Аберрации: Недопустимое название — Викисловарь

Содержание

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

Аберрация (от лат. aberro – уклоняюсь) – нарушение резкости или искажение оптических изображений, даваемых оптически точно изготовленными линзами или системами линз. Аберрация не связана, таким образом, с недостатками изготовления оптических систем. Различают аберрации дифракционные, обусловленные дифракцией света, возникающей в результате ограничения световых пучков габаритами линз, их оправами, диафрагмами и пр., и аберрации геометрические.

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

Сферическая аберрация

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

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


Демонстрация сферической аберрации в коротком видеоролике

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

Хроматическая аберрация

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

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

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


Демонстрация хроматической аберрации на видео от Игнатьева Александра

Уничтожить хроматическую аберрацию возможно заменой одной линзы двумя или большим числом линз, сделанных из стекла различного показателя преломления. Система линз, свободная от хроматической аберрации, носит название ахроматической.

Астигматизм наклонных пучков лучей

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

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

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

Оптическая дисторсия

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

Оптическая кома

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

Искривление фокальной плоскости

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

Видеолекция на тему «Недостатки оптических линз»

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

Хроматические аберрации: что это такое и как убрать | Статьи | Фото, видео, оптика

Как сделать фотографию приятной глазу? Добиться, чтобы она не была пересвеченной или слишком тёмной. Поднять контраст и резкость. И, конечно, убрать недостатки, которые вносит оптика. К ним относят искажение картинки из-за вида линзы (например, широкоугольный объектив растягивает растягивает углы), виньетку и хроматические аберрации.

Разбираемся, что такое хроматическая аберрация, как убирать её в разных графических редакторах — Photoshop, Lightroom и Capture One.

Фото: Елизавета Чечевица / instagram.com/chechevic_a

Что такое хроматические аберрации
      Причина хроматической аберрации
      Как избежать хроматической аберрации
Как убрать хроматические аберрации
      Как убрать хроматические аберрации в Photoshop
      Как убрать хроматические аберрации в Adobe Camera Raw
Как убрать хроматические аберрации в Lightroom
Как убрать хроматические аберрации в Capture One

Что такое хроматические аберрации

Хроматическая аберрация — это искажение, которое получается, когда свет проходит через линзу объектива. Обычно это цветные ореолы или полоски, которых не было в фотографируемой сцене. 

Чаще всего хроматические аберрации проявляются на стыке контрастных границ. Это места, где сталкиваются два разных цвета или яркости. Например, модель в чёрном пальто на фоне светлого зимнего неба.

Причина хроматической аберрации

Хроматическая аберрация проявляется, когда световой луч при преломлении раскладывается на спектр. То есть свет попадает в объектив и там преломляется с помощью линз. 

Мы можем видеть преломление света в виде хроматической аберрации на фотографии из-за паразитной дисперсии, когда фокусные расстояния для лучей разных цветов не совпадают. Это происходит, потому что у цветов разная длина волны. Именно из-за этого хроматическая аберрация может быть красного, пурпурного, жёлтого и любого другого оттенка.

Речь идет про дисперсию света, которую ещё в 1672 году открыл Ньютон. Одно из самых простых и понятных явлений дисперсии — радуга или блики света, играющие в драгоценных камнях с огранкой.

Иллюстрация опыта Ньютона. Луч при прохождении через призму раскладывается на спектр основных цветов. Хроматическая аберрация — это когда при преломлении мы видим один из этих цветов / wikipedia.org

Как избежать хроматической аберрации

  • В первую очередь на появление хроматических аберраций влияют свойства оптики. Поэтому используйте высококачественные объективы профессиональных серий.

Либо перед покупкой читайте детальные обзоры — в хорошем обзоре всегда будет информация про хроматические аберрации объектива и другие оптические искажения.

  • Снимайте на более высоких значениях диафрагмы. Например, в районе f4-f5.6. Особенно это касается оптики любительского уровня. 

Компенсируйте недостаток света, поднимая ISO, укорачивая выдержу, используя внешние вспышки. Здесь мы рассказываем, как настраивать накамерную вспышку.

  • Если у вас объектив с переменным фокусным расстоянием, снимайте на средних значениях. Так, если объектив 24-70mm, то на значении 24mm шанс получить хроматические аберрации выше, чем при съёмке на 40mm.

Если ни один из способов не помог и хроматическая аберрация всё равно появилась, то её можно быстро убрать на постобработке. Ниже расскажем, как сделать это в разных графических редакторах.

Как убрать хроматические аберрации

Хроматическая аберрация — это цветной ореол или линия вокруг объекта. Получается, чтобы убрать это оптическое искажение, нужно его найти и обесцветить. На этом принципе строится удаление хроматический аберраций в любых графических редакторах.

На иллюстрации слева при сильном приближении видны пурпурные хроматические аберрации на здании. На фотографии слева хроматические аберрации удалены с помощью Photoshop / Иллюстрация автора

Как убрать хроматические аберрации в Photoshop

Этот вариант лучше всего подойдет для тех, кто снимает в .JPEG.

      1. Откройте фотографию.
      2. Создайте дубликат слоя. Для этого в палитре Слои/Layer нажмите на слой правой кнопкой мыши по слою и выберете Дубликат слоя / Duplicate Layer.

Быстро создать дубликат слоя можно с помощью горячей клавиши Ctrl+J / Иллюстрация автора

      3. Выберете только что сделанный дубликат. Идите в Фильтр/Filter — Размытие/Blur — Размытие по Гауссу/Gaussian Blur. Радиус размытия зависит от размера фотографии и подбирается экспериментально. Но ориентироваться можно на значения от 2 до 7 пикселей.
      4. Примените размытие. После этого поставьте размытый слой в режим наложения Цвет/Color. Не путайте с Цветностью/Hue.

Как убрать хроматические аберрации в Adobe Camera Raw

Вариант для тех, кто снимает в .RAW. Первое, что вы увидите, открыв Photoshop — модуль Adobe Camera Raw (ACR) для проявки RAW-файлов.

      1. Откройте файл в ACR и найдите вкладку Коррекции Линз / Lens Corrections.
      2. Поставьте галочку Удалить Хроматическую Аберрацию / Remove Chromatic Aberration.

Пример хроматической аберрации. Слева изображение до её удаления. Она проявлялась в виде голубых и красных ореолов по контуру дерева / Иллюстрация автора

Как убрать хроматические аберрации в Lightroom

      1. Импортируйте нужный файл в Lightroom.
      2. Перейдите во вкладку Develop.
      3. В левой части экрана внизу найдите вкладку Коррекции Линз / Lens Corrections.
      4. Нажмите галочку Удалить Хроматическую Аберрацию / Remove Chromatic Aberration.

Пример хроматической аберрации. На оригинале она проявлялась в виде пурпурного и голубого ореолов вокруг ветки / Иллюстрация автора

Как убрать хроматические аберрации в Capture One

Capture One убирает хроматические аберрации по умолчанию, как только вы открываете в ней RAW-файл. Но, если по каким-то причинам функция не заработала, то алгоритм следующий:

      1. Найдите кнопку Коррекции Линз / Lens Corrections в виде кружочка.

В зависимости от заданных вами настроек основные панели для редактирования могут быть слева или справа. В данном случае они по умолчанию слева / Иллюстрация автора

      2. Нажмите галочку Хроматическая аберрация / Cromatic Aberration. Тогда программа автоматически найдет на изображении искажения и обесцветит их.


Фишки Camera Raw, о которых вы не знали
Зачем нужны маски в Photoshop и как ими пользоваться
Гайд по кривым: как обработать фотографию самым мощным инструментом Photoshop

Что такое аберрации глаза?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


Аберрации и параллакс оптических прицелов

21 марта 2019

Аберрации и параллакс оптических прицелов

В связи с большим распространением среди людей, близких к стрелковому спорту (снайпер — тоже спортсмен) и охоте, большого количества разнообразных оптических приборов (биноклей, зрительных труб, телескопических и коллиматорных прицелов) все чаще стали возникать вопросы, связанные с качеством изображения, даваемого такими приборами, а также о факторах, влияющих на точность прицеливания. 

Так как народ у нас все больше с образованием и/или имеющий доступ к Интернету, то большинство все же где-то слышало или видело такие связанные с данной проблемой слова, как ПАРАЛЛАКС, АБЕРРАЦИЯ, ДИСТОРСИЯ, АСТИГМАТИЗМ и т.п. 
Так что же это такое и так ли оно на самом деле страшно?

Аберрации оптического прицела – это последнее, о чём стоит думать его владельцу. Они практически не влияют на точность выстрела. Тем не менее, если Вы не знаете, чем занять своё время, прочтение данной статьи поможет Вам разобраться в многообразии оптических аберраций и в методах борьбы с ними, что, конечно же, бесценно для общего развития в этой области.

Аберрации оптической системы (в нашем случае – оптического прицела) – это несовершенство изображения, которое вызывается отклонением лучей света от пути, по которому они должны были бы следовать в идеальной (абсолютной) оптической системе.

Свет от всякого точечного источника, пройдя через идеальную оптическую схему, должен был бы формировать бесконечно малую точку на плоскости матрицы или плёнки.
На деле этого, естественно, не происходит, и точка превращается в т.н. пятно рассеяния, но инженеры-оптики, разрабатывающие оптические схемы прицелов, стараются приблизиться к идеалу насколько это возможно.

Различают монохроматические аберрации, в одинаковой степени присущие лучам света с любой длиной волны, и хроматические, зависящие от длины волны, т.е. от цвета.

Монохроматические аберрации

В 1857 году немецкий математик и астроном Филип Людвиг Зейдель выявил и математически описал пять т.н. монохроматических аберраций третьего порядка. Вот они:

  • Сферическая аберрация
  • Кома
  • Астигматизм
  • Кривизна поля изображения
  • Дисторсия

Настоящая статья написана для охотников, а не для математиков, а потому нас, прежде всего, интересует не то, какие формулы описывают каждую из аберраций, а то, как аберрации проявляют себя в практической фотографии.

Рассмотрим их по порядку.

Сферическая аберрация

Особенность сферической линзы такова, что лучи света, проходящие через линзу вблизи её края, преломляются сильнее, чем лучи, проходящие через центр. Объясняется это тем, что исходно параллельные лучи света падают на сферическую поверхность линзы под разными углами. Чем дальше лежит путь луча от оптической оси объектива, тем больше угол его падения, и тем сильнее он преломляется. В конечном итоге это приводит к невозможности сфокусировать точку иначе как в виде размытого по краям пятна, и всё изображение оказывается нерезким.

Ход световых лучей в идеальной линзе.

Ход лучей при сферической аберрации.

Искусственное диафрагмирование объектива прицела заметно уменьшает сферическую аберрацию, поскольку при уменьшении отверстия диафрагмы отсекается часть лучей, проходящая через край линзы, а оставшиеся вблизи оптической оси лучи формируют более резкое изображение.
Минусом этого пути является уменьшение поля зрения и появление так называемого «тоннельного эффекта», когда при взгляде через прицел на заданном производителем расстоянии от глаза до окуляра, мы наблюдаем визуальное изображение цели очерченное толстым темным «кольцом», что крайне раздражает при прицеливании в динамике, когда мы пытаемся «поймать» нашу быстро передвигающуюся цель в поле обзора прицела.

При конструировании объективов прицелов сферические аберрации устраняются комбинированием положительных и отрицательных линз, а также применением специальных асферических элементов, т.е. линз, преломляющая поверхность которых имеет асферическую форму, с тем расчётом, чтобы, вне зависимости от удалённости лучей света от оптической оси объектива, все они преломлялись по возможности одинаково, и в итоге сходились при фокусировке в одну точку. Чрезмерное исправление сферических аберраций, кстати, также ни к чему хорошему не приводит: пятно рассеяния становится ярче по краям, нежели в центре, что проявляется в виде кольцеобразного боке.

Кома

Коматическая аберрация или кома возникает, когда лучи света проходят через линзу под углом к оптической оси. В результате изображение точечных источников света приобретает по краям кадра вид асимметричных пятен каплеобразной (или, в тяжёлых случаях, кометообразной) формы.

Коматическая аберрация.

Кома бывает заметна по краям изображения при наблюдении в недорогие оптические прицелы малой кратности («загонники»). Поскольку диафрагмирование уменьшает количество лучей, проходящих через край линзы, оно, как правило, устраняет и коматические аберрации.

Конструкционно с комой борются примерно так же, как и со сферическими аберрациями.

Астигматизм

Астигматизм проявляется в том, что для наклонного (не параллельного оптической оси объектива) пучка света лучи, лежащие в меридиональной плоскости, т.е. плоскости, которой принадлежит оптическая ось, фокусируются отличным образом от лучей, лежащих в сагиттальной плоскости, которая перпендикулярна плоскости меридиональной. Это, в конечном итоге приводит к асимметричному растягиванию пятна нерезкости. Астигматизм заметен по краям изображения, но не в его центре.

Астигматизм труден для понимания, поэтому я попробую проиллюстрировать его на простом примере. Если представить, что изображение буквы А находится в верхней части кадра, то при астигматизме объектива оно бы выглядело так:

Меридиональный фокус.
Сагиттальный фокус.
При попытке достичь компромисса мы получаем универсально нерезкое изображение.
Исходное изображение без астигматизма.

Для исправления астигматической разности меридионального и сагиттального фокусов требуется не менее трёх элементов (обычно два выпуклых и один вогнутый).

Очевидный астигматизм в современном объективе указывает обычно на непараллельность одного или нескольких элементов, что является однозначным дефектом.

Кривизна поля изображения

Под кривизной поля изображения подразумевают характерное для весьма многих объективов явление, при котором резкое изображение плоского объекта фокусируется объективом не на плоскость, а на некую искривлённую поверхность. Например, у многих недорогих «загонников» наблюдается выраженная кривизна поля изображения, в результате которой края кадра оказываются сфокусированы как бы ближе к наблюдателю, чем центр. У прицелов большой кратности кривизна поля изображения обычно выражена слабо.

Кривизна поля изображения.
 

Дисторсия

Дисторсия – это аберрация при которой объектив отказывается изображать прямые линии прямыми. Геометрически это означает нарушение подобия между объектом и его изображением вследствие изменения линейного увеличения по полю зрения объектива.

Выделяют два наиболее распространённых типа дисторсии: подушкообразная и бочкообразная.

При бочкообразной дисторсии линейное увеличение уменьшается по мере удаления от оптической оси объектива, в результате чего прямые линии по краям кадра изгибаются наружу, и изображение выглядит выпуклым.

При подушкообразной дисторсии линейное увеличение, напротив, возрастает с удалением от оптической оси. Прямые линии изгибаются внутрь, и изображение кажется вогнутым.

Кроме того, встречается комплексная дисторсия, когда линейное увеличение сперва уменьшается по мере удаления от оптической оси, но ближе к краям изображения снова начинает возрастать. В таком случае прямые линии приобретают форму усов.

Бочкообразная дисторсия.
Подушкообразная дисторсия.
Комплексная дисторсия.

Дисторсия наиболее выражена в прицелах с большой кратностью, но заметна и в прицелах с фиксированным фокусным расстоянием. Для широкоугольных «загонников» характерна преимущественно бочкообразная дисторсия (экстремальный пример такой дисторсии – объективы типа fisheye или «рыбий глаз»), в то время как в прицелах с большой кратностью чаще свойственна подушкообразная дисторсия. Как правило, прицелы известных марок (Калес, Вортекс, Лейка и др.) наименее подвержены дисторсии.

Это не Земля закругляется, а обычная бочкообразная дисторсия.

У прицелов переменной кратности часто можно наблюдать бочкообразную дисторсию в широкоугольном положении (на малой кратности) и подушкообразную дисторсию в телеположении (на большой кратности зума) при практически свободной от дисторсии середине диапазона фокусных расстояний.

Степень выраженности дисторсии может также изменяться в зависимости от дистанции фокусировки: у многих прицелов дисторсия очевидна, когда они сфокусированы на близлежащем объекте, но делается почти незаметной при фокусировке (отстройке от параллакса) на бесконечность.

Хочу также заметить, что на практике исправление дисторсии требуется не так уж часто, ведь дисторсия бывает заметна невооружённым глазом только тогда, когда по краям изображения присутствуют заведомо прямые линии (горизонт, стены зданий, колонны). В сценах же, не имеющих на периферии строго прямолинейных элементов, дисторсия, как правило, совершенно не режет глаз. Поэтому если Вы не снайпер, работающий в городской застройке, этот эффект будет Вам практически незнаком. 

Хроматические аберрации

Хроматические или цветовые аберрации обусловлены дисперсией света. Не секрет, что показатель преломления оптической среды зависит от длины световой волны. У коротких волн степень преломления выше, чем у длинных, т.е. лучи синего цвета преломляются линзами объектива сильнее, чем красного. Как следствие, изображения предмета, формируемые лучами различного цвета, могут не совпадать между собой, что приводит к появлению цветных артефактов, которые и называются хроматическими аберрациями.

Различают два основных типа хроматических аберраций: хроматизм положения (продольная хроматическая аберрация) и хроматизм увеличения (хроматическая разность увеличения). В свою очередь, каждая из хроматических аберраций может быть первичной или вторичной. Также к хроматическим аберрациям относят хроматические разности геометрических аберраций, т.е. различную выраженность монохроматических аберраций для волн разной длины.

Хроматизм положения

Хроматизм положения или продольная хроматическая аберрация возникает, когда лучи света с разной длиной волны фокусируются в разных плоскостях. Иными словами, лучи синего цвета фокусируются ближе к задней главной плоскости объектива, а лучи красного цвета – дальше, чем лучи зелёного цвета, т.е. для синего цвета наблюдается фронт-фокус, а для красного – бэк-фокус.

Хроматизм положения.

К счастью для нас, хроматизм положения научились исправлять ещё в XVIII в. путём комбинирования собирательной и рассеивающей линз, изготовленных из стёкол с разными показателями преломления. В результате продольная хроматическая аберрация флинтовой (собирательной) линзы компенсируется за счёт аберрации кроновой (рассеивающей) линзы, и лучи света с различной длиной волны могут быть сфокусированы в одной точке.

Исправление хроматизма положения.

Практически все современные объективы прицелов известных производителей являются ахроматами, так что о хроматизме положения на сегодняшний день можно спокойно забыть.

Хроматизм увеличения

Хроматизм увеличения возникает за счёт того, что линейное увеличение объектива различается для разных цветов. В результате изображения, формируемые лучами с различной длиной волны, имеют немного разные размеры. Поскольку изображения разного цвета отцентрированы по оптической оси объектива, хроматизм увеличения отсутствует в центре наблюдаемого изображения, но возрастает к его краям.

Хроматизм увеличения проявляется на периферии изображения в виде цветной каймы вокруг объектов с резкими контрастными краями, такими как, например, тёмные ветви деревьев на фоне светлого неба. В областях, где подобные объекты отсутствуют, цветная кайма может быть незаметной, но общая чёткость всё равно падает.

При конструировании объектива прицела хроматизм увеличения исправить значительно труднее, чем хроматизм положения, поэтому эту аберрацию можно в той или иной степени наблюдать у весьма многих прицелов. Этому подвержены в первую очередь прицелы с большой кратностью, особенно в широкоугольном положении.

Этот фрагмент фотографии иллюстрирует хроматизм увеличения. 

Первичные и вторичные хроматические аберрации

Хроматические аберрации подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные хроматические аберрации – это хроматизмы в своём исходном неисправленном виде, обусловленные различной степенью преломления лучей разного цвета. Артефакты первичных аберраций окрашены в крайние цвета спектра – сине-фиолетовый и красный.

При исправлении хроматических аберраций хроматическая разность по краям спектра устраняется, т.е. синие и красные лучи начинают фокусироваться в одной точке, которая, к сожалению, может не совпадать с точкой фокусировки зелёных лучей. При этом возникает вторичный спектр, поскольку хроматическая разность для середины первичного спектра (зелёных лучей) и для его сведённых вместе краёв (синих и красных лучей) остаётся не устранённой. Это и есть вторичные аберрации, артефакты которых окрашены в зелёный и пурпурный цвета.

Когда говорят о хроматических аберрациях современных объективов прицелов, в подавляющем большинстве случаев имеют в виду именно вторичный хроматизм увеличения и только его. Апохроматы, т.е. объективы, в которых полностью устранены как первичные, так и вторичные хроматические аберрации, чрезвычайно сложны в производстве и вряд ли когда-нибудь станут массовыми.

Что же из всего вышеизложенного важно для уважаемого читателя?

Сколь-нибудь серьезное влияние на точность прицеливания в оптический прицел могут оказать сферическая аберрация, кома, астигматизм и хроматическая аберрация. 
Но, как правило, уважающие себя фирмы делают все от них зависящее, чтобы максимально исправить эти аберрации. 
Критерием исправления аберраций является предел разрешения оптической системы. 
Измеряется он в угловых величинах, и чем он меньше (при равном увеличении), тем лучше прицел исправлен на аберрации.
Дисторсия не оказывает влияния на разрешение прицела и проявляется в некотором искажении резко видимого изображения. 
Многие могли сталкиваться с такими приборами, как дверные глазки и фотообъективы типа «Рыбий глаз», в которых дисторсия специально не исправляется. 
Как правило, дисторсия в оптических прицелах также исправляется. 

Теперь о понятии параллакса.

В разговорах «бывалых», когда речь заходит об оптических прицелах, зачастую всплывает понятие «параллакс». При этом упоминается множество фирм и моделей прицелов и звучат разнообразные оценки.

Так что же такое параллакс?
Параллаксом называют видимый сдвиг изображения цели по отношению к изображению прицельной марки, если глаз отодвигается в сторону от центра окуляра. Это происходит вследствие того, что изображение цели сфокусировано не совсем в фокальной плоскости прицельной марки.
Максимальный параллакс возникает, когда глаз достигает границы выходного зрачка прицела.
Но даже в этом случае прицел с постоянной кратностью увеличения 4х, отстроенный от параллакса на 150 м (на заводе) даст ошибку около 20 мм на дистанции 500 м.
На коротких дистанциях эффект параллакса практически не сказывается на точности выстрела. Так, для упомянутого выше прицела на дистанции 100 м, ошибка составит лишь около 5 мм. Также следует иметь в виду, что при удержании глаза по центру окуляра (на оптической оси прицела), эффект параллакса практически отсутствует и не сказывается на точности стрельбы в большинстве охотничьих ситуаций.

Прицелы с заводской отстройкой от параллакса

Любой прицел с фиксированной системой фокусировки объектива может быть отстроен от параллакса только на какую-либо одну определенную дистанцию. Большинство прицелов имеют заводскую отстройку от параллакса на 100-150 м.
Исключением являются прицелы малой кратности увеличения, ориентированные на использование с дробовиком или комбинированным оружием (40-70 м) и так называемые «тактические» и им подобные прицелы для стрельбы на дальние дистанции (300 м и более).

По мнению специалистов, не стоит обращать серьезного внимания на параллакс при условии, что дистанция стрельбы простирается в пределах: на 1/3 ближе … на 2/3 дальше дистанции заводской отстройки прицела от параллакса.
Пример: «тактический» прицел постоянной кратности KAHLES ZF 95 10×42 отстроен от параллакса на заводе на дистанцию 300 м.
Это означает, что при стрельбе на дистанциях от 200 до 500 м Вы не ощутите эффект параллакса. Кроме того, при стрельбе на 500 м на точность выстрела влияет масса факторов, связанных, в первую очередь, с характеристиками оружия, баллистикой боеприпасов, погодными условиями, стабильностью положения оружия в момент прицеливания и выстрела, приводящих к отклонению точки попадания от точки прицеливания на величины, значительно превышающие отклонение, вызванное параллаксом при стрельбе из винтовки, зажатой в тиски в абсолютном вакууме.
Другой критерий: параллакс не проявляется существенным образом, пока кратность увеличения не превышает 12х. Другое дело — прицелы для целевой стрельбы и варминтинга, как, скажем, 6-24х44 или 8-40х56.

Прицелы с возможностью отстройки от параллакса

Целевая стрельба и варминтинг требуют максимальной точности прицеливания. Для обеспечения требуемой точности на разных дистанциях стрельбы выпускаются прицелы с дополнительной фокусировкой на объективе, окуляре или на корпусе центральной трубки и соответствующей шкалой расстояний. Такая система фокусировки позволяет совместить изображение цели и изображение прицельной марки в одной фокальной плоскости.
Чтобы устранить параллакс на выбранной дистанции, необходимо проделать следующее:
1. Изображение прицельной марки должно быть четким. Этого необходимо добиться с помощью фокусировочного механизма вашего прицела (диоптрийная коррекция).
2. Каким-либо способом измерьте расстояние до цели. Поворотом фокусировочного кольца на объективе или маховика на корпусе центральной трубки установите измеренное значение дистанции напротив соответствующей метки.
3. Надежно зафиксируйте оружие в максимально стабильном положении и посмотрите в прицел, сконцентрировавшись на центре прицельной марки. Слегка приподнимите, а затем опустите голову. Центр прицельной марки должен быть абсолютно неподвижным по отношению к цели. В противном случае выполните дополнительную фокусировку, вращая кольцо или барабан до полного устранения движения центра марки.
Преимущество прицелов с отстройкой от параллакса на корпусе центральной трубки или на окуляре состоит в том, что при настройке прицела стрелку, приготовившемуся к стрельбе, нет необходимости менять положение.

Вместо вывода
Ничего не бывает просто так. Появление в прицеле дополнительного регулировочного узла не может не сказаться на общей надежности конструкции, а при надлежащем исполнении — на цене. К тому же, возникновение необходимости думать о дополнительной настройке в стрессовой ситуации не может не сказаться на точности Вашего выстрела, и тогда в промахе будете виноваты Вы сами, а не Ваш прицел.



Поделиться в соц. сетях:

Что такое аберрация? | [ПРО]ФОТО

Содержание страницы

Аберрация это искажение изображения, связаное с неидеальностью оптической схемы. Есть множество типов аберраций — дисторсия, дифракционная, хроматические, кома, ну и другие.

Аберрация (от латинского aberratio — отклонение) искажения, погрешности изображения, формируемого оптической системой. Вызваны несовершенством преломляющих и отражающих поверхностей реальных оптических систем, их неидеальностью. Проявляются в нечёткости изображения, его окрашенности, нарушении геометрического подобия между объектом и его изображением.

Существует пять монохроматических аберраций низшего (третьего) порядка, исследованных в середине XIX века году немецким математиком Д. Зейдлем (D. Seidel): сферическая аберрация, кома, астигматизм, кривизна изображения и дисторсия. В реальных системах монохроматические аберрации по-отдельности практически не встречаются, обычно наблюдаются комбинации всех аберраций, кроме того, на общую картину налагаются аберрации высших порядков. При прохождении через систему белого светового пучка, состоящего из лучей различных длин волн, явление осложняется дисперсией лучей, т.е. зависимостью показателя преломления среды от длины проходящей волны.

Эти явления обуславливают появление двух типов хроматических аберраций: хроматической аберрации положения и хроматической аберрации увеличения. Помимо перечисленных, выделяют термооптические, барические и другие типы аберраций.

При разработке объективов некоторые типы аберраций устраняются еще на этапе проектирования и расчетов, остаточные явления убираются непосредственно в фоторедакторах при обработке RAW.

Наличие\отсутствие аберраций обуславливается конструкцией оптической схемы объектива, форм элементов и материалами, примененными при разработке, и изготовлении линз. Например, применением асферических элементов или элементов из низкодисперсионного стекла, устраняются или корректируются сферическая и хроматическая аберрация, астигматизм.

Вместо P.S.

Нас, как пользователей, волнует качество изображения, выдаваемое объективом, а производители все время работают над улучшением качества оптики. Одни только эксперименты Canon по вводу в производство низкодисперсионных элементов заняли 5 лет и огромные количества человеко-часов, исправив множество искажений практически разом, применив разработанный комплекс мер по увеличению точности обработки линз и добавлением новых элементов в конструкции.

Это не реклама компании Canon — просто, информация об этом у них есть в открытом доступе.

Курсы для фотографа:

Переходники для фотоаппаратов и объективов
Иногда я покупаю фототехнику СССР и не только. Свое предложение можете написать мне. Комментарии можно оставлять без регистрации и смс

Навигация по записям

Аберрации человеческого глаза, способы их измерения и коррекции (обзор литературы) | Егорова Г.Б., Бородина Н.В., Бубнова И.А.

This article is devoted to the new technology, «new diagnostic tool» –non–invasive wavefront sensing of the human eye, which can provide ophthalmologists with precise measurement of both higher– and lower–order aberrations. It describes most wide–spread types of wavefront systems, which use different principles in there functioning. Many factors, such as age of patient, accommodation, tear film break–up may cause the changes in wavefront map. Also higher order aberrations can be increased, by wearing soft or rigid contact lenses. Refractive and cataract surgery may induce large amount of higher order aberrations, which determine the cause the lower BCVA, than we can expect. This article describes different possible ways of correction higher order aberrations.


Современный мир предъявляет высокие требования к здоровью человека, и в первую очередь к зрению, так как основной объем информации поступает через зрительный анализатор. Для выполнения качественной и быстрой интеллектуальной работы специалист должен не только иметь хорошую остроту зрения, но удовлетворительную зрительную работоспособность, которая зависит от качества поступающего в головной мозг изображения.
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 в центре фовеолы при его прохождении через всю оптическую систему глаза [3].
В технической оптике качество оптической системы определяется аберрациями плоского или сферического фронта световой волны при прохождении через эту систему [5]. 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) [1]. 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. Такое искажение называется «функцией светорассеяния изображения точки» [1].
Количественной характеристикой оптического качества изображения является среднеквадратичное значение ошибок отклонения реального волнового фронта от идеального [5]. Zernike ввел математический формализм, использующий серии полиномов для описания аберраций волнового фронта [31]. Полиномы первого и второго, т. е. низших порядков, описывают привычные для офтальмологов оптические аберрации – дефокусировку (аметропии), астигматизм. 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 и фовеолы. К аберрациям четвертого порядка относится сферическая аберрация, которая в основном обусловлена тем, что периферия хрусталика преломляет падающие на нее параллельные лучи сильнее центра. Более высокие порядки известны, как нерегулярные аберрации [2].
Кроме того, сама полихроматическая природа света обусловливает появление аберраций: лучи разной длины волны фокусируются на разном расстоянии от сетчатки (коротковолновые – ближе к роговице, чем длинноволновые). Такие аберрации называют хроматическими [3].
Оптическая система считается хорошей, если коэффициенты Цернике близки к нулю и, следовательно, среднеквадратичное значение ошибок волнового фронта меньше 1/14 длины волны (критерий Марешаля) [20]. При известных волновых аберрациях можно рассчитать коэффициент Штреля (соотношение между пиком интенсивности функции светорассеяния изображения точки определенного глаза и глаза без аберраций), который в определенных условиях хорошо коррелирует с остротой зрения [1]. Исходя из данных этого коэффициента можно прогнозировать остроту зрения, моделируя изображение любых оптотипов на сетчатке.
Вопрос разработки методов качественной и количественной оценки аберраций стоял перед офтальмологами давно. Еще в конце 19 века, в 1894 году, Tscherning разработал оригинальный метод, основанный на субъективном определении аберраций [23]. В дальнейшем он был доработан Howland в 1960 году, а в 1989 аберроскопом такого типа пользовался Ю.З. Розенблюм [3]. Но, к сожалению, такая аберрометрия носит только описательный характер, требует активного участия пациента и является весьма трудоемкой процедурой. С приходом в офтальмологию новых технологий появился широкий спектр точных объективных методов как качественного, так (и что особенно важно) количественного способа оценки аберраций 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), реализованный в двух вариантах. В усовершенствованном аберрометре Tscherning в качестве источника параллельных лучей используется YAG–лазер с длиной волны 532 нм, луч которого, пройдя через коллиматор, приобретает параллельное направление и проецирует на сетчатку решетку из 168 точек, расположенных в форме квадрата. Ретинальное изображение этой решетки регистрируется цифровой камерой и обрабатывается на компьютере [23]. При аберрометрии по отслеживанию луча (ray tracing aberrometry) используется прибор, разработанный В.В. и В.С. Молебными совместно с И. Паликарисом. 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 [22].
Второй принцип – анализ вышедшего из глаза отраженного луча (outgoing refraction aberrometry) – впервые был описан Hartmann в 1900 году, позднее модифицирован R.V. Shack и B.C. Platt в 1971 году и 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 неаберрированные 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 [28].
Третий принцип основан на компенсаторной юстировке падающего на фовеолу светового пучка. Основоположником его был русский физик М.И. Смирнов, который изобрел простейший метод измерения аберраций и опубликовал свою работу в 1961 году. В дальнейшем он был усовершенствован и в настоящее время 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 аметропия 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 [10].
Принцип классической скиаскопии реализован в виде сканирующего щелевого рефрактометра «OPD Scan», в котором через вращающееся колесо с щелью по оптической оси глаза проецируется инфракрасный пучок. Его отражение воспринимает фотодетектор и оценивает направление и скорость движения отраженного от сетчатки луча [18].
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.
Выявлено, что аберрации оптической системы глаза зависят от формы и прозрачности роговицы и хрусталика; локализации патологических изменений в сетчатке; прозрачности внутриглазной жидкости и стекловидного тела [3,4].
Известно, что увеличение диаметра зрачка вносит изменения в соотношение аберраций высших порядков. 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 и отвечают критерию Марешаля, составляет 3,22 мм [5].
Несомненно воздействие на карту аберраций аккомодации. 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 [6].
К факторам, влияющим на аберрации, относится и состояние слезной пленки. Авторами обнаружено, что при разрушении слезной пленки аберрации высших порядков увеличиваются в 1,44 раза [15].
Значительное место в использовании волнового фронта занимают исследования аберраций при кератоконусе. Отмечено значительное увеличение аберраций, особенно кома–подобных, которые превышали в 2,3 раза уровень сферических аберраций [8, 19]. Метод волнового фронта дает возможность создания «индивидуальной оптики» – контактной линзы (КЛ) для коррекции кератоконуса. «Индивидуальная оптика» предназначена для коррекции аберраций высшего порядка. Алгоритм дизайна КЛ разрабатывается на основе данных волнового фронта и компьютерной топографии роговицы [21].
Некоторые исследователи отмечают появление аберраций, индуцированных КЛ. Так, выявлено, что мягкие КЛ могут вызывать волновые монохроматические аберрации высокого порядка, тогда как жесткие КЛ значительно уменьшают аберрации 2–го порядка[14, 17]. Однако асферичность поверхности жестких КЛ может быть причиной сферических аберраций. Асферические КЛ могут вызывать большую нестабильность остроты зрения, чем сферические КЛ при одной и той же подвижности за счет индуцирования аберраций [7]. Мультифокальные КЛ могут индуцировать аберрации по типу комы и 5–го порядка [26].
Использование волнового фронта позволило разработать методы изготовления КЛ с целью максимальной нейтрализации аберраций глаза. Однако ротация и изменение положения линзы на роговице ограничивают возможности компенсации аберраций [ 16, 22, 29].
Исследования аберраций индуцированных КЛ открыли возможность изготовления линз определенного дизайна, который позволяет снизить уровень суммарных остаточных аберраций глаза и повысить контрастную чувствительность [9, 12].
Несомненным является тот факт, что практически любое хирургические вмешательство индуцирует аберрации высших и низших порядков. Так, фоторефракционные операции увеличивают аберрации роговицы (в основном 3–го и 4–го порядка) и изменяют их соотношение, что может обусловливать низкое зрение после операции и появление жалоб у пациентов на ослепление и двоение изображения [25]. Выявлена строгая корреляция между зрительными симптомами и аберрациями: монокулярная диплопия возникает при горизонтальной коме, а глэр–эффект – при сферических аберрациях [11]. Проведенные исследования показывают, что при диаметре зрачка, превышающем 7,0 мм, Laser in situ keratomileusis (LASIK) индуцирует больше сферических аберраций, чем фоторефрактивная кератэктомия (ФРК). Вероятно, этим можно объяснить, что после проведенного LASIK описывается большее количество жалоб пациентов, связанных с ослеплением, чем после ФРК [24].
В настоящее время разработана методика проведения индивидуализированной абляции на основе аберрометрии, которая позволяет достичь так называемого «суперзрения», т.е. остроты зрения 1,5 и более. Множество факторов могут ограничивать возможности данной методики. Во–первых, это постоянные динамические изменения параметров глаза, зависящие от тонуса аккомодации, размера зрачка, изменения направления взгляда, которые нельзя полностью учесть при прогнозировании результатов операции. Во–вторых, имеются так называемые рецепторные и нейронные ограничения остроты зрения: плотность фоторецепторов сетчатки определяет минимальные размеры деталей, возможных для их различения. Следовательно, совершенствование оптических свойств глаза, позволяющих получить на сетчатке изображение с более мелкими деталями, не только не улучшит его качества, но может даже исказить реальную картину [1, 2].
После экстракции катаракты даже таким современным методом, как факоэмульсификация с имплантацией ИОЛ, также отмечается значительное увеличение высших аберраций высших (преимущественно 4–го) порядков [30]. Предпринята попытка разработки ИОЛ с отрицательными сферическими аберрациями, которые частично компенсируют положительные сферические аберрации роговицы. Авторами, в предварительных сообщениях, отмечено некоторое повышение контрастной чувствительности при имплантации таких линз [13, 27]. Это направление коррекции аберраций представляется весьма интересным, но требует дальнейшего изучения.
Таким образом, изучение аберраций человеческого глаза позволяет дать дополнительную оценку оптическому аппарату глаза, что расширяет возможности для более углубленной и полноценной диагностики, адекватной коррекции и эффективного лечения большинства офтальмологических заболеваний, сопровождающихся снижением корригированной остроты зрения, появлением астенопических жалоб.

Литература
1. Арталь П. «Суперзрение»: факты и вымыслы.// Вестник оптометрии. – 2002. – №4. – С.34–41.
2. Балашевич Л.И. Оптические аберрации глаза: диагностика и коррекция.// Окулист. – 2001. – №6(22). – С.12–15.
3. Балашевич Л.И. Рефракционная хирургия. – Санкт–Петербург, 2002. – С.285.
4. Корнюшина Т.А., Розенблюм Ю.З. Аберрации оптической системы глаза человека и их клиническое значение.// Вестник оптометрии. – 2002. – №3. – С.13–20.
5. Семчишен В., Мрохен М., Сайлер Т. Оптические аберрации человеческого глаза и их коррекция.// Рефракционная хирургия и офтальмология. – 2003. – Т.3.– №1. – С. 5–13.
6. Artal P. Understanding Aberrations by using Double–pass techniques.// J. Refract. Surg. – 2000.– Vol. 16. – No 5. – P. 560–562.
7. Atchison D.A. Aberrations associated with rigid contact lenses.// J. Opt. Soc.Am. A. – 1995.– vol.– 12.– №10.– Р. 2267–2273.
8. Barbero S., Marcos S., Merayo–Lloves J., Moreno–Barriuso E. Validation of the estimation of corneal aberration from videokeratography in keratokonus.// J. Refract. Surg. – 2002. – Vol. 18. – No 3. – P. 263–270.
9. Brabander J., Chaten N., Bouchard F. et al. Contrast sensivitivity soft contact lenses compensated for spherical aberration in high ametropia.// Optom. Vis. Sci.– 1998.– Vol.75.– №1.– Р.–43.
10. Burns S.A. The Spatially Resolved Refractometer.// J. Refract. Surg. – 2000.– Vol. 16. – No 5 – P. 566–569.
11. Chalita M.R., Waheed S., Xu M., Krueger R.R. Wavefront Analysis in Post–LASIK Eyes and its Correlation with Visual Symptoms, Refraction and Topography.// Invest Ophthalmol Vis Sci. – 2003. – №44(5). – P. 2651.
12. Dietze H.H., Cox VJ. On– and of– eye spherical aberration of soft contact lenses and consequent changes of effective lens power [In Process Citation]. // Optom. Vis. Sci.– 2003.– Vol. 80.– №2.– Р.126–134.
13. Holladay J.T., Piers P.A., Koranyi G., Mooren M., Norrby S. A new intraocular lens design to reduce spherical aberration of pseudopfakic eyes.// J. Refract. Surg. – 2002.– Vol. 18. – No 6. – P. 683–691.
14. Hong X., Himebaugh N., Thibos LN. On – eye evaluation of optical performance of rigid and soft contact lenses. // Optom. Vis. Sci. –2001.– Vol. 78.–№12.– Р.872–880.
15. Koh S., Maeda N., Kuroda T., Hori Y., Watanabe H., Fujikado T., Tano Y., Hirohara Y., Mihashi T. Effect of tear film break–up on higher–order aberrations measured with wavefront sensor.// Am J Ophthalmol. – 2002. – №134. – P. 115–117.
16. Lopez – Gil N., Castejon – Mochon JF.,Benito A. at al. Aberration generation by contact lenses with aspheric and asymmetric surfaces. // J.Refract. Surg.–2002.– Vol.–18.– №5.– Р. 603–609.
17. Lu F,.Mao X.,Qu J., еt al. Monochromatic wavefront aberration in the human eye with contact lenses.// Optom.Vis. Sci. –2003.– Vol.–80.–№2.– Р.135–141
18. MacRae S., Fujieda M. Slit Skiascopic–guided Ablation Using the Nidek Laser.// J. Refract. Surg. – 2000.– Vol. 16. – No 5. – P. 576–580.
19. Maeda N., Fujikado T., Kuroda T., et al. Wavefront aberrations measured with Hartmann–Shack sensor in patients with keratoconus.// Ophthalmology.– 2002.– Vol.109.– №11.– Р. 1996–2003.
20. Marechal A. Etude des effect combines de la diffraction et des aberrations geometriques sur L’image d’un point lumineux.// Revue d’optique. – 1947. – P. 257–277.
21. Marsack J., Milner T., Rylander G.,et al. Applying wavefront sensors and corneal topography to keratoconus. // Biomed. Sci. Instrum.– 2002.– Vol.38.– Р. 471–476.
22. Molebny V.V., Panagopoulou S.I., Molebny S.V., Wakil Y.S., Pallikaris I.G. Principles of Ray Tracing Aberrometry.// J. Refract. Surg. – 2000.– Vol. 16. – No 5. – P. 572–575.
23. Mrochen M., Kaemmerer M., Mierdel P., Krinke H.E., Seiler T. Principles of Tscherning Aberrometry.// J. Refract. Surg. – 2000.– Vol. 16. – No 5. – P. 570–571.
24. Oshika T., Klyce S.D., Applegate R.A., Howland H.C., Danasoury M.A. Comparision of corneal wavefront aberrations after photorefractive keratectomy and laser in situ keratomileusis.// Am J Ophthalmol. – Vol. 127. – №1. – P. 1–7.
25. Oshika T., Miyata K., Tokunaga T., Samejima T., Amano S., Tanaka S., Hirohara Y., Mihashi T., Maeda N., Fujikado T. Higher order wavefront aberrations of cornea and magnitude of refractive correction in laser in situ keratomileusis.// Ophthalmology. – 2002. – Vol. 109. – №6. – P. 1154–1158.
26. Patel S., Fakhry M., Alio JL. Objective assessment of aberrations induced by multifocal contact lenses in vivo.// CLAO J.– 2002 – Vol. 28.– №4.– Р. 196–201.
27. Piers P.A., Mester U., Anterist N., Dillinger P., Norrby S. How wavefront–based IOL designs affect pseudophakic visual quality.// Invest Ophthalmol Vis Sci. – 2002. – Vol. 43. – №12.– P. 2022.
28. Thibos L.N. Principles of Hartmann–Shack Aberrometry.// J. Refract. Surg. – 2000.– Vol. 16. – No 5. – P. 563–565.
29. Williams D., Yoon GY., Porter J.,et al. Visual benefit of correcting higher order aberrations of the eye.// J. Refract. Surg.– 2000.– Vol.– 16.– № 5.– Р. 554–559.
30. Xiong Y., Lu Y., Qu X., Xue F., Chu R., He J.C. Investigation of wavefront aberrations for patients with cataract surgery.// Invest Ophthalmol Vis Sci. – 2002. – Vol. 43. – №12.– P. 387.
31. Zernike F. Beugungstheorie des Schneidenverfahrens und seiner verbesserten Form der Phasenkontrastmethode.// Physica I. – 1934. – №2. – Р. 689–704.

.

Оптические аберрации | БИК Дом оптики

Аберрации оптических систем (от лат. — отклонение) — это искажения, погрешности изображения, вызванные несовершенством оптической системы. Аберрации были установлены в 1856 году немецким ученым Ф.Л. Зайделем в результате анализа световых лучей, появляющихся при прохождении через объектив монохромного света (т.е. света одной волны). Аберрациям, в разной степени, подвержены любые объективы, даже самые дорогостоящие. Считается, что чем больше диапазон фокусных расстояний объектива, тем выше уровень его аберраций.

Основные типы аберраций  в оптических системах:

 Сферическая аберрация.

Большое количество объективов сконструировано с использованием линз со сферическими поверхностями. Такие линзы просты в изготовлении, но сферическая форма линз не идеальна для получения резких снимков. Эффект сферической аберрации проявляется в смягчении контраста и размытии деталей на получаемом изображении.

Как это происходит? Особенность сферической линзы такова, что лучи света, проходящие через линзу вблизи её края, преломляются сильнее, чем лучи, проходящие через центр. Объясняется это тем, что исходно параллельные лучи света падают на сферическую поверхность линзы под разными углами. Чем дальше лежит путь луча от оптической оси объектива, тем больше угол его падения, и тем сильнее он преломляется. В конечном итоге это приводит к невозможности сфокусировать точку иначе как в виде размытого по краям пятна, и всё изображение оказывается нерезким.

Хроматическая аберрация.

Хроматические аберрации – это явление вызванное дисперсией света проходящего через объектив, т.е. разложением луча света на составляющие. Лучи с разной длиной волны (разного цвета) преломляются под разными углами, поэтому из белого пучка образуется радуга. Хроматические аберрации приводят к снижению чёткости изображения и появлению цветной «бахромы», особенно это заметно на контрастных объектах.

Встречаются как в дешевых, так и в дорогих длиннофокусных объективах. Для борьбы с хроматическими аберрациями применяются специальные апохроматические линзы из низкодисперсного стекла, не разлагающего световые лучи на волны.

Коматическая аберрация (кома).

Кома возникает, когда лучи света проходят через линзу под углом к оптической оси. В результате изображение точечных источников света приобретает по периферии кадра вид ассиметричных пятен кометообразной формы.

Форма кометы ориентирована радиально, причем ее хвост направлен либо к центру, либо от центра изображения. Вызываемая этим размытость по краям изображения называется коматической засветкой. Определенной степени улучшения можно добиться диафрагмированием объектива. Кома также может привести к засвечиванию размытых участков изображения, создавая неприятный эффект. В сложных оптических системах кому корректируют вместе со сферической аберрацией путем подбора линз.

Астигматизм.

При объективе, скорректированным на сферическую и коматическую аберрацию, точка объекта на оптической оси будет точно воспроизведена как точка в изображении, но точка объекта, расположенная вне оптической оси, появится не как точка в изображении, а скорее как затемнение или как линия. Такой тип аберрации называется астигматизмом.

При этом виде искажения предметы на фотографии выглядят искривленными, местами размытыми, прямые линии выглядят изогнутыми, возможны затемнения. Можно наблюдать это явление по краям изображения, если слегка сместить фокус объектива в положение, в котором точка объекта резко изображена как линия, ориентированная в радиальном направлении от центра изображения, и опять сместить фокус в другое положение, в котором точка объекта резко изображена в виде линии, ориентированной в направлении концентрического круга. (Расстояние между этими двумя положениями фокуса называется астигматической разницей.)

Астигматизм исправляется сложно, чтобы исправить астигматизм нужно включение в схему объектива дополнительных линз.

Кривизна поля изображения.

При этом виде аберраций плоскость изображения становится изогнутой, таким образом если центр изображения в фокусе, то края изображения не в фокусе и наоборот, если края в фокусе, то центр не в фокусе. Кривизна поля изображения, как правило, достигает больших значений у простых объективов (которые имеют в своем составе 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 (искажение).

Этот вид аберрации проявляется в искажении прямых линий. Если прямые линии вогнутые дисторсию называют подушкообразной, если выпуклыми — бочкообразной. Объективы с переменным фокусным расстоянием обычно создают бочкообразную дисторсию на «широком угле» (минимальное значение “зума”) и подушкообразную — на  максимальном значении “зума”. Ярко выраженный пример оптической дисторсии можно наблюдать у объективов Fish-Eye (Рыбий глаз). Для устранения дисторсии применяют подбор линз и других элементов при разработке оптической системы.

 

Анатомия микроскопа. Оптические аберрации

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

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

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

На рис. 2 показано увеличенное изображение трех гипотетических монохроматических световых лучей, проходящих через выпуклую линзу. Наибольшее преломление периферийных лучей, за ними следуют средние, а затем лучи в центре. Большее преломление крайними лучами приводит к возникновению фокуса (обозначенного как фокус 1), который находится перед фокусами лучей, проходящих ближе к центру линзы (фокусы 2 и 3). Большая часть этого несоответствия в фокальных точках возникает из-за аппроксимации эквивалентности значений синуса и тангенса соответствующих углов, сделанных для уравнения линзы Гаусса для сферической преломляющей поверхности :

n/s + n’/s ‘ = (n’-n)/r

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

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

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

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

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

1/с + 1 /s’ = (n-1)(1/r(1)-1/r(2))

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Соавторы

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

Michael W. Davidson — National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr ., Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.

Аберрации в конфокальной микроскопии | Микроскоп Nikon U

Усовершенствования конструкции упростили конфокальную микроскопию до такой степени, что она стала стандартным исследовательским инструментом в клеточной биологии. Однако, поскольку конфокальные микроскопы стали более мощными, они также стали более требовательными к своим оптическим компонентам. На самом деле, оптические аберрации, вызывающие незначительные дефекты качества изображения в широкопольной микроскопии, могут иметь разрушительные последствия в конфокальной микроскопии.К сожалению, высокие оптические требования конфокальной микроскопии часто скрываются за оптической системой, которая гарантирует четкое изображение, даже когда микроскоп работает плохо. Производители оптики предлагают широкий спектр объективов для микроскопов, каждый из которых предназначен для конкретного применения. В этом отчете показано, как компромиссы, связанные с дизайном объектива, могут повлиять на конфокальную микроскопию.

Рисунок 1 — Хроматические аберрации с двумя объективами

За последние десять лет конфокальная микроскопия превратилась из метода, доступного только специалистам в области микроскопии, в стандартный исследовательский инструмент.Распространение его приложений связано как с быстрым технологическим развитием конфокальной микроскопии, так и с усовершенствованием пользовательского интерфейса коммерческих систем конфокальной микроскопии. Новейшие системы представляют собой почти полностью готовые системы, с помощью которых даже начинающие микроскописты могут быстро получать высококачественные изображения. По иронии судьбы, те же самые технические разработки, которые стимулировали распространение конфокальной микроскопии в экспериментальной биологии, также раздвинули границы оптики конфокальных микроскопов таким образом, что понимание оптических свойств конфокального микроскопа стало более важным, чем когда-либо.

Наиболее распространенным применением конфокальной микроскопии является сравнение распределения или поведения нескольких зондов в одних и тех же клетках. Такие исследования стали возможными благодаря разработке конфокальных микроскопов, способных эффективно собирать несколько цветов флуоресценции, и разработке новых красителей, которые расширили полезный спектр флуоресцентной микроскопии. В зависимости от конфигурации микроскопа для таких исследований может потребоваться оптика, в которой используются длины волн света в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного.Требования к точному цветному изображению еще больше возросли за счет развития колориметрических методов количественной микроскопии, таких как измерение коэффициента флуоресценции концентраций ионов.

Отсутствие хроматических аберраций — это только часть уравнения оптического проектирования, которое также учитывает монохроматические аберрации и такие параметры, как высокая фотонная эффективность, размер поля, плоскостность поля, рабочее расстояние и способность отображать глубоко водные биологические ткани.Поскольку дизайн оптики микроскопа отражает компромисс этих различных параметров, производители обычно проектируют множество различных объективов микроскопа, каждый из которых представляет собой определенный набор конструктивных компромиссов и подходит для конкретного применения. Обсуждаемые здесь исследования демонстрируют, что выбор объектива микроскопа может оказывать сильное влияние на результаты экспериментов по конфокальной микроскопии. Они подчеркивают важность тщательного выбора объектива микроскопа, подходящего для экспериментального применения.

Идеальная линза должна фокусировать свет всех цветов в одну точку. На самом деле все линзы имеют хроматическую аберрацию — свойство, при котором разные цвета света фокусируются в разных точках. При наблюдении образца через окуляр микроскопа из-за этого дефекта края объектов кажутся окрашенными. При отображении образца в цветной конфокальной микроскопии этот дефект приводит к тому, что различные цвета возбуждающего освещения фокусируются в разных точках образца, а излучение разных цветов собирается из разных точек образца.Горизонтальные смещения в плоскости изображения, называемые боковой хроматической аберрацией, приводят к различному увеличению разных цветов. Эту проблему можно свести к минимуму, ограничив анализ центром поля микроскопа. Однако вертикальные смещения цвета вдоль фокальной оси, называемые осевой хроматической аберрацией, присутствуют по всему полю зрения микроскопа. Это явно проблема для любого исследователя, пытающегося использовать цветную конфокальную микроскопию для определения относительного распределения нескольких зондов.Изображения, представленные на рисунках с 1 по 3, показывают, как результаты цветного конфокального изображения в решающей степени зависят от природы объектива микроскопа.

На рисунках показано сравнение характеристик план-флуориметрического 40-кратного объектива, рассчитанного на максимальное пропускание УФ-света, с планом-апохроматическим 100-кратным объективом, разработанным с минимальной хроматической аберрацией. Для одного аспекта сравнения была собрана вертикальная серия изображений отражения от поверхности покровного стекла с использованием света с длиной волны 488 или 647 нм.Поскольку разные цвета света отражаются одной поверхностью, линза без хроматических аберраций фокусирует разные цвета в одной фокальной плоскости. При воспроизведении в виде вертикального поперечного сечения изображения, полученные с помощью идеального объектива, будут показывать одну горизонтальную линию, в которой два цвета полностью перекрываются. Изображения в верхней половине Рис. 1(a) иллюстрируют xz -сечения отражения в стекле с фокальной осью ( z ), ориентированной вертикально, и демонстрируют, что планохроматический объектив 100x выполняет заслуживающую доверия работу приближаясь к этому идеалу, разрешая два цвета света с глубиной в пределах 0.1 микрометр друг от друга. Напротив, минимально скорректированный объектив Plan Fluor с увеличением 40x обнаруживает отражение света с длиной волны 647 нанометров примерно на 1,2 микрометра выше света с длиной волны 488 нанометров. На изображениях отражения стекла свет с длиной волны 647 нм показан красным, а свет с длиной волны 488 нм — синим. Масштабная линейка указывает расстояние в 1 микрометр.

Рисунок 2 — Коррекция осевой хроматической аберрации

Эффект этого вертикального несоответствия проявляется во флуоресценции.В нижней половине этой панели (рис. 1 (а)) показаны вертикальные сечения объемов изображения шариков, помеченных тремя флуорофорами. При съемке с план-апохроматическим объективом 100x три цвета совпадают, что приводит к белому, достаточно круглому изображению. Напротив, объектив с увеличением 40x создает изображение, в котором дальнекрасная флуоресценция (выбросы 680 нм, показана синим цветом) отчетливо смещена по вертикали от красной (600 нм) или зеленой (520 нм) флуоресценции.Кроме того, небольшое горизонтальное смещение дальнекрасной флуоресценции отражает боковую хроматическую аберрацию.

Для получения биологического тестового образца был использован тот факт, что эндосомы можно метить путем инкубации клеток с флуоресцентно меченными эндоцитарными лигандами. Большое количество молекул, включенных в каждую эндосому, гарантирует, что каждая из них будет содержать одинаковое соотношение флуоресцентных зондов. Таким образом, эндосомы обеспечивают отличный тест цветной конфокальной визуализации, поскольку они представляют объекты субразрешения в биологических образцах с цветом, который будет отражать относительный флуоресцентный вклад каждого флуорофора. На рис. 1(b) показано цветное изображение клеток, в которых эндосомы были помечены как флуоресцеинтрансферрином (F-Tf, который флуоресцирует зеленым цветом), так и Cy5-трансферрином (Cy5-Tf, который флуоресцирует в дальнем красном цвете), собранных с использованием Планапохромат с увеличением 100х. Совместная локализация двух зондов проявляется в постоянном желто-оранжевом цвете отдельных эндосом и более очевидна при сравнении изображений F-Tf с большим увеличением ( Рисунок 1(c) ) и Cy5-Tf ( Рисунок 1(d) ).На этих изображениях ( Рисунок 1(b ) по Рисунок 1(d) ) масштабная линейка представляет собой длину 10 микрометров.

Однако при переключении на объектив 40x plan fluor небольшие различия в фокальной плоскости очевидны даже между красной и зеленой флуоресценцией, как показано в клетках, меченных Tf, конъюгированным как с флуоресцеином, так и с родамином ( Рисунок 2(a) ) . Различия в фокальных плоскостях между дальнекрасной и зеленой флуоресценцией приводят к поразительным различиям в кажущемся распределении F-Tf и Cy5-Tf, которые теперь кажутся совершенно разными (, рис. 2(b) ).

Для клеточного биолога, который оценивает относительное распределение различных зондов, эти смещения будут иметь катастрофические последствия. Несоответствие в фокальной плоскости можно обойти, суммируя весь вертикальный ряд объемного изображения в единую проекцию, что снимает эффект различия в фокальной плоскости двух цветов ( рис. 2(с) ). Постоянный желтый цвет каждой эндосомы в проекции демонстрирует постоянное соотношение двух зондов в каждой эндосоме.Однако, поскольку эта процедура отбрасывает всю вертикальную информацию, она редко является подходящим способом представления конфокальных изображений. Эффекты осевой хроматической аберрации также можно свести к минимуму путем измерения осевого смещения разных цветов и объединения изображений, полученных в фокальных плоскостях, соответствующих каждому цвету. Пример этой процедуры показан на рис. 2(d) , на котором показаны комбинированные изображения зеленого и дальнего красного цветов, полученные на расстоянии 1,2 микрометра друг от друга с помощью объектива Plan Fluor с увеличением 40x.Масштабная линейка на изображениях Рис. 2 соответствует длине 10 микрометров. Коррекция, достигаемая за счет объединения изображений из разных фокальных плоскостей, очевидна при сравнении изображений отдельных датчиков, показанных на рис. 3 . В то время как Рисунок 3(a) и Рисунок 3(b) показывают плохое соответствие в распределении между F-Tf и Cy5-Tf на изображениях, полученных в одной и той же фокальной плоскости, сравнение Рисунок 3(b) и Рисунок 3(c) показывает, что дальнекрасное изображение может быть наложено на изображение зеленой флуоресценции, полученное 1.на 2 микрометра глубже. На этих изображениях ( Рисунок 3(a) по Рисунок 3(c) ) масштабная линейка соответствует длине 5 микрометров.

В то время как хроматическая аберрация приводит к тому, что свет разных цветов фокусируется в разных точках объема изображения, сферическая аберрация может значительно уменьшить сигнал в конфокальном микроскопе. Линза со сферической аберрацией фокусирует осевые и периферические лучи в разные точки, тем самым размывая изображение точечного источника света.Точно так же, как конфокальная диафрагма так эффективно улучшает контрастность изображения, подавляя расфокусированный свет, она эффективно устраняет большую часть флуоресценции объекта, изображенного со сферической аберрацией.

Рисунок 3 — Цветовая коррекция фокальной плоскости

Для многих образцов основным источником сферической аберрации является разница между показателями преломления иммерсионной среды и монтажной среды.До недавнего времени объективы микроскопов с самым высоким разрешением и лучшей коррекцией предназначались для использования с маслом в качестве иммерсионной жидкости. Для этих объективов сферическая аберрация сводится к минимуму только тогда, когда весь световой путь имеет показатель преломления иммерсионного масла (такой же, как у стекла) и накапливается с расстоянием в среде с другим показателем преломления. Поскольку большинство образцов, особенно живые образцы, помещаются в среду с показателем преломления, который значительно ниже, чем у иммерсионного масла, сферическая аберрация, таким образом, ограничивает глубину объемов изображения при использовании объективов с масляной иммерсией.

На рис. 4 показаны эффекты сферической аберрации в конфокальной микроскопии, где для получения изображения клеток, помеченных F-Tf, использовали масляный иммерсионный план-апохромат со 100-кратным увеличением, который был установлен на глубине либо 0 микрометров (поверхность покровного стекла). ( Рисунок 4(a) ) или 35 микрометров в водную среду ( Рисунок 4(b) ). В обоих случаях эндосомы кажутся четко очерченными, но накопленная сферическая аберрация светового пути на 35 микрометров в водную среду сильно скомпрометировала флуоресцентный сигнал в рис. 4(b) .Масштабная линейка представляет собой длину 10 микрометров на каждом из изображений, представленных в Рисунок 4 .

В последнее время производители оптики решили эту проблему, разработав объективы, в которых в качестве иммерсионной среды используется вода. Для водных образцов согласованный показатель преломления иммерсионной среды и среды образца делает сферическую аберрацию независимой от глубины изображения. Это позволяет этим объективам собирать изображения настолько глубоко, насколько позволяет рабочее расстояние, часто на сотни микрометров в образец.Успех этой конструкции показан на рис. 4 ((c) и (d)) , на котором показаны изображения клеток, помеченных F-Tf, собранных либо с нуля ( рис. 4(c) ), либо с 66 микрометров в водной среде ( Рисунок 4(d) ) с использованием иммерсионного план-апохроматического объектива 60x. Здесь на флуоресцентный сигнал не влияет путь света через водную среду образца. Это новое поколение план-апохроматических иммерсионных объективов с высокой числовой апертурой значительно помогло конфокальной микроскопии реализовать свой потенциал в трехмерной биологической визуализации.

Цветовые характеристики этого водно-иммерсионного объектива находятся между масляно-иммерсионным планом-флуором и план-апохроматическими объективами, которые обсуждались ранее. Изображения поперечного сечения отражения стеклянной поверхности в верхней половине Рис. 5(a) показывают, что свет с длиной волны 647 нм фокусируется примерно на 0,6 микрометра выше света с длиной волны 488 нм. Аналогичные закономерности для объемов, собранных в водной среде на глубине 0 или 63 микрометра, показывают, что это несоответствие не зависит от глубины визуализации.

Нижнее левое изображение из Рисунок 5(a) показывает, что это цветовое несоответствие приводит к тому, что дальнее красное изображение гранулы с тройной меткой смещается по сравнению с красным или зеленым флуоресцентным изображением. На изображениях флуоресцентных шариков излучение с длиной волны 520 нм показано зеленым цветом, излучение с длиной волны 600 нм — красным, а излучение с длиной волны 680 нм (дальний красный цвет) — синим. Нижняя правая часть этой панели демонстрирует критическую важность коррекции толщины покровного стекла для минимизации сферической аберрации в объективах такого типа.Поскольку поправка на сферическую аберрацию зависит от длины оптического пути через покровное стекло, она регулируется ошейником, который устанавливается в зависимости от толщины покровного стекла. В то время как поперечное сечение шарика слева было снято с ошейником, установленным на измеренную толщину покровного стекла (174 микрометра), изображение справа было снято с ошейником, смещенным на 150 микрометров. Сферическая аберрация, возникающая в результате неправильной настройки ошейника, сильно ослабляет сигнал флуоресценции и ухудшает разрешение по вертикали.Хотя эта неправильная настройка была выбрана для драматизма, мы подчеркиваем, что такая ошибка легко встречается на практике, потому что фактическая толщина покровных стекол может отличаться от их номинального значения более чем на 40 микрометров. Правильная настройка воротника может быть обеспечена только путем измерения отдельных покровных стекол. На всех изображениях Рисунок 5(a) фокальная ось ориентирована вертикально, а масштабная линейка указывает расстояние в 1 микрометр.

Рисунок 4 — Сферическая аберрация

Изображения, показанные на Рисунок 5(b ) и Рисунок 5(c) , представляют собой поле клеток, помеченных как F-Tf, так и Cy5-Tf, и были собраны на глубине 63 микрометра в водном буфере. .Масштабная линейка представляет 10 микрометров на этих двух изображениях. Хотя изображения кажутся четкими, осевая хроматическая аберрация этого объектива приводит к тому, что распределения F-Tf и Cy5-Tf выглядят дискретными ( рис. 5(b) ). Тем не менее, проекция вертикальной серии изображений этих клеток ( Рисунок 5(c) ) показывает, что два зонда одинаково метят все эндосомы. В соответствии с изображениями отражения, показанными на рис. 5(а) , осевая хроматическая аберрация также очевидна на изображениях эндосом, собранных на глубине ноль микрометров (на поверхности покровного стекла).Небольшая разница наблюдается в фокальной плоскости красной и зеленой флуоресценции на изображениях эндосом, меченных Tf, конъюгированным как с флуоресцеином, так и с родамином (, рис. 6(a) ), но F-Tf и Cy5-Tf снова, по-видимому, маркируют дискретные популяции. эндосом ( Фигура 6(b) ).

Распределение двух зондов можно лучше сравнить, если учесть разницу в фокальной плоскости и объединить изображение Cy5-Tf с изображением флуоресцеина, полученным на 0,6 микрометра глубже.Совместная локализация двух зондов теперь проявляется в постоянном желтом цвете эндосом, показанных на Фигуре 6(c) . Очевидные различия в распределении двух зондов, показанные на изображениях, полученных в одной фокальной плоскости (, рис. 6(d) и , рис. 6(e) ), исчезают при сравнении изображения Cy5-Tf с изображением F-Tf. собран на 0,6 микрометра глубже ( Рисунок 6(f) ). Масштабная линейка представляет собой длину 10 микрометров в Рис.

Эффекты хроматической аберрации также можно количественно оценить путем измерения коэффициентов флуоресценции на изображениях эндосом, помеченных несколькими зондами. Полулогарифмические графики гистограмм отношений представлены на рис. водно-иммерсионный план-апохромат (зеленая кривая). На рис. 7(b) показаны гистограммы соотношения клеток, помеченных F-Tf и Cy5-Tf, с использованием тех же трех объективов. На рис. 7(a) показано, что отношение излучения родамина к флуоресцеину (красный к зеленому) достаточно постоянно для всех трех объективов. Напротив, Рисунок 7(b) показывает, что, хотя план-похромат с увеличением 100x по-прежнему показывает минимальные изменения в отношении Cy5 к флуоресцеину (дальний красный цвет к зеленому), план-апохромат с увеличением 60x с водной иммерсией показывает больше вариаций, а план-похромат с увеличением 40x. флюор показывает еще больше. Эффекты хроматической аберрации в 60-кратном планепохромате и 40-кратном план-флюоресценции более очевидны, когда распределения для одной фокальной плоскости сравниваются с распределениями, измеренными в проекциях серии вертикальных изображений для каждого объектива ( Рисунок 7(c) и Фигура 7(d) соответственно).В каждом случае узкое распределение соотношений флуоресценции в проецируемых изображениях сообщает о почти постоянном соотношении двух зондов в эндосомах, которое неверно представлено на любом изображении в одной фокальной плоскости.

Рисунок 5 – Хроматическая и сферическая аберрация при погружении в воду

Представленные здесь исследования наглядно демонстрируют, как хроматические и сферические аберрации ухудшают качество конфокальной визуализации.В то же время они подчеркивают критическую важность выбора объектива в конфокальной микроскопии. Плохая коррекция цвета приведет к ошибочной интерпретации относительного распределения нескольких зондов, что является одним из основных применений конфокальной микроскопии. Количественное определение соотношения также демонстрирует, как хроматические аберрации мешают количественному анализу под микроскопом. Сферическая аберрация, возникающая из-за несоответствия иммерсионной среды и среды образца, ухудшает вертикальное разрешение и может полностью свести на нет обнаружение флуоресценции.Хотя эти ошибки особенно заметны на высококонтрастных изображениях, полученных с помощью конфокальной микроскопии, они также ставят под угрозу изображения, полученные с помощью традиционных методов эпифлуоресценции и трансиллюминации.

Хроматическая аберрация была охарактеризована прежде всего в отношении УФ-флуорофоров. Другие результаты также демонстрируют значительную осевую хроматическую аберрацию в дальнем красном диапазоне, который все чаще используется микроскопистами с разработкой новых флуоресцентных зондов и лазеров, способных их возбуждать.Хотя исследования, представленные здесь, включают определение характеристик точечных источников, эти образцы легко обнаруживают проблемы, которые были бы очевидны (но не обязательно очевидны) при более обширных исследованиях. Такие зонды включают цитозольные красители, которые часто используются для измерения коэффициента флуоресценции ионных концентраций.

Например, флуоресценция цитозольного индикатора рН SNARF-1 возбуждается светом с длиной волны 488 нм, а рН измеряется по отношению флуоресценции при 580 нм к флуоресценции при 640 нм.При измерении цитозольного рН тонких клеток легко представить, как на коэффициент флуоресценции может влиять положение клетки относительно отдельных фокальных плоскостей зеленого возбуждающего света, красного излучения и дальнего красного излучения. Хотя эти ошибки часто просто добавляют вариации к измерениям (удваивая или утраивая стандартные отклонения в представленных количественных оценках), они также могут систематически влиять на измерения соотношений, например, при сравнении соотношений в разных частях клеток различной толщины.

Рисунок 6 – Осевая хроматическая аберрация в иммерсионных объективах

Последним последствием хроматической аберрации, хотя и не обсуждаемым здесь, является то, как она влияет на обнаружение флуоресценции. В конфокальной системе с хроматической аберрацией разница между длинами волн возбуждения и излучения приводит к возбуждению одного объема и отображению другого объема, что приводит к ослаблению сигнала флуоресценции. Для систем с лучевым сканированием (большинство конфокальных микроскопов) эта потеря сигнала ухудшается по мере удаления от оси, поскольку отображаемое пятно фокусируется все дальше и дальше от конфокального отверстия.

Следует подчеркнуть, что эти наблюдения не являются уникальными для конкретных объективов, использованных в представленных данных, или для конкретного производителя. Характеристики цветокоррекции были идентично воспроизведены в трех образцах 60-кратного иммерсионного объектива с водой и двух образцах 100-кратного масляного иммерсионного объектива на штативах микроскопов Quantum и Diaphot. Значительная осевая хроматическая аберрация была обнаружена в объективах всех основных производителей. Действительно, вездесущность хроматической аберрации привела к разработке альтернативных конструкций микроскопов, которые устраняют хроматическую аберрацию либо путем наложения специальных вспомогательных корректирующих линз, либо вообще избегая преломления и обращаясь к отражающим объективам.Тем не менее, микроскопическая оптика, вероятно, будет продолжать развиваться, и предварительный опыт работы с новым поколением оптики CFI60 от Nikon, Inc. показывает, что осевая хроматическая коррекция значительно улучшена.

На первый взгляд может показаться, что одни цели просто лучше других. Однако, как обсуждалось ранее, объективный дизайн представляет собой компромисс параметров дизайна. Таким образом, каждая цель отражает различный набор компромиссов дизайна в соответствии с ее предполагаемым применением.Тем не менее, возможно, что исследователям потребуется больше, чем то, что в настоящее время доступно в оптическом дизайне, что заставит их разрабатывать эксперименты, которые не выходят за пределы объективного дизайна.

Если для изображения образца в водной среде необходимо использовать масляный иммерсионный объектив, например, при исследовании живых клеток, сферическую аберрацию можно минимизировать либо за счет минимизации оптического пути через водную среду, либо за счет использования масла с преломляющей индекс адаптирован к сферической аберрации, вызванной водным оптическим путем.

Рисунок 7 – Количественная оценка и хроматическая аберрация

Проблема хроматической аберрации может быть минимизирована несколькими способами. Если в конкретном эксперименте требуется использование объектива со значительной хроматической аберрацией, наиболее очевидным решением будет просто избегать использования флуоресцентных красителей дальнего красного цвета, таких как Cy5. Результаты, обсуждаемые в этом обзоре, демонстрируют удовлетворительное соответствие между зеленой и красной флуоресценцией для всех протестированных объективов.Как правило, лучше всего использовать красители с максимальным возбуждением и излучением вблизи определенных длин волн, для которых был скорректирован конкретный объектив. Второе решение, обсуждавшееся выше, состоит в том, чтобы собирать изображения каждого флуорофора в вертикальном ряду фокальных плоскостей и комбинировать изображения разных цветов в соответствии с разницей в фокальной плоскости между ними. Это простое решение, но оно не подходит, когда необходимо быстрое получение изображения, как в случае с живыми клетками. Анализы, не показанные здесь, также указывают на то, что это решение не обладает достаточной точностью для корректировки изображений, предназначенных для количественного определения отношения.Более дорогим (или менее доступным) решением является использование двухфотонной микроскопии, которая по своей природе не подвержена влиянию хроматической аберрации, если не используется отверстие детектора. Однако его многоцветные возможности только сейчас исследуются.

аберраций высокого порядка

В идеальном мире у всех были бы идеальные глаза. Реальность, однако, такова, что практически в каждом глазу есть какая-то форма аберрации.Эти аберрации могут вызывать или не вызывать проблемы со зрением, но не удивляйтесь, если ваш глазной врач сообщит вам, что у вас возникли проблемы из-за какого-либо такого несовершенства. В дополнение к относительно простым проблемам со зрением, таким как близорукость и дальнозоркость, также можно страдать от аберраций более высокого порядка, которые искажают изображения гораздо более сложным образом.

Что такое аберрация?

Любое отклонение от нормального преломления входящих световых волн можно считать аберрацией, даже если эта аберрация настолько незначительна, что не вызывает никаких проблем со зрением.Любое изменение формы, консистенции или функциональности любой части глаза может исказить то, как свет фокусируется и преобразуется глазом в изображения. Близорукость и дальнозоркость связаны с простым искажением формы глазного яблока, тогда как астигматизм обычно связан с довольно простым искажением роговицы. Таким образом, эти состояния легко диагностировать и корректировать.

Причины

Аберрации более высокого порядка могут быть вызваны рядом факторов. Утолщенные белки, которые вызывают катаракту, например, могут мешать правильной рефракции, как и отсутствие слезной пленки у людей с хронически сухими глазами.Рубцевание роговицы в результате болезни или травмы, а также аномалии хрусталика или стекловидного тела (желатинообразное вещество внутри глаза) также могут вызывать аберрации более высокого порядка. Эти маленькие дефекты глаза могут искривлять и смещать форму волны входящего света всевозможными способами. Врачи-офтальмологи научились распознавать эти различные типы искажений, присваивая им такие названия, как трилистник, четырехлистник, кома, расфокусировка и сферическая аберрация.

Лечение

Лечение аберрации более высокого порядка включает либо устранение основной причины, либо компенсацию возникшей проблемы со зрением.Если ваша аберрация более высокого порядка является результатом, например, катаракты или сухости глаз, ваш офтальмолог может порекомендовать лечение этих нарушений, которое значительно улучшит ваше зрение. Установка интраокулярной линзы может решить не только катаракту, но и другие заболевания хрусталика.

Если стекловидное тело вашего глаза усугубляет проблему, витрэктомия или другие процедуры могут решить эту проблему. Вы можете обнаружить, что очки, отпускаемые по рецепту, или рефракционная лазерная хирургия, такая как LASIK, могут адекватно исправить ваше зрение.Поговорите со своим офтальмологом о том, какие методы лечения могут помочь при аберрациях более высокого порядка.

Аберрация | Забытые Королевства Вики

Аберрации были существами, которые были неестественными и не имели места в естественном порядке Материального плана или, по сути, большинства других известных планов. [1] [2]

Описание[]

Эти существа не вписались в мир природы. [1] Хотя некоторые считали, что аберрации происходят из Дальнего Царства, [3] это не относится ко всем аберрациям.Драйдеры, например, были неестественным гибридом дроу и пауков. Сотворенные искаженной богиней Лолс, тела дроу подверглись аномальной трансформации, и поэтому они были классифицированы как аберрации. [4]

Примерно в бурное время между Магической чумой и Вторым Расколом считалось, что аберрации происходят из Дальнего Царства или затронуты им. [3] Из-за этого эти существа казались совершенно чуждыми Первичному Материальному Плану, фундаментальным планам, параллельным планам или любым другим областям местной космологии. [5]

Способности[]

Аберрации, как правило, все имели причудливую анатомию, странные способности, инопланетное мышление или любое их сочетание. У большинства аберраций была какая-то форма темного зрения, но как группа у них не было других особых способностей или иммунитетов. [2]

Происхождение[]

Аберрации не имели единой точки происхождения, и многие виды не имели реального родства или иного отношения к другим аберрантным видам. Вместо этого аберрации пришли из странных, далеких мест и времен. [1]

Некоторые аберрации пришли из очень отдаленных мест на Материальном плане, например неоги и цочари. Говорят, что другие пришли не из отдаленных мест, а из далеких времен; либо как остатки какого-то допотопного времени или даже предшествующего творения (например, аболеты), либо как существо из будущего, как, как говорили, были иллитиды. Предполагалось, что некоторые аберрации происходят из другого мира, мира с альтернативной историей, где какое-то событие извратило мир от естественного хода; такие иные, когда миры были не совсем реальны и по мере их удаления от точки расхождения, иные, когда миры начинали растворяться в небытии. [1]

Другие аберрации пришли с планов, лежащих далеко за пределами известных планов, наиболее известным из которых является Дальнее Царство, где, как говорят, обитает бесконечное множество различных аберраций, и некоторые известные типы, такие как плащевки и псурлоны, как говорят, происходят из. Эфирный план, однако, был настолько странным, что считалось, что некоторые аберрации (такие как эфирные филчеры, эфиригонты и нильшаи) берут свое начало именно там. Еще другие странные планы включали альтернативные Материальные планы, лежащие за пределами Плана Тени; такой план считается исходной точкой грелля. [1]

Некоторые аберрации не пришли из какого-то отдаленного места или времени, а были неестественными творениями темных, инопланетных божеств (таких как бехолдеры и дестрачаны) или могущественными, но лишь сомнительно моральными заклинателями (такими как чуулы и умбровые халки) . [1]

Характеристики[]

Главной характеристикой всех аберраций было то, что они не вписывались в естественный порядок вещей. У них не было естественных хищников, и ни у одного природного существа не было инстинктов избегать их.Хуже того, аномальные силы искажали и искажали область, где они обитали. [1]

Для людей простое изучение аберраций было сопряжено с опасностью, будь то «простое» изучение аберрантного языка или более эзотерические заклинания, разработанные одной группой. Это произошло потому, что для того, чтобы понять что-то об аберрациях, нужно было иметь концепции и символы, которые сильно отличались от гуманоидных, и такие способы мышления становились все труднее и труднее отбрасывать по мере того, как человек больше изучал, пока здравомыслие в конце концов не ускользнуло. [1]

Приложение[]

См. также[]

Ссылки[]

  1. 1.0 1.0 1.1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.4 1.5 1.6 1.7 1.7 Ричард Бейкер, Джеймс Джейкобс и Стива Зима (апрель 2005 г.). Повелители безумия: Книга отклонений . (Волшебники побережья), стр. 5–12. ISBN 0-7869-3657-6.
  2. 2.0 2.1 Джеймс Вятт и Роб Хейнсу (февраль 2001 г.). Сборник монстров: Монстры Фаэруна . (Волшебники побережья), с. 3. ISBN 0-7869-1832-2.
  3. 3.0 3.1 Роб Хейнсу, Стивен Шуберт (19 мая 2009 г.). Руководство монстров 2 4-е издание . (Волшебники побережья). ISBN 0786995101.
  4. ↑ Скип Уильямс, Джонатан Твит, Монте Кук (июль 2003 г.). Руководство монстра v.3.5 . (Волшебники побережья), стр. 89–90. ISBN 0-7869-2893-X.
  5. ↑ Ричард Бейкер, Джон Роджерс, Роберт Дж.Швальб, Джеймс Вятт (декабрь 2008 г.). Руководство по самолетам 4-е издание . (Волшебники побережья), с. 30. ISBN 978-0-7869-5002-7.

Коррекция шести распространенных типов аберраций объектива – Земакс

7 января 2019 г.

Исправление шести распространенных типов аберраций объектива

В оптической схеме аберрации возникают, когда свет из одной точки объекта не сходится или не расходится в одной точке после прохождения через систему.Нелинейные члены закона Снелла вызывают отклонения от идеальных изображений: оптические системы, формирующие изображения, будут давать не такие четкие изображения. Инженеры-оптики должны исправить аберрации, чтобы получить максимально четкое изображение.

Шесть распространенных типов оптических аберраций

  1. Расфокусировка: Оптическая система не в фокусе, что снижает резкость изображений, создаваемых системой.

  2. Радиальное искажение: Изображения с радиальным искажением обычно имеют симметричное искажение из-за симметрии объектива.Различают три вида радиальной дисторсии: бочкообразная, при которой увеличение изображения уменьшается по мере удаления от оптической оси; подушкообразное искажение, при котором увеличение изображения увеличивается по мере удаления от оптической оси; и искажение усов, представляющее собой смесь двух типов. Хроматическая аберрация — это радиальное искажение, зависящее от длины волны.

  3. Астигматизм: Лучи, распространяющиеся в двух перпендикулярных плоскостях, имеют разные фокусы. Там, где пересекаются горизонтальная и вертикальная оси, оси будут в фокусе на двух разных расстояниях.Есть две формы астигматизма: аберрация третьего порядка, которая возникает для объектов, удаленных от оптической оси; и когда оптическая система не симметрична относительно оптической оси.

  4. Кома: Определяемая как изменение увеличения над входным зрачком, кома часто наблюдается в конструкции телескопа, в результате чего звезды или другие объекты кажутся имеющими хвост.

  5. Сферическая аберрация: Возникает при повышенном преломлении световых лучей, попадающих на линзу, или при отражении световых лучей, попадающих на зеркало вблизи края, по сравнению с ближе к центру.

  6. Кривизна поля Петцваля: Названная в честь физика Йозефа Петцваля, одного из основателей геометрической оптики, это аберрация, при которой плоский объект не может быть сфокусирован на плоской плоскости изображения.

Устранение оптических аберраций с помощью программного обеспечения для проектирования оптики

Многие оптические аберрации можно легко устранить с помощью подходящего программного обеспечения для проектирования оптики. OpticStudio имеет множество функций и функций, которые помогают исправить распространенные аберрации.

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


Используйте стрелки влево/вправо для навигации по слайд-шоу или проведите пальцем влево/вправо при использовании мобильного устройства

аберраций — d20PFSRD

Подстраниц

  • Aatheriexa
  • Aatheriexa (3 п.п.)
  • Аболета
  • Абиссал кустодий
  • Абиссал комбайн (3 п.п.)
  • приверженца (3 п.п.)
  • Аканамэ
  • Akata
  • Амфисбена головного мозг Ненасытных (3 п.п.)
  • Arcadex
  • ArcadaDex
  • ArcanoPlasm (3PP)
  • 9062 Agruverda
  • Azruverda
  • Azruverda
  • Azruverda
  • Bagiennik (3PP)
  • Buashiennik (3PP)
  • Buciennik
  • Blightrat (Tangler)
  • Blightrat (Tangler)
  • Blightrat
  • Blightspawn
  • BlyshaMeim
  • Орхида крови
  • Boggart (3PP)
  • Bogwid
  • Богвидл
  • Богвидл
  • Bogbler
  • Bonebler
  • Bonehedan
  • Brethedan
  • Brethedan
  • Brume
  • BYAKHEE
  • BYAKHEE (3PP)
  • CAPRAMACE
  • CARBUNCE (3 стр.)
  • Мотылек-падальщик
  • Церебральный охотник
  • Серо PTOR
  • Харибда
  • Chelarac
  • Хелицеры
  • Cherum
  • Choker
  • Чон Чон
  • Chuul
  • Chyzaedu
  • рвутся
  • Cloaker
  • Conqueror Worm
  • Труп Оргия
  • Краг Man
  • Малиновый Death
  • Кристаллический ужас
  • Cuero
  • Проклятый зверь
  • Темно молодые молодые (3PP)
  • Темно молодые молодые Shub-Niggurath
  • Дочь Shub-Niggurath
  • Decapus
  • Decapus (3PP)
  • Deep Walker
  • Delver
  • Delver (3PP)
  • Destrachan
  • DOSSENACHAN
  • DRACONID
  • DraconiD
  • Drakainia
  • Drakainia
  • Draker
  • пыль Digger
  • пыль Dwiergeth
  • ECSTASY Fire
  • EGOPHAGE
  • EGREGORE
  • старшая вещь
  • старшая вещь (3 страницы)
  • Emkrah
  • Encephalon Gorger 90 506
  • Encephalon Gorger Psychic
  • Enisisian
  • Eremite Symbiont
  • Eremite Symbiont
  • Eremite Wizard
  • Ethereal Filcher (3PP)
  • Ethereal кладбищный инструмент
  • Ethtercap
  • EthercaP
  • Evil Eye (3PP)
  • капюшон для палачей
  • ГЛАЗ ГЛАВНЫЙ
  • ГЛАЗ СОНТИНЕЛЬ
  • Безликий Халк (Угорот)
  • Безликий Сталкер
  • Fachen
  • Fh FiTID
  • FlexDreg
  • FlateWarped
  • Flumph
  • Flumph (3PP)
  • Flumph, Rift
  • Flying Polyp
  • Летающий полип (3PP)
  • Foghemoth
  • Froghemoth
  • FrOghemoth (3PP)
  • Gambado
  • Gambado
  • Gambado
  • Ghorazagh
  • Ghorazagh
  • Gibbering Mouther
  • Gibbering Mouther
  • 9082 Гоблин Нага
  • Гоблин Змея
  • Гобли N, Runewarped
  • GoHL
  • Goo Spare
  • GOOT GORBEL
  • GRICK
  • GRICK
  • GRIKKITOG
  • GRIMSLAKE
  • GRIMSLAKE
  • GUTSLUG
  • Havero
  • Havero Tentacle
  • Heikegani
  • ада
  • Первосвященник Shub-Niggurath
  • Tive
  • Hive Brute
  • Hive
  • HORLA
  • HOOYRALL
  • Hundun
  • Hundun
  • Hyakume
  • Hyakume
  • Hyaleth
  • IKU-TURSO
  • incutilis
  • INCUTILIS LORD
  • Irlgaunt желе, Marsh
  • Jubear Khardajeen
  • Kilblain Kra’tah
  • Ленг Hound
  • Living Rune
  • Лорелея Luma
  • Lunarma Lurker Над
  • Скрываясь Ray
  • Mannstirge
  • Маулер
  • Ми Mic
  • MIC
  • Moit of Shub-Niggurath
  • Moonbeast
  • Moonbeast (3pp)
  • Moonsiref
  • Mythos Satyr
  • Naga
  • NAGA, Кислота
  • Neh-Thalggu
  • 9092 Nehmare
  • Neothmare Ettercap
  • Nilith
  • Nuckalavee (3PP)
  • Omnipath
  • Omnipath
  • 0 ORC, Mutant
  • Oronci
  • ORONCI
  • ORONCI
  • внешний мутантный священник
  • наружный порошок
  • Наружный порошок
  • Phasm
  • Phasm (3PP)
  • Phoso
  • Phrage Phrue (3PP)
  • Plankta
  • Plizeazoth
  • Владетель (3 п.п.)
  • Пигмеев Дозорный
  • Квантовый
  • Queborrin
  • Quelaunt
  • Reefclaw
  • Ру-Chalik
  • Ропер
  • Rorkoun
  • Rufidier
  • Ржавчина Монстр
  • Sagari
  • Соль Червяк
  • Песчаный обжора
  • Сарлу
  • Червь-падальщик
  • Сцилла 905 06
  • Морская сфера (Blubble) (3PP)
  • Servitor из внешних богов
  • Seugathi
  • SHEUGATHER
  • SIGBIN
  • SIGBIN
  • SINSPAN
  • Siyokoy
  • Shower
  • Skullcruncher
  • Sky Dreamer
  • Slime Slawler, личинка
  • Slime Clawler, зрелый
  • SmokeShade
  • SnallyGaster
  • Snallygaster
  • SnallyCloak (3PP)
  • Somalcygot
  • Somalcygot
  • Разрешенный ужас
  • звезды Vampire
  • звезда Вампир (3P)
  • STAMPIRE (3P)
  • star-Swawn
  • Starspawn
  • Sudoth
  • Syricta
  • +
  • Szaboan
  • +
  • Targotha
  • девяносто одна тысяча сорок восемь Tauslek
  • Tearjerker
  • Telgrodradt
  • Tendrul
  • щупальцами Ужасы
  • Tentamort
  • Tentamort (3 п.п.)
  • девяносто одна тысяча шестьдесят-два Thessalgorgon +
  • Thessalhydra
  • девяносто одна тысяча шестьдесят шесть Thessalhydra (3 п.п. )
  • Фессалиск
  • Мысль Eater
  • Tixitog Transposer
  • Ловец Trench Mist
  • Тренч Тритон
  • Tychilarius T’shann
  • Uldraaghu Urhag
  • Вампира Mist
  • Сокрытое Master
  • Veinar Vemerak
  • Vestraadi
  • Vilstrak -in-Овечье одежда
  • Wolf-In-in-овечье одежда (3PP)
  • Xoraphond
  • YADDITHIAN
  • Yangethe
  • Yangethe
  • Yithian
  • Yllosan
  • Zoanoid
    • Zoanoid, APTOM
    • Zoanoid, BioFreezer
    • Zoanoid, Dyme
    • Zoanoid, Enzyme
    • Zoanoid, Gregole
    • Zoanoid, Neo-zecktole
    • Зоаноид, Сомлум
    • Зоаноид, Синевит
    • Зоаноид, Танкрус
    • Зоаноид, Вамор

Аберрация имеет причудливую анатомию, странные способности, инопланетное мышление или любое сочетание этих трех факторов.

Особенности

Аберрация имеет следующие особенности.

  • d8 Hit Die.
  • Базовый бонус атаки, равный 3/4 общего Hit Dice (средний прогресс).
  • Добрая воля спасает.
  • очков навыка, равных 4 + модификатор Интеллекта (минимум 1) за Hit Die. Ниже приведены классовые навыки для аберраций: Акробатика, Лазание, Мастер побега, Полет, Запугивание, Знание (выберите одно), Восприятие, Колдовство, Скрытность, Выживание и Плавание.

Черты

Аберрация обладает следующими чертами (если иное не указано в описании существа).

  • Темновидение 60 футов.
  • Владеет природным оружием. Если в целом человекоподобная форма, он владеет всем простым оружием и любым оружием, которое, по описанию, использует.
  • Владеет любым типом брони (легкой, средней или тяжелой), которую он носит, а также всеми более легкими типами. Аберрации, не указанные как носящие доспехи, не владеют доспехами.Аберрации владеют щитами, если они владеют любой формой брони.
  • Аберрации дышат, едят и спят.

Отклонения в черном — University of Minnesota Press

Социология расовых отношений в Америке обычно описывает пересечение бедности, расы и экономической дискриминации. Но то, чего не хватает на картине — половых различий, — может быть столь же поучительным, как и то, что присутствует. В этой амбициозной работе Родерик А.Фергюсон показывает, как дискурсы сексуальности используются для формулирования теорий расовых различий в области социологии. Он показывает, как каноническая социология — Гуннар Мюрдал, Эрнест Берджесс, Роберт Парк, Дэниел Патрик Мойнихан и Уильям Джулиус Уилсон — измеряла непригодность афроамериканцев для либерального капиталистического порядка с точки зрения их приверженности нормам гетеросексуальной и патриархальной модели нуклеарной семьи. . Короче говоря, в той мере, в какой культура и поведение афроамериканцев отклонялись от этих норм, они не могли достичь экономического и расового равенства.

Aberrations in Black рассказывает историю регулирования половых различий канонической социологией как части общего регулирования афроамериканской культуры. Фергюсон помещает эту историю в ряд других историй — повествования о возникновении и развитии капитала, истории марксизма и революционного национализма, а также романов, изображающих гендерные и сексуальные особенности афроамериканской культуры — произведений Ричарда Райта, Ральфа Эллисона, Джеймса Болдуина, Одре Лорд и Тони Моррисон.В свою очередь, в этой книге делается попытка представить другую историю, в которой люди, предположительно проявляющие дисфункции капитализма, пересматриваются как обвинение в нормах государства, капитала и социальной науки. Фергюсон включает в себя первое в истории обсуждение нового архивного открытия — никогда не публиковавшейся главы «Человек-невидимка », в которой рассказывается о персонаже-гее таким образом, что это усложняет и проливает свет на проект Эллисона.

Уникальная тем, что она помещает критику расы, пола и сексуальности в анализ культурных, экономических и эпистемологических формаций, работа Фергюсона вводит новый способ дискурса, который Фергюсон называет квир-анализом цвета, который помогает выявить взаимные взаимосвязи.

Аберрации: Недопустимое название — Викисловарь

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Пролистать наверх