Сферическая аберрация это: Сферическая аберрация — это… Что такое Сферическая аберрация?

Содержание

Сферическая аберрация — это… Что такое Сферическая аберрация?

У этого термина существуют и другие значения, см. Аберрация.

Сфери́ческая аберра́ция — аберрация оптических систем; нарушение гомоцентричности пучков лучей от точечного источника, прошедших через оптическую систему без нарушения симметрии строения этих пучков (в отличие от комы и астигматизма).

Условия рассмотрения

Сферическую аберрацию принято рассматривать для пучка лучей, выходящего из точки предмета, расположенной на оптической оси. Однако, сферическая аберрация имеет место и для других пучков лучей, выходящих из точек предмета, удаленных от оптической оси, но в таких случаях она рассматривается как составная часть аберраций всего наклонного пучка лучей. Причём, хотя эта аберрация и называется сферической, она характерна не только для сферических поверхностей.

В результате сферической аберрации цилиндрический пучок лучей, после преломления линзой (в пространстве изображений) получает вид не конуса, а некоторой воронкообразной фигуры, наружная поверхность которой, вблизи узкого места, называется каустической поверхностью. При этом изображение точки имеет вид диска с неоднородным распределением освещённости, а форма каустической кривой позволяет судить о характере распределения освещённости. В общем случае, фигура рассеяния, при наличии сферической аберрации, представляет собой систему концентрических окружностей с радиусами пропорциональными третьей степени координат на входном (или выходном) зрачке.

Сферическая аберрация линзы (системы линз) объясняется тем, что её преломляющие поверхности встречают отдельные лучи сколько-нибудь широкого пучка под различными углами.[1] Вследствие чего, более удалённые от оптической оси лучи преломляются сильнее, нежели нулевые[2] лучи, и образуют свои точки схода удалённые от фокальной плоскости.

Расчётные значения

Расстояние δs’ по оптической оси между точками схода нулевых и крайних лучей называется продольной сферической аберрацией.

Диаметр

δ’ кружка (диска) рассеяния при этом определяется по формуле

,

где

  • 2h1 — диаметр отверстия системы;
  • a’ — расстояние от системы до точки изображения;
  • δs’ — продольная аберрация.

Для объектов расположенных в бесконечности

,

где

Для наглядности сферическую аберрацию, как правило, представляют не только в виде таблиц, но и графически.

Графическое представление

Обычно приводят графики продольной δs’ и поперечной δg’ сферической аберраций, как функций координат лучей.

Для построения характеристической кривой продольной сферической аберрации по оси абсцисс откладывают продольную сферическую аберрацию δs’, а по оси ординат — высоты лучей на входном зрачке h. Для построения аналогичной кривой для поперечной аберрации по оси абсцисс откладывают тангенсы апертурных углов в пространстве изображений, а по оси ординат радиусы кружков рассеяния δg’

Положительные (собирательные) линзы создают отрицательную сферическую аберрацию, то есть δs’ < 0 для всех зон. Поэтому, на графике, характеристическая кривая продольной аберрации для такой линзы находится слева от оси ординат. Отрицательные (рассеивающие) линзы имеют аберрацию противоположного знака, и соответствующая кривая продольной аберрации будет справа от оси ординат.

Комбинируя такие простые линзы, можно значительно исправить сферическую аберрацию.

Зависимость величины продольной сферической аберрации (δs’ ) от формы линзы.

Уменьшение и исправление

Как и другие аберрации третьего порядка, сферическая аберрация зависит от кривизны поверхностей и оптической силы линзы. Поэтому применение оптических стёкол с высокими показателями преломления позволяют уменьшить сферическую аберрацию, посредством увеличения радиусов поверхностей линзы при сохранении её оптической силы.

Уменьшение влияния сферической аберрации
1. диафрагмированием;
2. с помощью дефокусировки.

К тому же, для линз с разной кривизной поверхностей будет иметь значение ориентация линзы относительно хода светового луча. Так, например, сферическая аберрация для плоско-выпуклой линзы, обращенной навстречу лучу своей плоской поверхностью, будет иметь величину бо́льшую, нежели для той же линзы, но встречающей луч своей выпуклой поверхностью. Таким образом, выбор отношения кривизны первой[3] поверхности линзы, к её второй поверхности, так же, будет одним из средств уменьшающих сферическую аберрацию.

Заметное влияние на сферическую аберрацию оказывает диафрагмирование объектива (или иной оптической системы), так как при этом отсекаются краевые лучи широкого пучка. Очевидно, что этот способ непригоден для оптических систем, требующих высокой светосилы.

В отдельных случаях небольшая величина сферической аберрации третьего порядка может быть исправлена за счёт некоторой дефокусировки[4] объектива. При этом плоскость изображения смещается к, так называемой,

«плоскости лучшей установки», находящейся, как правило, посередине, между пересечением осевых и крайних лучей, и не совпадающей с самым узким местом пересечения всех лучей широкого пучка (диском наименьшего рассеяния)[5]. Это несовпадение объясняется распределением световой энергии в диске наименьшего рассеяния, образующей максимумы освещённости не только в центре, но и на краю. То есть, можно сказать, что «диск» представляет из себя яркое кольцо с центральной точкой. Поэтому, разрешение оптической системы, в плоскости совпадающей с с диском наименьшего рассеяния, будет ниже, несмотря на меньшую величину поперечной сферической аберрации. Пригодность этого метода зависит от величины сферической аберрации, и характера распределения освещённости в диске рассеяния.

Пересечения лучей возле точки заднего фокуса при остаточной сферической аберрации, соответствующие им диски рассеяния и графики продольной сферической аберрации:
1. — при исправленной сферической аберрации для нулевых и крайних лучей;
2. и 3. — при «переисправленной» сферической аберрации.
Где F’ — задняя фокальная плоскость,
δs’  — расстояние от точки заднего фокуса до точки схода краевых лучей,
— δs’0,7h’ — расстояние от точки заднего фокуса до точки схода «среднезонных» лучей.

Достаточно успешно сферическая аберрация исправляется при помощи комбинации из положительной и отрицательной линз. Причём, если линзы не склеиваются, то, кроме кривизны поверхностей компонентов, на величину сферической аберрации будет влиять и величина воздушного зазора (даже в том случае, если поверхности, ограничивающие этот воздушный промежуток, имеют одинаковую кривизну). При этом способе коррекции, как правило исправляются и хроматические аберрации.

Строго говоря, сферическая аберрация может быть вполне исправлена только для какой-нибудь пары узких зон, и притом лишь для определенных двух сопряженных точек. Однако, практически исправление может быть весьма удовлетворительным даже для двухлинзовых систем.

Обычно сферическую аберрацию устраняют для одного значения высоты h0 соответствующего краю зрачка системы. При этом наибольшее значение остаточной сферической аберрации ожидается на высоте he определяемой по простой формуле

Остаточная сферическая аберрация приводит к тому, что изображение точки так и не станет точечным. Оно останется диском, хотя и значительно меньшего размера, чем в случае не исправленной сферической аберрации.

Для уменьшения остаточной сферической аберрации часто прибегают к рассчитанному «переисправлению» на краю зрачка системы, придавая сферической аберрации краевой зоны положительное значение (δs’ > 0). При этом, лучи, пересекающие зрачок на высоте he[6], перекрещиваются ещё ближе к точке фокуса, а краевые лучи, хотя и сходятся за точкой фокуса, не выходят за границы диска рассеяния. Таким образом, размер диска рассеяния уменьшается и возрастает его яркость. То есть улучшается, как детальность, так и контраст изображения. Однако, в силу особенностей распределения освещённости в диске рассеяния, объективы с «переисправленной» сферической аберрацией, часто, обладают «двоящим» размытием вне зоны фокуса.

В отдельных случаях допускают значительное «переисправление». Так, например, ранние «Планары» фирмы Carl Zeiss Jena имели положительное значение сферической аберрации (δs’ > 0), как для краевых, так и для средних зон зрачка. Это решение несколько снижает контраст при полном отверстии, но заметно увеличивает разрешение при незначительном диафрагмировании.

Примечания

  1. Или же можно сказать, что оптическая сила сферической линзы неоднородна, и возрастает по мере удаления от оптической оси.
  2. Эти лучи, так же, именуются параксиальными лучами.
  3. Согласно правилам знаков и ГОСТ 7427-76, преломляющие и отражающие поверхности и разделяющие их среды нумеруются по порядку их следования в направлении распространения света.
  4. Согласно теории аберраций, дефокусировка — это аберрация первого, то есть более низкого, порядка.
  5. Самое узкое место пересечения всех лучей широкого пучка, проходящего через собирающую линзу, находится слева от точки фокуса на расстоянии ¾δs’.
  6. Эти лучи иногда именуются среднезонными лучами.

Литература

  • Бегунов Б. Н. Геометрическая оптика, Изд-во МГУ, 1966.
  • Волосов Д. С., Фотографическая оптика. М., «Искусство», 1971.
  • Заказнов Н. П. и др., Теория оптических систем, М., «Машиностроение», 1992.
  • Ландсберг Г. С. Оптика. М.,ФИЗМАТЛИТ, 2003.
  • Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов, Л., «Машиностроение», 1966.
  • Smith, Warren J. Modern optical engineering, McGraw-Hill, 2000.

Сферическая аберрация — это… Что такое Сферическая аберрация?

У этого термина существуют и другие значения, см. Аберрация.

Сфери́ческая аберра́ция — аберрация оптических систем; нарушение гомоцентричности пучков лучей от точечного источника, прошедших через оптическую систему без нарушения симметрии строения этих пучков (в отличие от комы и астигматизма).

Условия рассмотрения

Сферическую аберрацию принято рассматривать для пучка лучей, выходящего из точки предмета, расположенной на оптической оси. Однако, сферическая аберрация имеет место и для других пучков лучей, выходящих из точек предмета, удаленных от оптической оси, но в таких случаях она рассматривается как составная часть аберраций всего наклонного пучка лучей. Причём, хотя эта аберрация и называется сферической, она характерна не только для сферических поверхностей.

В результате сферической аберрации цилиндрический пучок лучей, после преломления линзой (в пространстве изображений) получает вид не конуса, а некоторой воронкообразной фигуры, наружная поверхность которой, вблизи узкого места, называется каустической поверхностью. При этом изображение точки имеет вид диска с неоднородным распределением освещённости, а форма каустической кривой позволяет судить о характере распределения освещённости. В общем случае, фигура рассеяния, при наличии сферической аберрации, представляет собой систему концентрических окружностей с радиусами пропорциональными третьей степени координат на входном (или выходном) зрачке.

Сферическая аберрация линзы (системы линз) объясняется тем, что её преломляющие поверхности встречают отдельные лучи сколько-нибудь широкого пучка под различными углами.[1] Вследствие чего, более удалённые от оптической оси лучи преломляются сильнее, нежели нулевые[2] лучи, и образуют свои точки схода удалённые от фокальной плоскости.

Расчётные значения

Расстояние δs’ по оптической оси между точками схода нулевых и крайних лучей называется продольной сферической аберрацией.

Диаметр δ’ кружка (диска) рассеяния при этом определяется по формуле

,

где

  • 2h1 — диаметр отверстия системы;
  • a’ — расстояние от системы до точки изображения;
  • δs’ — продольная аберрация.

Для объектов расположенных в бесконечности

,

где

Для наглядности сферическую аберрацию, как правило, представляют не только в виде таблиц, но и графически.

Графическое представление

Обычно приводят графики продольной δs’ и поперечной δg’ сферической аберраций, как функций координат лучей.

Для построения характеристической кривой продольной сферической аберрации по оси абсцисс откладывают продольную сферическую аберрацию δs’, а по оси ординат — высоты лучей на входном зрачке h. Для построения аналогичной кривой для поперечной аберрации по оси абсцисс откладывают тангенсы апертурных углов в пространстве изображений, а по оси ординат радиусы кружков рассеяния δg’

Положительные (собирательные) линзы создают отрицательную сферическую аберрацию, то есть δs’ < 0 для всех зон. Поэтому, на графике, характеристическая кривая продольной аберрации для такой линзы находится слева от оси ординат. Отрицательные (рассеивающие) линзы имеют аберрацию противоположного знака, и соответствующая кривая продольной аберрации будет справа от оси ординат.

Комбинируя такие простые линзы, можно значительно исправить сферическую аберрацию.

Зависимость величины продольной сферической аберрации (δs’ ) от формы линзы.

Уменьшение и исправление

Как и другие аберрации третьего порядка, сферическая аберрация зависит от кривизны поверхностей и оптической силы линзы. Поэтому применение оптических стёкол с высокими показателями преломления позволяют уменьшить сферическую аберрацию, посредством увеличения радиусов поверхностей линзы при сохранении её оптической силы.

Уменьшение влияния сферической аберрации
1. диафрагмированием;
2. с помощью дефокусировки.

К тому же, для линз с разной кривизной поверхностей будет иметь значение ориентация линзы относительно хода светового луча. Так, например, сферическая аберрация для плоско-выпуклой линзы, обращенной навстречу лучу своей плоской поверхностью, будет иметь величину бо́льшую, нежели для той же линзы, но встречающей луч своей выпуклой поверхностью. Таким образом, выбор отношения кривизны первой[3] поверхности линзы, к её второй поверхности, так же, будет одним из средств уменьшающих сферическую аберрацию.

Заметное влияние на сферическую аберрацию оказывает диафрагмирование объектива (или иной оптической системы), так как при этом отсекаются краевые лучи широкого пучка. Очевидно, что этот способ непригоден для оптических систем, требующих высокой светосилы.

В отдельных случаях небольшая величина сферической аберрации третьего порядка может быть исправлена за счёт некоторой дефокусировки[4] объектива. При этом плоскость изображения смещается к, так называемой, «плоскости лучшей установки», находящейся, как правило, посередине, между пересечением осевых и крайних лучей, и не совпадающей с самым узким местом пересечения всех лучей широкого пучка (диском наименьшего рассеяния)[5]. Это несовпадение объясняется распределением световой энергии в диске наименьшего рассеяния, образующей максимумы освещённости не только в центре, но и на краю. То есть, можно сказать, что «диск» представляет из себя яркое кольцо с центральной точкой. Поэтому, разрешение оптической системы, в плоскости совпадающей с с диском наименьшего рассеяния, будет ниже, несмотря на меньшую величину поперечной сферической аберрации. Пригодность этого метода зависит от величины сферической аберрации, и характера распределения освещённости в диске рассеяния.

Пересечения лучей возле точки заднего фокуса при остаточной сферической аберрации, соответствующие им диски рассеяния и графики продольной сферической аберрации:
1. — при исправленной сферической аберрации для нулевых и крайних лучей;
2. и 3. — при «переисправленной» сферической аберрации.
Где F’ — задняя фокальная плоскость,
δs’  — расстояние от точки заднего фокуса до точки схода краевых лучей,
— δs’0,7h’ — расстояние от точки заднего фокуса до точки схода «среднезонных» лучей.

Достаточно успешно сферическая аберрация исправляется при помощи комбинации из положительной и отрицательной линз. Причём, если линзы не склеиваются, то, кроме кривизны поверхностей компонентов, на величину сферической аберрации будет влиять и величина воздушного зазора (даже в том случае, если поверхности, ограничивающие этот воздушный промежуток, имеют одинаковую кривизну). При этом способе коррекции, как правило исправляются и хроматические аберрации.

Строго говоря, сферическая аберрация может быть вполне исправлена только для какой-нибудь пары узких зон, и притом лишь для определенных двух сопряженных точек. Однако, практически исправление может быть весьма удовлетворительным даже для двухлинзовых систем.

Обычно сферическую аберрацию устраняют для одного значения высоты h0 соответствующего краю зрачка системы. При этом наибольшее значение остаточной сферической аберрации ожидается на высоте he определяемой по простой формуле

Остаточная сферическая аберрация приводит к тому, что изображение точки так и не станет точечным. Оно останется диском, хотя и значительно меньшего размера, чем в случае не исправленной сферической аберрации.

Для уменьшения остаточной сферической аберрации часто прибегают к рассчитанному «переисправлению» на краю зрачка системы, придавая сферической аберрации краевой зоны положительное значение (δs’ > 0). При этом, лучи, пересекающие зрачок на высоте he[6], перекрещиваются ещё ближе к точке фокуса, а краевые лучи, хотя и сходятся за точкой фокуса, не выходят за границы диска рассеяния. Таким образом, размер диска рассеяния уменьшается и возрастает его яркость. То есть улучшается, как детальность, так и контраст изображения. Однако, в силу особенностей распределения освещённости в диске рассеяния, объективы с «переисправленной» сферической аберрацией, часто, обладают «двоящим» размытием вне зоны фокуса.

В отдельных случаях допускают значительное «переисправление». Так, например, ранние «Планары» фирмы Carl Zeiss Jena имели положительное значение сферической аберрации (δs’ > 0), как для краевых, так и для средних зон зрачка. Это решение несколько снижает контраст при полном отверстии, но заметно увеличивает разрешение при незначительном диафрагмировании.

Примечания

  1. Или же можно сказать, что оптическая сила сферической линзы неоднородна, и возрастает по мере удаления от оптической оси.
  2. Эти лучи, так же, именуются параксиальными лучами.
  3. Согласно правилам знаков и ГОСТ 7427-76, преломляющие и отражающие поверхности и разделяющие их среды нумеруются по порядку их следования в направлении распространения света.
  4. Согласно теории аберраций, дефокусировка — это аберрация первого, то есть более низкого, порядка.
  5. Самое узкое место пересечения всех лучей широкого пучка, проходящего через собирающую линзу, находится слева от точки фокуса на расстоянии ¾δs’.
  6. Эти лучи иногда именуются среднезонными лучами.

Литература

  • Бегунов Б. Н. Геометрическая оптика, Изд-во МГУ, 1966.
  • Волосов Д. С., Фотографическая оптика. М., «Искусство», 1971.
  • Заказнов Н. П. и др., Теория оптических систем, М., «Машиностроение», 1992.
  • Ландсберг Г. С. Оптика. М.,ФИЗМАТЛИТ, 2003.
  • Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов, Л., «Машиностроение», 1966.
  • Smith, Warren J. Modern optical engineering, McGraw-Hill, 2000.

Оптика: очки и контактные линзы

Под сферической аберрацией принято понимать аберрацию оптической системы, которая рассматривается для пучка лучей, выходящего из точки предмета, расположенной на оптической оси.

Сферическая аберрация имеет место и для других пучков лучей, выходящих из точек предмета, удаленных от оптической оси, но в таких случаях она рассматривается как составная часть аберраций всего наклонного пучка лучей.

Допустим, что предмет находится в бесконечности, и в оптическую систему поступает параллельный пучок лучей. Рассмотрим лучи, падающие на поверхность линзы, на высотах h1 h2 и h3 от оптической оси (рис. 34).

Первую плоскую поверхность линзы лучи проходят без преломления. Вторую поверхность они встречают под весьма значительными углами падения. Вследствие этого наиболее удаленные от оптической оси лучи преломляются всего сильнее и образуют точку схода, наиболее удаленную от фокальной плоскости.

В результате этого явления цилиндрический пучок лучей в пространстве предметов, после преломления линзой, в пространстве изображений получает вид не конуса, а некоторой воронкообразной фигуры, наружная поверхность которой вблизи узкого места называется каустической поверхностью. Световая энергия распределяется на значительную по величине каустическую поверхность, а тем самым нарушается образование точечного изображения.

Расстояние по оптической оси между точками схода нулевых и крайних лучей называется продольной сферической аберрацией

Наименьший диаметр кружка рассеяния образуется на расстоянии Δ, от плоскости изображения. Плоскость, соответствующую наименьшим кружкам рассеяния, называют плоскостью наилучшей установки. Однако не всегда в этой плоскости получается наилучшая резкость изображения, так как основным является распределение световой энергии в кружке рассеяния. Однако для некоторых оптических систем, например для осветительных (конденсоры), плоскость наилучшей установки, найденная по положению наименьшего диаметра кружка рассеяния, практически является наилучшей плоскостью изображения.

Сферическая аберрация положительной линзы отрицательна, а отрицательной линзы — положительна. Комбинируя положи-

тельные и отрицательные линзы, можно сконструировать объектив, отличающийся несравненно меньшей сферической аберрацией.

Все аберрации, в том числе и сферическую, обычно представляют в виде характеристических кривых.

Для построения характеристической кривой продольной сферической аберрации по оси абсцисс откладывают продольную сферическую аберрацию δs’, а по оси ординат — высоты лучей на входном зрачке h. Для построения аналогичной кривой поперечной аберрации по оси абсцисс откладывают тангенсы апертурных углов в пространстве изображений, а по оси ординат — радиусы кружков рассеяния.

На рис. 35 показаны характеристические кривые продольной и поперечной сферических аберраций одиночной линзы и двухлинзового склеенного объектива. Продольные аберрации показаны в одинаковом масштабе. В сложной системе аберрации значительно уменьшены. Такая система называется коррегированной на сферическую аберрацию. Поперечные аберрации по оси ординат показаны в разных масштабах, в отношении 1:30. В данном примере поперечные аберрации одиночной линзы примерно в 30 раз больше, чем у объектива, при равных фокусных расстояниях и относительных отверстиях.

Для положительной одиночной линзы характерным является отрицательное значение продольной сферической аберрации. Такая аберрация называется недокоррегированной. Если же вся характеристическая кривая сферической аберрации или ее большая часть находилась бы справа от оси ординат, аберрация была бы положительной и называлась бы перекоррегированной.

На графиках поперечных аберраций через центр координат проведем вспомогательные прямые таким образом, чтобы кривая аберрации вверх и вниз от нее имела одинаковые отступления. На графике одиночной линзы это выдержано почти полностью, а для двухлинзового объектива имеем отступления от этого условия для обоих краев кривой, соответствующих аберрациям лучей, идущих в самой краевой зоне отверстия. Неточность проведения вспомогательной прямой оправдывается незначительным влиянием небольшого участка площади зрачка по сравнению со всем отверстием. Эти вспомогательные прямые позволяют определить положение плоскости наилучшей установки.

Тангенсы угла наклона этой прямой указывают на величину смещения плоскости наилучшей установки. Изображая поперечные аберрации так, как показано на рис. 35, Δs, можно вычислить по следующей формуле:

Вспомогательная прямая является как бы новой ординатой для кривой, относительно которой можно определять поперечные аберрации в плоскости наилучшей установки. Так, например, для одиночной линзы имеем поперечные аберрации (кружок) в 0,3 мм, а для объектива 0,01 мм.

Если сферическая аберрация уничтожена (коррегирована) для края входного зрачка, то величина Δs может быть определена по формуле

Зоной входного зрачка называют ординату на зрачке, равную 0,35D. Для этой высоты луча сферическая аберрация обычно приобретает наибольшее значение, тогда как для края отверстия она равна нулю.

Пример 17. Продольная сферическая аберрация объектива f’=200 мм для пучка лучей диаметром 40 мм составляет 0,16 мм. Определить диаметр кружка рассеяния и сферическую аберрацию в угловой мере.

Решение. Дано f’=200 мм, h1=20 мм и δs’=0,16 мм. Применив формулы (34,3) и (34,4), получим

Что такое сферическая аберрация?

Сферическая аберрация — это визуальный эффект, вызванный искажением света, проходящего через сферическую линзу. Эффект ухудшает контраст объекта, наблюдаемого через линзу, и заставляет одну точку окружаться ореолом света. Это создаст размытие деталей всего изображения, и любой контраст между объектами будет плохо определен. Сферическая аберрация возникает равномерно по всему полю линзы, независимо от того, сколько или как мало света проходит через нее.

Названная в качестве точки генерации на сферической поверхности линзы, сферическая аберрация характерна для оптических линз, особенно в телескопах. Изменения в расстоянии объектов могут вызвать эффект. Волны света, проходящие через него, не встречаются на зеркале, препятствуя формированию четкого изображения. Важно не переоценивать аберрацию, в этом случае эффект будет таким же. При недостаточной коррекции изменение лучей приводит к изменению изображения.

Чтобы спроектировать линзу или исправить ошибку аберрации, рассчитывается коэффициент сферической аберрации, который эквивалентен ошибке волнового фронта, которая создает эффект. Для недостаточно исправленных сферических аберраций этот коэффициент имеет отрицательное значение, а чрезмерно исправленные аберрации имеют положительное значение. Исправление проблемы включает в себя возможность сбалансировать сферическую аберрацию, регулируя волны света в соответствующем направлении.

Сферическая аберрация может быть исправлена ​​с помощью одной из множества мер. Уменьшение размера диафрагмы объектива часто достаточно для решения проблемы. Степень размытия экспоненциально уменьшается с диаметром апертуры, что важно для исправления этой визуальной ошибки. Этот расчет отличается, если составные линзы используются вместе в системе. Специальные фильтры иногда используются фотографами в их камерах, чтобы создать сферическую аберрацию и произвести специальные эффекты на получающихся изображениях.

Когда необходимо исправить сферические аберрации, необходимо принять во внимание надлежащие расчеты. Эти математические элементы включают в себя коэффициенты и переменные, которые должны быть специфичны для объектива и ошибки, которая имеет место. Проблема может быть исправлена ​​и фокусировка настроена так, чтобы изображение было четким, что необходимо для всех камер, микроскопов, а также для любительских и самых продвинутых телескопов.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

СФЕРИЧЕСКИЕ АБЕРРАЦИИ ПРИ НОШЕНИИ КОНТАКТНЫХ ЛИНЗ

04.06.2017

Глаз не является совершенным оптическим инструментом, в котором точечный источник отражался бы на сетчатке в виде точечного же изображения. Изображение на сетчатке искажено по причине иррегулярности преломляющей среды, вызывающей оптические аберрации.
Миопия, гиперметропия и астигматизм уже долгое время корригируют с помощью сферических линз и линз с тороидальной поверхностью. Однако чтобы на сетчатке получилось совершенное изображение, средство коррекции должно также исправлять и различные типы аберраций.

Искажения волнового фронта глаза можно разделить на аберрации низшего и высшего порядка. Аберрации нулевого, первого и второго порядка, для описания которых используются полиномы Цернике (Zernike), называются аберрациями низшего порядка. Аберрации нулевого и первого порядка не влияют на качество монохромного изображения. Ко второму порядку относятся сферические и астигматические рефрактивные ошибки, которые обычно и корригируются с помощью очков или контактных линз. Большая часть (в среднем 80%) ошибок волнового фронта глаза вызывается аберрациями второго порядка.
Как правило, чем выше порядок аберраций, тем меньше их величина. Общая сумма аберраций высшего порядка, определяемая по среднеквадратическому значению, колеблется в диапазоне от 0,04–0,1 мк при зрачке диаметром 3 мм до 0,2–0,5 мк при зрачке в 6 мм. Сферическая аберрация существенно влияет на рефрактивные ошибки высшего порядка. Положительная сферическая аберрация возникает, когда периферийные лучи, проходя через линзу или оптическую систему, преломляются с большей положительной силой, чем центральные лучи. Отрицательная сферическая аберрация возникает, когда периферийные лучи преломляются с меньшей положительной или большей отрицательной силой, чем центральные лучи. Согласно законам лучевой оптики, в случае со сферической поверхностью (как, например, поверхность контактной линзы) положительная оптическая сила вызовет положительные сферические аберрации, а отрицательная сила – отрицательные. Сферическая аберрация по определению осесимметрична и в пределах популяции существенно варьирует – в среднем 0,1±0,1 мк при 6-милиметровом зрачке.
Научные исследования показали, что стандартная мягкая контактная линза, надетая на глаз, может повысить среднеквадратичное значение аберраций высшего порядка. Однако это подразумевает, что с помощью специальных мягких контактных линз (МКЛ) подобные аберрации можно было бы корригировать. И действительно, по индивидуальным заказам изготавливаются МКЛ, позволяющие уменьшить все аберрации конкретного глаза. Сегодня подобные МКЛ дороги и не являются общедоступным товаром. С другой стороны, доступны пущенные в массовое производство «аberration control contact lenses» (ACCL), которые, как заявляется, кроме коррекции дефокуса и астигматизма уменьшают сферические аберрации. При этом используется асферическая передняя поверхность, которая создает отрицательные сферические аберрации для нейтрализации типичных положительных сферических аберраций неаккомодирующего глаза.
Поскольку в основе ACCL лежит предположение, что у большинства людей наблюдается одна и та же суммарная величина сферических аберраций, не совсем понятен эффект, который эти линзы оказывают в каждом индивидуальном случае. С целью выяснить это Британская ассоциация контактологов обратилась за помощью к специалистам из Стокгольма. A.Lindskoog Petterson, C.Jarko, A.Alvin и R.Brautaset (Каролинский институт) при участии P.Unsbo (Королевский технологический институт) провели в этом году два исследования.
В первом исследовании сравнивались остаточные сферические аберрации при ношении стандартных однодневных МКЛ Focus Dailies Disposable (8,6/14,2) производства компании Ciba Vision и при ношении однодневных МКЛ с контролем над аберрациями Definition AC Everyday (8,6/14,2) производства Optical Connection. В ходе второго исследования оценивались остаточные сферические аберрации при ношении силиконгидрогелевых МКЛ месячной замены PureVision (8,6/14,0) производства компании Bausch & Lomb.
Проведенные исследования показали, что средняя величина сферических аберраций в некорригированном глазу положительная и практически не отличается от величины, приведенной в предыдущих исследованиях. Однако при диаметре зрачка в 6 мм индивидуальные различия немного сильнее, чем предполагалось раньше. Возможно, это объясняется тем, что величина сферических аберраций зависит от аккомодации. Поскольку в данных исследованиях не применялись мидриатические средства, аккомодация могла влиять на аберрации. Предыдущие исследования показали, что при надетых МКЛ достоверность и воспроизводимость результата аберрометрии уменьшается.
Утверждается, что преимущество использованных ACCL состоит в том, что они уменьшают сферические аберрации, не создавая новых. В результате картина волнового фронта должна быть как можно более близкой к идеалу, то есть качество зрения повышается независимо от оптической силы линз, необходимой для исправления рефрактивной ошибки. Оба исследования показали, что при диаметре зрачка 6,0 мм использование ACCL ведет к перекоррекции положительных сферических аберраций, и в результате средняя сферическая аберрация из положительной становится отрицательной. Та же тенденция наблюдалась даже в случае меньшего диаметра зрачка (4 и 5 мм). На индивидуальном уровне у некоторых участников исследований сферическая аберрация оставалась положительной, иногда практически нулевой, но у большинства возникла индуцированная отрицательная сферическая аберрация. С другой стороны, стандартные МКЛ в первом исследовании производили сходный эффект, но почти у всех обследуемых уровень полученной отрицательной сферической аберрации стремился к нулю.
С годами положительная сферическая аберрация увеличивается из-за изменений в хрусталике. Поэтому неудивительно, что во втором исследовании получилась такая перекоррекция аберраций: дизайн линз разрабатывался в расчете на лиц старшего возраста.
При использовании обычных МКЛ отрицательная сферическая аберрация возрастает по мере увеличения отрицательной силы линз и для линз -5,0 D составляет около -0,15 мк. У участников первого исследования была средняя миопическая рефракция -2,63 D. При такой оптической силе и размере зрачка 6 мм обычные сферические МКЛ уменьшают положительную сферическую аберрацию приблизительно на 0,075 мк. Это уменьшение хорошо заметно по результатам первого исследования.
Оба исследования показали, что в дополнение к вариациям сферической аберрации, связанным с возрастом и оптической силой МКЛ, разные МКЛ также по-разному влияют на сферическую аберрацию. Результирующая остаточная аберрация часто оставалась неизвестной. Поэтому для изменения сферической аберрации в нужном направлении подбор линз должен основываться на сравнительном измерении аберраций в некорригированном и корригированном глазу.

Опубликованные ранее данные говорят, что в неаккомодирующем глазу сферическая аберрация положительна, но в процессе аккомодации переходит в отрицательную. А значит, ни к чему вызывать значительную отрицательную сферическую аберрацию в неаккомодирующем глазу. Также отмечалось, что это «переключение» сферической аберрации в процессе аккомодации – сигнал, прекрасно позволяющий наблюдать за реакцией аккомодации. С другой стороны, индуцированная отрицательная сферическая аберрация вызовет увеличение глубины резкости, что сократит потребность в аккомодации. Таким образом, нельзя точно предсказать окончательный итог: как изменения сферической аберрации повлияют на аккомодацию. Авторы полагают, что все-таки лучше подбирать контактные линзы, при ношении которых глаз останется с привычными аберрациями, к которым зрительная система уже приспособлена.

Таким образом, все МКЛ, стандартные и ACCL, изменяют результирующую сферическую аберрацию. В группе молодых людей со слабой миопией, как в исследованиях, проведенных в Швеции, проявилась тенденция скорее к перекоррекции, чем к сокращению общей суммы сферических аберраций. Авторы исследований полагают, что было бы благоразумно хотя бы измерять аберрации у каждого пациента с линзами на глазах. Только таким путем можно реально оценить, какое действие в конкретном случае оказывают МКЛ с опцией контроля над аберрациями.

Источник: журнал «Глаз»,
№5-2008

перевод на английский, синонимы, антонимы, примеры предложений, значение, словосочетания

Сферическая аберрация приводит к тому, что лучи, параллельные оси объектива, но удаленные от нее, фокусируются в несколько ином месте, чем лучи, расположенные близко к оси. Spherical aberration causes beams parallel to, but distant from, the lens axis to be focused in a slightly different place than beams close to the axis.
Сферическая аберрация может быть сведена к минимуму при нормальной форме линз, тщательно выбирая кривизну поверхности для конкретного применения. Spherical aberration can be minimised with normal lens shapes by carefully choosing the surface curvatures for a particular application.
При диаметре зрачка 3 мм сферическая аберрация значительно уменьшается, что приводит к улучшению разрешения примерно на 1,7 угловых минуты на пару линий. At a pupil diameter of 3 mm, the spherical aberration is greatly reduced, resulting in an improved resolution of approximately 1.7 arcminutes per line pair.
Однако фокус сферического отражателя не будет точечным фокусом, потому что он страдает от явления, известного как сферическая аберрация . However, the focus of a spherical reflector will not be a point focus because it suffers from a phenomenon known as spherical aberration .
Несколько последних тестов, используя обычные нуль-корректоры, правильно сообщили о сферической аберрации . A few final tests, using the conventional null correctors, correctly reported spherical aberration .
Наружная имеет параболическую поверхность, противодействующую эффектам сферической аберрации и позволяющую формировать четкое изображение. The outer has a parabolic surface, countering the effects of spherical aberration while allowing a sharp image to be formed.
Сферические зеркала, однако, страдают от сферической аберрации-параллельные лучи, отраженные от таких зеркал, не фокусируются в одну точку. Spherical mirrors, however, suffer from spherical aberration—parallel rays reflected from such mirrors do not focus to a single point.
Ахроматическая линза или ахромат-это линза, предназначенная для ограничения эффектов хроматической и сферической аберрации . An achromatic lens or achromat is a lens that is designed to limit the effects of chromatic and spherical aberration .
Апохромат-это линза или линзовая система с еще лучшей коррекцией хроматической аберрации в сочетании с улучшенной сферической коррекцией аберрации . An apochromat is a lens or lens system with even better chromatic aberration correction, combined with improved spherical aberration correction.
У него почти не было изъянов, за исключением небольшой косой сферической аберрации , которая могла снизить периферический контраст. It had almost no flaws, except for a bit of oblique spherical aberration , which could lower peripheral contrast.
В зависимости от того, как линза исправлена на сферическую аберрацию , диск может быть равномерно освещен, ярче вблизи края или ярче вблизи центра. Depending on how a lens is corrected for spherical aberration , the disc may be uniformly illuminated, brighter near the edge, or brighter near the center.
Это также позволяет увеличить диафрагму для заданной резкости изображения, позволяя большему количеству света проникать в объектив; и более плоскую линзу, уменьшая сферическую аберрацию . This also allows a larger aperture for a given sharpness of image, allowing more light to enter the lens; and a flatter lens, reducing spherical aberration .
Он имеет фиксированную сферическую форму и два дополнительных отражателя, подвешенных выше, чтобы исправить полученную сферическую аберрацию . It has a fixed spherical shape and two additional reflectors suspended above to correct for the resultant spherical aberration .
Он имеет фиксированную сферическую форму и два дополнительных отражателя, подвешенных выше, чтобы исправить полученную сферическую аберрацию . Nurse logs may therefore provide some measure of protection from these pathogens, thus promoting greater seedling survivorship.
Он имеет фиксированную сферическую форму и два дополнительных отражателя, подвешенных выше, чтобы исправить полученную сферическую аберрацию . Oceans have a thermal gradient, the surface being much warmer than the deeper levels of the ocean.
Изображение формируется со значительной комой, искривлением поля и другими оптическими аберрациями , присущими сферическим линзам. An image is formed with significant coma, field curvature, and other optical aberrations inherent to spherical lenses.

Новые технологии Fujinon

Aspheric Technology AT2

Усовершенствованная технология изготовления асферических линз и оптического механизма объективов позволяет уменьшить минимальное расстояние до объекта (M.O.D.) и увеличить угол поля зрения. Объективы с переменным фокусным р асстоянием, в которых используются асферические линзы, состоят из меньшего числа элементов и, следовательно, имеют меньший вес и габариты. Асферические линзы фокусируют весь проходящий через них свет в одной точке, благодаря чему снижаются сферические аберрации, а резкость и разрешение повышаются.

Объективы, созданные по технологии AT2, совместимы с существующими оптическими аксессуарами, оснащены системой внутренней фокусировки, имеют лучшее угловое разрешение и коррекцию хроматических аберраций, низкую дисторсию, массу и габариты.

Сферические линзы


Лучи света, проходящие по периферии сферических линз, фокусируются в других точках фокальной плоскости, нежели лучи, проходящие через центр. Это явление называется «сферическая аберрация», в результате которой получается расплывчатое изображение и ухудшается резкость и разрешение.

Асферические линзы

Асферические линзы сконструированы так, что весь проходящий через них свет фокусируются в одной точке. Благодаря этому снижается сферическая аберрация и улучшается резкость и разрешение.

Digi Power

Система цифрового сервоуправления управления HD/ENG/EFP объективами.

Система DIGI POWER основана на внедрении в управление объективами новейших цифровых технологий. Она значительно увеличивает надежность и точность работы оптики и удовлетворяет всем требованиям вещательных систем последнего поколения, обеспечивая получение великолепного изображения и легкое управление объективом.

Система цифрового сервоуправления объективами DIGI POWER отвечает потребностям новейших вещательных технологий и позволяет в полной мере реализовать все их преимущества при создании программ любого уровня сложности.

Система DIGI POWER обеспечивает 13-битную точность в управлении фокусом и зумом, а также множество новых функциональных возможностей.

Преимущества системы DIGI POWER особенно полно реализуются при использовании объективов в полностью цифровом окружении, например, в роботизированных и виртуальных студиях.

Объективы серии DIGI POWER полностью совместимы с аксессуарами для других, более ранних серий (включая аналоговое сервоуправление объективов Ah). Однако использование аксессуаров самой серии DIGI POWER с другими объективами не всегда возможно.

Quick Zoom

Разработанная Fujinon функция QUICKZOOM обеспечивает наиболее быстрый метод управления фокусом и зумом путем простого нажатия единственной кнопки. Функция QUICKZOOM также позволяет быстро вернуться к широкоугольной съемке, выбрав соответствующую позицию на регуляторе зума. После выбора кадра объектив можно мгновенно переключить в режим телефото, а затем вновь вернуться к прежнему плану.

Auto-Cruising Zoom

В некоторых моделях объективов HD/ENG, удерживая кнопку C•Z можно выбирать необходимую скорость масштабирования. При ее повторном нажатии происходит возврат к нормальной скорости масштабирования. Эта функция избавляет оператора от необходимости вращать регулятор зума.

QuickFrame

Функция QuickFrame дает возможность быстро установить нужный кадр при ручном масштабировании. Эта система позволяет переключиться с автоматического масштабирования на ручное, установить нужный кадр, и затем переключиться обратно в режим автоматического масштабирования.

Управление с PC

В объективах HD/ENG предусмотрено дистанционное управление зумом, фокусом и диафрагмой через последовательные цифровые линии связи. Данная возможность отвечает требованиям новейших виртуальных студий и некоторых других применений, где необходимо соблюдение предельной цифровой точности установок и управления.

One shot preset: Zoom/Focus

Функция позволяет сохранить с цифровой точностью в качестве предустановки значения зума и фокуса (для ENG объективов — только зума). Данные значения могут вызваны нажатием единственной кнопки, что обеспечивает значительную экономию времени.

Три режима масштабирования и фокусировки

Режим Zoom/Focus позволяет задать три раздельных установки для управления масштабированием и фокусировкой. Данные настройки идеально подходят для случаев, требующих быстрого переключения съемочных планов и параметров (драматические события, спортивных состязания), а также для точной коррекции фокусного расстояния объектива.

Компенсация эффекта масштабирования при фокусировке

Для объективов Ah30x8/Ah34x7 и HA22x7.2/HA26x6.7.

Когда вы работаете с фокусом, угол захвата значительно изменяется, также как и при работе с зумом. Это называется «эффект масштабирования при фокусировке», или «pumping». Наличие компенсирующей функции дает возможность, синхронизировать работу зума при работе с фокусом, что позволяет сохранить необходимый угол поля зрения.

Усовершенствованный механизм Back-Focus

Использование механизма Back-Focus позволяет проводить макросъемку (до 30 см). Плавное уменьшение фокуса возможно также при широком угле объектива при помощи простейшего дистанционного управления. Наличие функции плавного уменьшения фокуса расширяет возможности объективов, особенно когда съемка проходит в уникальных условиях (НА26x, XА72x, XА87x, Ah80x).

Система диагностики Find

Усовершенствованная система самодиагностики FIND позволяет напрямую анализировать состояние электронных компонентов объектива. Установка на ваш компьютер программного обеспечения для системы DIGI POWER позволяет использовать удобный графический интерфейс и разнообразные диагностические функции.

Технология оптической стабилизации OS-TECH

Новейшая технология стабилизации изображения OS-Tech от Fujinon исключает негативные воздействия вибрации и имеет значительные преимущества по сравнению с другими методами стабилизации. Антивибрационная насадка помещается между камерой и объективом и при необходимости может быть удалена (объективы серии XА87x поставляются как со съемной, так и во встроенной насадкой OS-Tech). Компенсируя вибрационные воздействия, данная насадка также увеличивает на 25% фокусное расстояние, что повышает возможности объектива при работе с динамическим изображением. Обладая превосходным оптическим характеристикам, OS-Tech может применяться в комбинации с новейшими объективами класса HDTV и EFP.

VFormat

Новые объективы Fujinon оснащены конвертером форматов изображения для камер, имеющих переключение между форматами 4:3 и 16:9. В конвертере Vformat предусмотрена компенсация сужения угла съемки при переключении камеры, имеющей CCD-матрицы формата 16:9, в режим 4:3. Также Fujinon предлагает опциональные конвертеры, размещаемые в турели экстендера студийных и EFP объективов.

Компенсирующий линзовый механизм FS

Для коррекции кривизны поля и комы (геометрических аберраций, вызывающих размытость изображения), улучшения углового разрешения и качества изображения Fujinon применяет компенсирующий линзовый механизм, управляемый встроенным микропроцессором.

Защита от пыли и влажности

В объективах Fujinon предусмотрена защита от воздействия пыли и повышенной влажности на оптические элементы.

Технология Wide

Технология WIDE POWER разработана для объективов ENG и обеспечивает максимально широкий угол охвата изображения, а также наилучшие оптические характеристики. По технологии WIDE POWER Fujonon изготавливает уникальные широкоугольные объективы, такие, как модель А10×4.8Е, которая обеспечивает угол 90° по горизонтали в формате 16:9 и имеет при этом дисторсию менее 1%.

Широкоульники Fujinon достигают 10-кратного увеличения фокусного расстояния. Благодаря новой системе внутренней фокусировки удается избежать эффекта изменения размера изображения, возникающего из-за смещения оптической оси в момент наведения фокуса. В них значительно снижена продольные и диагональные хроматические аберрации, а также коматическая аберрация. Обладая столь уникальным сочетанием характеристик, данные объективы по своей массе и габаритам вполне вписываются в стандарты всем привычных портативных моделей объективов ENG.

EBC многослойное покрытие

Специальное оптическое многослойное покрытие, наносимое электронным лучом, ослабляет яркий свет, значительно улучшая качество изображения, при съемке ярко освещенных объектов. ЕВС покрытие также обеспечивает передачу цветовых оттенков с высокой точностью.

© Информация подготовлена по материалам Fujinon Corporation,

© Корпорация D&K, 2001

Назад в раздел

Что такое сферическая аберрация?

Сферическая аберрация — это оптическая проблема, возникающая, когда все входящие световые лучи фокусируются в разных точках после прохождения через сферическую поверхность. Световые лучи, проходящие через линзу вблизи ее горизонтальной оси, преломляются меньше, чем лучи ближе к краю или «периферии» линзы, и в результате попадают в разные точки поперек оптической оси. Другими словами, параллельные световые лучи падающего света не сходятся в одной и той же точке после прохождения через линзу.Из-за этого сферическая аберрация может влиять на разрешение и четкость, затрудняя получение четких изображений. Вот иллюстрация, показывающая сферическую аберрацию:

Как показано выше, лучи света преломляются или изменяют свой угол при прохождении через линзу. Те, что ближе к верхней и нижней части иллюстрации, в конечном итоге сходятся на меньшем расстоянии вдоль оптической оси (черная/красная пунктирная линия), а те, что ближе к оптической оси, сходятся на большем расстоянии, создавая разные точки фокусировки вдоль та самая ось.Точка наилучшего фокуса с «кругом наименьшего замешательства» показана толстой зеленой линией. Сферическая аберрация вызвана не только конструкцией линзы, но и качеством материала линзы. Линзы из некачественного материала и большие пузыри могут сильно повлиять на преломление света.

У идеальной линзы все световые лучи должны сходиться в одной фокусной точке, как показано ниже:

Таким образом, лучшая точка фокусировки с кругом наименьшего нерезкости находится прямо в этой фокусной точке.Однако конструкция обычной сферической линзы не позволила бы этому случиться, поэтому производители разработали специальные точные методы для уменьшения эффекта сферической аберрации.

Способы уменьшения сферической аберрации

В современных объективах используются различные методы значительного уменьшения сферической аберрации. В одном из методов используется специальная апсферическая (то есть несферическая) поверхность линзы, изогнутая наружу с одной стороны с единственной целью схождения световых лучей в единую фокальную точку, как показано ниже:

Сферическая аберрация наиболее выражена когда диафрагма объектива широко открыта (максимальная диафрагма).Закрытие объектива даже на один стоп резко снижает сферическую аберрацию, поскольку лепестки диафрагмы блокируют внешние края сферических линз. Наглядный пример этого можно найти в статье о смещении фокуса.

Если вам интересно узнать больше, ниже приведен список статей о других типах аберраций и проблемах, которые мы ранее публиковали на сайте Photography Life:

Углубленный взгляд на пластины компенсации сферической аберрации

Определение | Преимущества | Инновации| Приложения

Оптические аберрации — это отклонения от идеальной математической модели.Важно отметить, что они не вызваны какими-либо физическими, оптическими или механическими дефектами. Скорее, они могут быть вызваны самой формой линзы или размещением оптических элементов в системе из-за волновой природы света. Оптические аберрации называют и характеризуют по-разному. Для простоты рассмотрим аберрации, разделенные на две группы: хроматические аберрации (присутствующие при использовании более одной длины волны света) и монохроматические аберрации (присутствующие при одной длине волны света).Дополнительные сведения об аберрациях см. в разделах Хроматические и монохроматические оптические аберрации и Сравнение оптических аберраций.

Рис. 1: Иллюстрация сферической аберрации

Одним из наиболее распространенных типов монохроматических аберраций является сферическая аберрация. Сферическая аберрация является результатом фокусировки света в разных местах в зависимости от его радиального расстояния от центра линзы, что приводит к снижению производительности системы (рис. 1). Хотя сферическая аберрация присутствует во всей сферической оптике, инновационный способ ее коррекции заключается в использовании пластин для компенсации сферической аберрации, чтобы уменьшить или устранить известное количество сферической аберрации в системе.

ЧТО ТАКОЕ ПЛАСТИНЫ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ СФЕРИЧЕСКИХ АБЕРРАЦИЙ?

Пластины для компенсации сферической аберрации, компенсирующие и исправляющие известную величину сферической аберрации, представляют собой одноэлементные оптические компоненты, которые можно легко вставить в систему, уменьшая размер пятна и значительно улучшая качество изображения (рис. 2a–2b). Эти корректирующие пластины означают изменение способа коррекции аберраций. Корректируя известное количество сферической аберрации, они экономят время проектирования, уменьшают вес системы, а также производственные затраты.

Пластины компенсации сферической аберрации

предназначены для использования в коллимированном пространстве вблизи зрачка. Их следует использовать для систем с малым полем зрения, таких как лазерные системы или приложения для визуализации точечных объектов. Эти корректирующие пластины можно комбинировать, чтобы вызвать желаемую величину компенсирующей сферической аберрации. Пластины с отрицательным знаком создают чрезмерно скорректированную сферическую аберрацию, в то время как пластины с положительным знаком создают недоисправленную сферическую аберрацию.

Пластины для компенсации сферической аберрации

представляют собой оптически плоские окна с низким искажением волнового фронта, которые были отполированы магнитореологически для придания слегка асферической поверхности.8+… $$

Где $ \small{Z} $ — прогиб поверхности параллельно оптической оси; $ \small{s} $ — радиальное расстояние от оптической оси; $\small{C} $ — кривизна линзы, обратная радиусу; $\small{k}$ — коническая константа; а $\small{A_4}$, $\small{A_6}$, $\small{A_8}$ — асферические термы 4-го, 6-го, 8-го… порядка.

Однако в случае пластин для компенсации сферической аберрации оптическая сила (кривизна) поверхности отсутствует (т.е. $ \small{C = 0} $).8+… $$

Рисунок 2a: Точечная диаграмма оптической системы с нескорректированными сферическими аберрациями
Рис. 2b: Точечная диаграмма оптической системы с компенсационной пластиной сферической аберрации

Каковы преимущества пластин для компенсации сферической аберрации?

Пластины для компенсации сферической аберрации

представляют собой сдвиг в парадигме того, как разработчики оптики и промышленные конечные пользователи компенсируют и преодолевают сферические аберрации.Они обеспечивают новый уровень гибкости, позволяя проводить коррекцию аберраций на этапе проектирования, прототипирования или постпроизводства. Кроме того, эти корректирующие пластины позволяют пользователям пассивно корректировать известное количество аберраций без полной переделки системы и без включения программного обеспечения и адаптивных средств управления оптикой, что экономит время и деньги.

Исторически варианты исправления сферической аберрации были дорогими и громоздкими. Эти варианты включают использование адаптивных оптических систем, жидких линз или магнитореологическую отделку конечного элемента в сборке.В каждом из этих случаев процесс уменьшения сферических аберраций может быть дорогостоящим и чрезвычайно трудоемким; что делает эти решения не очень подходящими для OEM-приложений. К счастью, реализация одной пластины для компенсации сферической аберрации на два порядка дешевле, чем в большинстве доступных адаптивных оптических систем.

В зависимости от их реализации пластины для компенсации сферической аберрации могут использоваться для улучшения характеристик системы при одновременном уменьшении общего количества оптических элементов и, таким образом, уменьшении веса системы, времени сборки и стоимости.В качестве оптики на уровне компонентов применение и преимущества этих пластин-корректоров ограничены только творческим подходом их конечных пользователей.

Пластины для компенсации сферических аберраций

представляют собой начало новой концепции полной коррекции аберраций. В результате теперь представляется возможным устранить другие аберрации, просто внедрив один оптический компонент в конструкцию системного уровня, не требуя полной переделки системы. Эти корректирующие пластины представляют собой изменение в том, как выполняется коррекция аберраций, и прокладывают путь к дополнительным пластинам для коррекции аберраций (т.э., астигматизм, кома, Петцваля и др.).

В чем инновационность пластин для компенсации сферической аберрации?

Разработчики оптики пытались компенсировать сферические аберрации в своих системах на протяжении столетий и будут продолжать делать это по мере того, как усовершенствования новых технологий расширяют возможности оптических компонентов. Кроме того, разработчики и производители оптики продолжают искать конструкции, уменьшающие аберрации, а также новые компоненты, которые полностью устраняют сферические аберрации.С появлением дуплетных линз и асферических линз многие разработчики оптики получили возможность компенсировать сферические аберрации в своих системах на ранних этапах проектирования. Однако промышленные конечные пользователи и исследователи в лабораториях часто не имеют простого или экономичного решения, которое легко компенсировало бы эти ошибки.

Современные методы коррекции аберраций включают использование адаптивной оптики, в частности, деформируемых зеркал или жидких линз. Текущее состояние этих технологий требует от конечного пользователя глубоких знаний в области электрооптики и компьютерного программирования для успешной интеграции адаптивной оптической системы с обратной связью.Это чрезвычайно затрудняет быстрое и простое улучшение производительности системы. Пластины для компенсации сферических аберраций представляют собой поистине уникальное пассивное решение для коррекции сферических аберраций.

Компонентный характер пластин корректора значительно увеличивает срок службы линейки продуктов и общее удобство использования. Они могут быть интегрированы в систему на любом этапе производственного цикла или цикла использования. Как пассивный оптический компонент, программное обеспечение и электронные усовершенствования не сокращают и не ограничивают срок службы и полезность этих продуктов.Пока расходящийся или сходящийся свет проходит через стекло (даже через окно), сферические аберрации будут по-прежнему вызывать беспокойство у оптических дизайнеров и промышленных конечных пользователей. Благодаря этим характеристикам сферические аберрационные пластины станут основой оптической промышленности на долгие годы.

Примеры реальных приложений

Чтобы по-настоящему понять и оценить преимущества включения пластин для компенсации сферической аберрации в существующую настройку приложения, рассмотрим два реальных примера с соответствующими уравнениями, иллюстрациями и моделированием Zemax.

Приложение 1: Сферическая аберрация как функция диаметра луча и длины волны

Пластины компенсации сферической аберрации

определяют общую величину сферической аберрации, придаваемую коллимированному лучу света, покрывающему всю его чистую апертуру. Однако часто необходимо знать величину сферической аберрации, создаваемой пластиной корректора при диаметрах луча, меньших, чем его чистая апертура.4 $$

, где W(λ,ρ) — ошибка переданного волнового фронта (WFE) из-за сферической аберрации в волновых единицах, или λ; ρ — диаметр падающего луча, деленный на световую апертуру пластины; и W 040 , который зависит от длины волны, представляет собой коэффициент аберрации волнового фронта на основе отдельной пластины в единицах λ.


Рис. 3. Зависимость сферической аберрации от диаметра падающего луча для #66-749 Пластина компенсации сферической аберрации диаметром 12,5 мм +0,25λ

При 587,6 нм W 040 соответствует погрешности волнового фронта, указанной в характеристиках отдельной пластины корректора. Например, для пластины № 66-749 диаметром 12,5 мм +0,25λ W 040 равняется +0,25 при 587,6 нм, а чистая апертура (CA) составляет 11,25 мм. Важно отметить, что уравнение 3 справедливо только тогда, когда коллимированный пучок падает на пластину корректора; это неверно, если падающий луч сходится или расходится.Чтобы проиллюстрировать величину генерируемой сферической аберрации в зависимости от диаметра падающего луча, рассмотрим #66-749 на длине волны 587,6 нм (рис. 3).

Как упоминалось ранее, на величину сферической аберрации, создаваемой пластиной компенсации сферической аберрации, также влияет длина волны источника света. Рисунок 4 показывает, что #66-749 дает больше сферических аберраций на более коротких длинах волн, чем на более длинных. Также это верно независимо от знака W 040 (рис. 4 – 5).Таким образом, величина сферической аберрации, вносимой пластиной корректора, увеличивается с увеличением апертуры и уменьшается с длиной волны.

Рис. 4: Вт 040 в зависимости от длины волны для #66-749 Пластина компенсации сферической аберрации диаметром 12,5 мм +0,25λ
Рис. 5: Вт 040 в зависимости от длины волны для № 66-750, диаметр 12,5 мм -0,25λ Пластина для компенсации сферической аберрации

Приложение 2: Коррекция аберрации оптической линзы с положительным фокусным расстоянием

Оптическая линза с положительным фокусным расстоянием всегда вносит положительную сферическую аберрацию.Это видно из профиля ошибки передаваемого волнового фронта (WFE) и графика оптической разности хода (OPD) (рис. 6). Для коррекции сферической аберрации, вызванной положительной линзой, используйте пластину компенсации отрицательной сферической аберрации.

Рассмотрим конкретный пример использования пластины для компенсации сферической аберрации #66-760 диаметром 25 мм -1,00λ с плосковыпуклым объективом #33-358 диаметром 25 мм и 200 м EFL (PCX), работающим при f/8,89. Рисунок 6 иллюстрирует профиль WFE и график OPD только для линзы PCX, тогда как на рисунке 7 показана пластина корректора, расположенная на коллимированной стороне линзы.Без пластины линза PCX дает сферическую аберрацию +0,9162λ; однако с пластиной результирующий передаваемый WFE составляет +0,9162λ – 1λ ≈ -0,0836λ — меньше, чем λ/10! Хотя числовая разница может быть небольшой, оптическая разница важна для любого, кто пытается исправить сферическую аберрацию.

Рис. 6: WFE (слева) и OPD при ƒ/8,89 (справа) для #33-358, диаметр 25 мм, плосковыпуклая линза EFL, 200 мм
Рис. 7: WFE (слева) и OPD на ƒ/8.89 (справа) для плосковыпуклой линзы EFL #33-358, диаметр 25 мм, диаметр 200 мм, пластина компенсации сферической аберрации #66-760, диаметр 25 мм -1,00λ
Рис. 8. Ошибка волнового фронта (WFE), созданная компенсационной пластиной сферической аберрации диаметром 66-749 диаметром 12,5 мм +0,25λ по сравнению с f/#

Важно отметить, что, поскольку пластина для компенсации сферической аберрации была помещена в коллимированное пространство, передаваемый WFE не зависит от ориентации асферической поверхности на пластине.Если пластина добавлена ​​на той стороне линзы, где собирается свет, то количество сферической аберрации, добавляемой пластиной, равно количеству сферической аберрации, создаваемой плоскопараллельной пластиной той же толщины, что и пластина корректора, плюс сумма добавляется, если она использовалась в коллимированном пространстве. Чтобы лучше понять эту концепцию, рассмотрим величину индуцированной сферической аберрации для пластины, помещенной в сходящийся/расходящийся волновой фронт:

(4) $$ W\left( \lambda, \rho ,t,n, f/\# \right)= -\frac {t}{\left(f/\# \right)^4} \cdot {\ frac {n ^ 2-1} {128 \ lambda n ^ 3}} + W_ {040} \ rho ^ 4 $ $

, где W(λ, ρ, t, n, f/#) — переданный WFE из-за сферической аберрации в волновых единицах или λ; ρ — диаметр падающего луча, деленный на световую апертуру пластины; W 040 , который зависит от длины волны, представляет собой коэффициент аберрации волнового фронта на основе отдельной пластины в единицах λ; t — толщина пластины; n – показатель преломления пластинки на длине волны λ; f/# — число f сходящегося/расходящегося луча.

Для f/# ≥ 10 ошибка волнового фронта приближается к +0,25 на 587,6 нм при использовании пластины компенсации сферической аберрации #66-749 диаметром 12,5 мм и 0,25λ (рис. 8).

Оптические аберрации существуют во всех оптических системах, системах обработки изображений и фотоники. Ключом к созданию лучших систем является понимание и исправление этих отклонений с помощью лучших методов и компонентов. Пластины компенсации сферической аберрации являются одним из инструментов, с помощью которых разработчики оптики могут сэкономить время проектирования, уменьшить вес системы и производственные затраты.Пластины компенсации сферической аберрации корректируют известную величину сферической аберрации в системе, что позволяет использовать один оптический компонент без необходимости полной переделки системы.

Оптические аберрации. Сферические аберрации. Учебное пособие по Java

Оптические аберрации. Сферические аберрации. размыты и немного не в фокусе.В идеале объектив без аберраций преобразует плоский волновой фронт в сферический волновой фронт, направляя все световые волны, преломленные объективом, в общую фокусную точку в центре сферы для получения идеального изображения.

Эффект сферической аберрации проявляется двумя способами: центр изображения остается в фокусе больше, чем края, а интенсивность краев падает по сравнению с центром. Этот дефект проявляется как в осевых, так и внеосевых точках изображения.

Учебное пособие инициализируется изображением образца (видимого через микроскоп), появляющимся в окне в левой части апплета.Под окном изображения находится раскрывающееся меню с надписью Choose A Specimen , используемое для выбора нового образца. Ползунок Lens Shape предназначен для управления учебным пособием путем увеличения количества сферической аберрации в оптической системе. Перемещение ползунка вправо также вызывает изменения, соответствующие введению сферической аберрации в дифракционную картину Эйри, показанную в центре окна апплета. Одновременно интенсивность смещается от центрального пика функции рассеяния точки в окружающие кольца, которые становятся гораздо более заметными.Эти изменения также коррелируют с диаграммой трассировки лучей, представленной в правой части апплета.

Артефакты сферической аберрации возникают, когда световые волны, проходящие через периферию нескорректированной выпуклой линзы, не фокусируются с волнами, проходящими через центр. Волны, проходящие вблизи центра линзы, лишь незначительно преломляются, тогда как волны, проходящие вблизи периферии, преломляются в большей степени, создавая множество различных фокусных точек вдоль оптической оси.В результате периферийные волны достигают более короткого фокуса (ближе к задней части линзы или объектива), чем лучи, проходящие через центральную или аксиальную область. Это известно как продольная или осевая сферическая аберрация . Осевая аберрация создается несферическими волновыми фронтами, создаваемыми самим объективом или неправильным использованием объектива. Некоторыми из наиболее распространенных причин являются несоблюдение заданной длины тубуса микроскопа или наличие веществ между объективом и фокальной плоскостью, имеющих ложный показатель преломления.

В микроскоп видно изображение, полученное путем фокусировки периферийных лучей, окруженных несфокусированным изображением лучей, проходящих через центральную часть линзы (или наоборот). Это один из самых серьезных артефактов разрешения, поскольку изображение образца расплывается, а не находится в резком фокусе. Наилучший фокус в неидеально или нескорректированном объективе будет где-то между фокальными плоскостями периферического и осевого лучей, в области, известной как диск наименьшего смущения (показанный в виде точки на оптической оси в учебном пособии). фигура).Световые лучи, преломленные краем хрусталика или зрачка (периферические лучи), имеют наименьшее фокусное расстояние и дают наименьшее изображение, тогда как те, которые пересекаются в параксиальной точке фокуса (аксиальные лучи), начали рассеиваться и не представляют «наилучшего». «фокус.

Оптимальная коррекция сферической аберрации возможна только при точном указании расстояния между образцом и изображением. Этот артефакт может быть легко вызван неправильной длиной трубки, вызванной введением оптических элементов в траекторию сходящегося пучка микроскопов с конечной длиной тубуса.Сферическая аберрация может возникнуть и при использовании неподходящих «окон», таких как покровные стекла нестандартной толщины (отклонения от 0,17 миллиметров) или некачественное иммерсионное масло между передней линзой объектива и покровным стеклом.

В этом учебном пособии показано преувеличенное изображение трех гипотетических монохроматических световых лучей, проходящих через выпуклую линзу и сходящихся в ряде фокальных точек, расположенных вдоль оптической оси (см. диаграмму трассировки лучей ).Изменения формы объектива с соответствующими регулировками положения(й) фокусной точки можно выполнить с помощью ползунка Lens Shape . Наибольшее преломление периферических лучей у края линзы, за ними следуют лучи посередине и затем лучи в центре. Большее преломление самых удаленных лучей приводит к фокальной точке (фокальная точка 1; см. рис. 1), которая находится перед диском наименьшего смешения , и фокальным точкам, создаваемым лучами, проходящими ближе к центру линзы (фокальная точка). точки 2 в центре и 3 в параксиальной фокальной плоскости; рис. 1).На рисунке 1 также показана мера поперечной сферической аберрации , определяемая как расстояние от оптической оси, на котором периферийные лучи пересекают плоскость параксиального фокуса. Как видно из рисунка, поперечная аберрация измеряется в плоскости изображения и полезна в качестве индикатора размытия изображения.

Большая часть расхождений в фокусных точках возникает из-за аппроксимаций эквивалентности значений синусов и тангенсов соответствующих углов, сделанных для уравнения линзы Гаусса для сферической преломляющей поверхности :

n/s + n’ /s’ = (n’-n)/r

, где n и n’ представляют собой показатель преломления воздуха и стекла, из которого состоит линза, соответственно, s и s’ представляют собой объект и расстояние изображения, а r — радиус кривизны линзы.Это выражение определяет взаимное расположение изображений, образованных криволинейной поверхностью линзы радиусом х , зажатой между средами с показателями преломления n и n’ . Уточнение этого уравнения часто называют коррекцией более высокого порядка (первого, второго или третьего) путем включения членов в куб угла апертуры, что приводит к более точному расчету. Отклонение от идеальной сферической волны выражается в долях волны, где одна волна равна средней длине волны освещающего света.Это отклонение называется разностью оптического пути , которая должна быть меньше четверти длины волны, прежде чем объектив с дифракционным ограничением можно будет считать свободным от аберраций.

По мере увеличения числовой апертуры объектива изменения толщины покровного стекла или показателя преломления становятся критическими, особенно при использовании сухих объективов с большим увеличением, когда небольшие изменения длины тубуса быстро приводят к ухудшению качества изображения. Несмотря на то, что сферическую аберрацию можно скорректировать практически до неопределяемых пределов при визуальном наблюдении со всеми типами объективов, должны выполняться оптические характеристики любого данного объектива.Для масляных иммерсионных объективов с высокой числовой апертурой это обычно означает использование покровного стекла толщиной 0,17 мм и иммерсионного масла с показателем преломления 1,5180 (± 0,0004) на длинах волн 546 и 589 нм. Усложняет эти условия тот факт, что почти для всех материалов показатель преломления зависит как от длины волны, так и от температуры. В случаях, когда указаны точные свойства покровного стекла и масла, производители микроскопов могут скорректировать сферическую аберрацию для нескольких значений длины волны.

Одним из механизмов, используемых для устранения сферической аберрации в масляных иммерсионных объективах, является проектирование оптики вокруг определенных пар сопряженных точек с использованием полусферической и менисковой линзы в передней части объектива. Как показано на рисунке 2, для образца, наблюдаемого в позиции P и окруженного иммерсионным маслом с показателем преломления n , существует сопряженная точка ( P(1) ) для устранения сферической аберрации в первом элементе линзы ( полусферическая линза).В этом случае световые лучи, исходящие из точки P , покидают поверхность полусферической передней линзы, как если бы они исходили из точки P(1) . Менисковая линза шлифуется с радиусом поверхности, центром которого является точка P , чтобы сформировать вторую сопряженную пару ( P(1) и P(2) ). Таким образом, свет от образца в точке P в конечном итоге выходит из менисковой линзы, как если бы он исходил из точки P(2) , что устраняет сферическую аберрацию для комбинации линз.

Образцы, помещенные в канадский бальзам или аналогичные материалы для заливки, которые имеют показатель преломления, близкий к показателю покровного стекла, не подвержены ошибкам сферической аберрации. Однако это неверно для образцов, помещенных в физиологический раствор или другие водные среды с показателями преломления, значительно отличающимися от покровного стекла. Даже при фокусировке через тонкие слои воды толщиной всего в несколько микрон возникают значительные аберрации, которые могут вызвать существенную асимметрию в функции рассеяния точки, вызывая неравномерное распределение выше и ниже фокальной плоскости.Эта концепция рассматривается в интерактивном руководстве по ссылке ниже.

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.Однако следствием уменьшения размера апертуры в оптической системе микроскопа является одновременное уменьшение количества света, попадающего в систему. Сферическую аберрацию обычно исправляют с помощью склеенных вместе стеклянных элементов (дуплетов линз или троек ). Стеклянные элементы спроектированы с различными формами выпуклости и/или вогнутости, чтобы гарантировать, что периферийные лучи и осевые лучи, особенно во внешней области поля зрения, будут сведены в общий фокус.

До недавнего времени ахроматы корректировались сферически только для зеленого света, хотя хроматически корректировались для двух длин волн. Кроме того, апохроматы были скорректированы сферически для двух длин волн, синего и зеленого, но были скорректированы хроматически для трех длин волн. Современные высококачественные объективы для микроскопов устраняют сферические аберрации несколькими способами, включая специальные методы шлифовки линз, улучшенные составы стекла и лучший контроль оптических путей за счет использования элементов с несколькими линзами.В настоящее время объективы самого высокого качества, планохроматы, сферически скорректированы для четырех длин волн, как и планфлюориты (но не с таким точным допуском).

Пользователь также может непреднамеренно внести сферическую аберрацию в хорошо скорректированную систему. Например, при использовании сухих объективов с большим увеличением и высокой числовой апертурой правильная толщина покровного стекла (рекомендуется 0,17 мм) имеет решающее значение. На рис. 3 показано изменение полуширины кривой распределения интенсивности при изменении толщины покровного стекла.Даже при использовании высококачественных покровных стекол с допуском ±10 мкм полуширина изменяется более чем в два раза. Поскольку числовая апертура объектива увеличивается (выше значения 0,5), особенно с сухими и иммерсионными линзами, выбор покровных стекол правильной толщины становится особенно важным.

Высококачественные масляные иммерсионные объективы работают оптимально только при использовании покровного стекла толщиной 0,17 мм. Чтобы уменьшить вариации покровного стекла, на сухие объективы часто включают корректирующие кольца, позволяющие регулировать промежуточные элементы линзы для компенсации отклонения толщины покровного стекла.Поскольку фокус может сместиться, а изображение может измениться во время регулировки корректирующего кольца, использование корректирующих воротников требует, чтобы микроскопист оставался бдительным, чтобы сбросить воротник, используя соответствующие критерии изображения. Кроме того, вставка аксессуаров в световой путь объективов с конечной длиной тубуса может привести к аберрациям при перефокусировке образца, если только эти аксессуары не были должным образом разработаны с дополнительной оптикой.

Соавторы

Х.Ernst Keller – Carl Zeiss Inc., One Zeiss Dr., Thornwood, NY, 10594.

Kenneth R. Spring – научный консультант, Lusby, Maryland, 20657.

John C. Long и Michael W Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 г., Восточная часть Доктор Пол Дирак, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.

Учебное пособие по физике: сферическая аберрация

Аберрация — отклонение от ожидаемого или правильного курса.(Словарь Вебстера)

Сферические зеркала имеют аберрацию. У любого зеркала, принимающего форму сферы, есть внутренний дефект. Этот дефект не позволяет зеркалу сфокусировать весь падающий свет с одного и того же места на объект в определенную точку. Дефект наиболее заметен для световых лучей, попадающих на внешние края зеркала. Лучи, падающие на внешние края зеркала, не могут сфокусироваться в том же точно месте, что и лучи света, падающие на внутренние части зеркала.В то время как световые лучи, исходящие из одного и того же места на объекте, отражаются от зеркала и фокусируются в точке, любые световые лучи, попадающие на края зеркала, не могут сфокусироваться в той же точке. В результате изображения объектов, видимые в сферических зеркалах, часто размыты.


На приведенной ниже диаграмме показаны шесть падающих лучей, идущих параллельно главной оси и отражающихся от вогнутого зеркала. Также показаны шесть соответствующих отраженных лучей.На диаграмме мы можем наблюдать отклонение от ожидаемого или правильного курса; есть аберрация. Два падающих луча, попадающие на внешние края (верхний и нижний) вогнутого зеркала, не проходят через фокальную точку. Это отклонение от ожидаемого или правильного курса .


Эта проблема не ограничивается светом, падающим на зеркало и распространяющимся параллельно главной оси. Любой падающий луч, попадающий на внешние края зеркала, подвергается этому отклонению от ожидаемого или правильного курса .Обычная демонстрация физики использует большое демонстрационное зеркало и свечу. Изображение свечи сначала проецируется на экран и фокусируется как можно ближе. Хотя изображение, безусловно, различимо, оно немного размыто. Затем на внешние края большого демонстрационного зеркала накладывается крышка. В результате изображение внезапно становится более четким и сфокусированным. Когда проблемная часть зеркала закрыта так, что больше не может фокусировать (или неправильно фокусировать) свет, изображение кажется более сфокусированным.

 

Сферическая аберрация чаще всего корректируется с помощью зеркала другой формы. Обычно параболическое зеркало заменяют сферическим зеркалом. Внешние края параболического зеркала имеют существенно иную форму, чем у сферического зеркала. Параболические зеркала создают четкие, четкие изображения, в которых отсутствует размытость, характерная для изображений, создаваемых сферическими зеркалами.

Оптические аберрации

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

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

Сферическая аберрация 

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

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

Хроматическая аберрация

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

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

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

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


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

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

Астигматизм

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

 

Кривизна поля

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

Сферическая аберрация | Научный объем визуализации

Сферическая аберрация — это оптический эффект, возникающий, когда косые лучи, попадающие в объектив, фокусируются в другом месте, чем центральные лучи. Расстояние в этом смещении фокуса зависит от глубины фокуса в образце.

ZX (оптическая ось горизонтальная) срез линзы со сферической аберрацией.

В микроскопии основной причиной сферической аберрации (СА) являются несоответствия между показателем преломления иммерсионной среды объектива и среды, в которую помещается образец.Когда свет пересекает границу между материалами с разными показателями преломления, он изгибается через граничную поверхность по-разному в зависимости от угла падения (Light Refraction): косые лучи изгибаются больше, чем центральные, и поэтому фокусировка портится.

Если несоответствие велико, т.е. при переходе от масляной иммерсионной среды для линз к водной среде для заливки образцов функция рассеяния точки (PSF) станет асимметричной уже на глубине в несколько микрон. Что касается деконволюции, SA особенно вредна для деконволюции широкопольного микроскопа.

XZ (вертикальная оптическая ось) срез распределения фокуса объектива с числовой апертурой = 1,3. Слева: сферическая аберрация отсутствует; справа: визуализация в среду с показателем преломления 1,4 на глубине 10 микрон.

См. более подробные иллюстрации в разделе Mismatch Distorts Psf.

Обходной путь: сделайте Z-диапазон данных как можно меньше. Решение: используйте линзу с иммерсионной средой с показателем преломления, соответствующим показателю препарата. (В приведенном выше случае необходим водянистый показатель преломления линзы).

Коррекция после приобретения

Программное обеспечение Huygens адаптирует теоретическую функцию рассеяния точки (PSF) к глубине образца, чтобы скорректировать сферическую аберрацию при выполнении деконволюции.

Если ваш микроскоп хорошо выровнен и его PSF достаточно хорошо подходит для идеальных моделей, вы можете использовать только теоретические PSF. Это позволит использовать PSF, зависящий от глубины.

Если измеренный PSF далек от хорошего (т. е. он сильно отличается от теоретического по размеру или симметрии), то лучше использовать этот.Он будет учитывать все несоосности микроскопа. Если ваш образец не очень толстый, экспериментальный PSF, не зависящий от глубины, тоже подойдет.

Вы можете использовать генератор ФРТ в Калькуляторе Найквиста, чтобы смоделировать условия сферической аберрации на разных глубинах внутри образца и сравнить результаты с вашим экспериментальным ФРТ.

Геометрия

Чтобы сделать коррекцию глубины теоретического PSF, программное обеспечение считает, что покровное стекло помещено внизу изображения, в более низких координатах Z (как в инвертированном микроскопе).Если ваше изображение имеет несоответствие показателя преломления, вы должны адаптировать изображение к этому условию, прежде чем выполнять деконволюцию. Для этой цели в Huygens Essential и Huygens Professional есть зеркальный инструмент на случай, если ваше покровное стекло находится сверху. В Huygens Scripting это делается с помощью команды mir , например,

myimage mirr z

Если вы не уверены, какова ориентация вашего набора данных, вы всегда можете догадаться об этом по асимметрии PSF конусов света. См. Несоответствие искажений Psf.

Избегать исправления

Чтобы выключить коррекцию SA (поскольку, несмотря на несоответствие показателей преломления, в вашей установке есть другие физические корректоры), просто установите для параметров микроскопа изображения соответствующие показатели преломления объектива и среднего показателя преломления до деконволюции.

Воздушные линзы

Воздушные линзы требуют особого внимания: они могут быть скорректированы на сферическую аберрацию и могут вести себя как, например, глицериновые линзы, поэтому вы не ожидаете проблем, если будете использовать глицерин в качестве заливочной среды.Затем вы можете подумать о деактивации коррекции SA, как описано в предыдущем абзаце. Тем не менее, может присутствовать эффект аквариума, который усложнит задачу. Подробнее читайте в разделе «Коррекция воздушной линзы».

Дополнительная информация

Подробнее об этой коррекции читайте в разделе Изменение параметра.

См. Несоответствие показателя преломления.

Сферическая аберрация в фотографии (и как ее уменьшить)

Вы заметили неожиданное размытие по краям ваших фотографий? Когда вы снимаете с широкой диафрагмой, вы находите, что вашим изображениям не хватает четкости, несмотря на правильную фокусировку? Вы, вероятно, испытываете явление, известное как сферическая аберрация.

Сферическая аберрация — тип оптического дефекта, распространенный в фотографии. Это вызвано тем, как свет преломляется сферическим объективом вашей камеры. К счастью, есть несколько способов исправить или свести к минимуму сферические аберрации для получения четких и четких изображений.

Фото ShareGrid на Unsplash

Что вызывает сферическую аберрацию?

Аномалия возникает, когда свет, проходящий через объектив, не собирается в одной фокусной точке. Световые лучи преломляются по-разному в зависимости от того, где они попадают в линзу.Световые лучи, проходящие через центр сферической линзы, преломляются не так сильно, как те, которые проходят через край.

Поскольку световые лучи преломляются в разной степени, они не сходятся в одной фокусной точке. В результате части вашего изображения выглядят размытыми.

Рис. 1. Через идеальную линзу все световые лучи преломляются и сходятся в одной фокусной точке. Рис. 2: Типичная камера, однако, создает аномалию, когда световые лучи преломляются и не сходятся в одной фокусной точке.

Форма вашего объектива, безусловно, является наиболее распространенной причиной сферической аберрации. Однако качество объектива и расположение элементов в корпусе объектива также могут играть роль.

Сферическая аберрация может вызвать несколько неожиданных проблем у фотографов. Вы можете заметить на изображении небольшой ореол или эффект ореола. Это также может привести к потере прекрасного контраста изображения. Однако наиболее распространенной проблемой, вызванной сферической аберрацией, является заметное размытие внешних краев фотографии.

Изображение Джона Д. на Flickr

Как уменьшить сферическую аберрацию

Сферическая аберрация не будет проблемой для каждого фотографа и в любой ситуации при фотосъемке. На самом деле, многие фотографы, особенно те, которые в основном снимают портреты или макросъемку, никогда не заметят недостатков на своих фотографиях. Но если вы снимаете с широкой диафрагмой и ожидаете четкой фокусировки по краям изображения, есть несколько способов уменьшить эффект.

Обновите объектив

Если сферическая аберрация является проблемой для вашего типа и стиля фотографии, возможно, пришло время обновить ваше оборудование.Объективы, изготовленные из более качественного стекла и с лучшими покрытиями, как правило, имеют менее серьезные аберрации. Вы можете полностью устранить это несовершенство, купив асферическую линзу или линзу с градиентным показателем преломления. К сожалению, эти линзы могут быть довольно дорогими.

Остановить

Если модернизация оборудования невозможна, попробуйте остановиться. Просто увеличьте числовое значение f-stop, чтобы уменьшить количество света, попадающего в объектив. Часто резкость может значительно увеличиться всего лишь наполовину или на одну остановку.

Повышение резкости при постобработке

Окончательное решение по уменьшению сферической аберрации — повышение резкости фотографии при постобработке. Просто используйте предпочитаемое вами программное обеспечение для редактирования фотографий, чтобы повысить резкость размытых краев.


Заключительные мысли

Любая камера со сферическим объективом способна создавать сферическую аберрацию, особенно при широко открытой диафрагме. Но если вы знаете, когда и почему это происходит, легко внести коррективы, которые уменьшат последствия.

Сферическая аберрация наиболее заметна на фотографиях, сделанных с меньшим значением диафрагмы.

Сферическая аберрация это: Сферическая аберрация — это… Что такое Сферическая аберрация?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Пролистать наверх