном искажении» увеличение изображения увеличивается с расстоянием от оптической оси.
Аберрация приводит к размытию изображения, создаваемого оптической системой формирования изображения. Производителям оптических инструментов необходимо корректировать оптические системы, чтобы компенсировать аберрацию.
Как исправить аберрацию в ВУФ? Сколько существует типов решеток с коррекцией аберраций?
Чтобы ограничить количество отражений на оптику, вогнутые решетки часто используются в качестве отдельного элемента в ВУФ-спектрометрах.
А Роуленд продемонстрировал, что рассеянный спектр освещенной точки, лежащей на окружности, фокусируется на этой окружности, если соблюдается следующая установка (см.
рисунок). Эта конструкция используется во многих монохроматорах ВУФ.
К сожалению, решетки страдают от аберраций вогнутых зеркал и других из-за их дифракционных возможностей. Работа в условиях Роуленда окончательно ограничивает качество изображения инструментов. Основная аберрация здесь — астигматизм. Эта аберрация может быть допустима с монохроматором, поскольку для разделения длин волн спектра требуется только горизонтальная фокусировка.
При нормальном падении (нулевой порядок, λ 3 ) аберрация минимальна и изображение прямое. Но ближе изображения от решетки, более вытянуты и искривлены их изображения. Это растяжение может быть значительным, в зависимости от положения изображения на круге Роуленда и, следовательно, от наблюдаемой длины волны. Это приводит как к потере сигнала, так и к потере разрешения, особенно в режиме спектрографа, когда используются ПЗС-детекторы.
Решетка на круге Роуленда
S: Точечный источник (или щель прибора)
λ 3 : Положение нулевого порядка
i: угол падения
r: угол отражения
Сравнение астигматизма тороидального зеркала и сферического зеркала
Спектроскопические изображения можно улучшить, используя тороидальные решетки.
Тороидальная решетка представляет собой форму эллиптического параболоида с различными вертикальными и горизонтальными фокусными расстояниями. Уменьшает растяжение и искривление астигматизма.
Другие улучшения:
Еще одним важным достижением является разработка решеток с переменным расстоянием между линиями (VLS).
VLS-решетка — это решетка, бороздки которой при проецировании на касательную плоскость образуют набор прямых параллельных линий, расстояние между которыми варьируется от канавки к канавке. Изменение расстояния между канавками на поверхности решетки перемещает тангенциальную фокальную кривую, в то время как сохранение прямых и параллельных канавок сохраняет фиксированной сагиттальную фокальную кривую. Он корректирует сферическую аберрацию, связанную с обычными сферическими решетками. Техника VLS также может быть применена к тороидальным решеткам для оптимальной коррекции.
Какие оптические схемы наиболее популярны при проектировании систем ВУФ и в чем их отличия?
Макетный прибор HORIBA PGM/PGS
В ВУФ используются два основных типа спектрографов и монохроматоров: приборы с нормальным падением, улучшенная конструкция для 100–400 нм, и приборы со скользящим падением для 2–100 нм.
Оптимизация коррекции изображения решеток может быть рассчитана для лучшего качества изображения на оптической оси прибора (схема монохроматора) или в фокальной плоскости (схема спектрографа). В последнем случае оптимизация увеличивает фокальную плоскость, решетка спектрографа работает в фиксированном положении, а выбор диапазона длин волн осуществляется скольжением детектора в фокальной плоскости прибора. Коррекция отличная в обоих случаях.
Реализация настоящей ВУФ-монографии должна осуществляться без тороидальной решетки. Конфигурация спектрографа с плоской решеткой (PGS) является одним из лучших вариантов. Схема PGS работает с тороидальным зеркалом и плоской решеткой, работающей под скользящим углом. Это также имеет то преимущество, что это более доступные решетки, поскольку они имеют плоскую конструкцию.
HORIBA Scientific предлагает серию ВУФ-спектрометров и монохроматоров:
- Монография серии VHR в конфигурации CZ для FUV – ИК-диапазона в вакууме
- Монохроматор или монографы серии UVL: сферическая или тороидальная решетка с одинарной коррекцией аберраций со средним углом падения, подходящая для анализа в спектральном диапазоне 50–600 нм.
- Монохроматоры серии TGM: одна тороидальная решетка со скользящим падением, соединенная с одноканальным детектором, подходит для анализа в спектральном диапазоне 10–300 нм.
- Спектрографы серии TGS: одна фиксированная тороидальная решетка со скользящим падением, соединенная с матричным детектором, выходное плоское поле > 40 мм.
- Монография PGM-PGS: вращающаяся плоская решетка со скользящим падением и неподвижным тороидальным зеркалом, работающая вплоть до мягкого рентгеновского излучения.
Зачем нужны покрытия на решетках и окнах и какие покрытия используются чаще всего?
Конструкция приборов ВУФ имеет недостатки, связанные с оптическими материалами ВУФ. Пропускание через сыпучие материалы ограничено λ < 105 нм, коротковолновое пропускание ограничено LiF или λ < 115 нм для MgF 2 . Отражающая конфигурация используется в оптической схеме ВУФ. Однако коэффициент отражения от металлических поверхностей также уменьшается на коротких длинах волн.
Для увеличения отражательной способности вводятся несколько материалов покрытия, таких как Al, Os, Pt, Au, Rh и Ir. Выше 120 нм основным широкополосным отражателем для длин волн ВУФ является Al с MgF 2 покрытие, имеющее нормальную отражательную способность до 90% при определенных условиях. Os, Pt, Au и Ir имеют отражательную способность около 60% в диапазоне 5–200 нм в скользящей конфигурации.
В чем разница между мастер-решеткой и репликой?
Разница между эталоном и репликой решетки
Мастер-решетка представляет собой исходный блок, записанный как уникальный элемент. Эталонная решетка может использоваться в качестве «матери» множества копий, называемых репликами.
В большинстве случаев предпочтение отдается ВУФ-монохроматорам, оснащенным эталонными решетками. Но, к сожалению, такие решетки чрезвычайно дороги и имеют долгий срок поставки.
Сферическая аберрация
Сферическая аберрация Для линз со сферическими поверхностями лучи, параллельные оптической оси, но находящиеся на разном расстоянии от оптической оси, не сходятся в одной и той же точке. Когда используется понятие главного фокусного расстояния, предполагается, что все параллельные лучи фокусируются на одном и том же расстоянии, что, конечно, верно только при отсутствии аберраций. Использование уравнения линзы также предполагает идеальную линзу, и это уравнение практически верно только для лучей, близких к оптической оси, так называемых параксиальных лучей. Для объектива со сферической аберрацией наилучшее приближение фокусного расстояния — это расстояние, на котором разница между параксиальным и краевым лучами наименьшая. Это не идеально, но отклонение от идеального фокуса образует то, что называется «кругом наименьшего беспорядка».
| Index Концепции толстых линз | ||||||||||||||||||||||||
|
Для одиночной линзы сферическую аберрацию можно свести к минимуму, согнув линзу в наилучшую форму. Для нескольких объективов сферические аберрации можно устранить путем чрезмерной коррекции некоторых элементов. Использование симметричных дублетов, таких как ортоскопический дублет, значительно снижает сферическую аберрацию.
