Аберрации линз: Аберрации в контактных линзах «Ochkov.net»
Сферический и асферический дизайн контактных линз
Асферические контактные линзы или контактные линзы с асферическим дизайном поверхности, впрочем, как и очковые линзы с асферическим дизайном в последнее времени становятся все более популярными.
В статье мы попробуем разобраться, что такое асферический и сферический дизайн контактных линз, в чем заключается преимущества асферического дизайна перед сферическим при коррекции зрения глаз, нужно ли привыкание к асферическим линзам.
Качество зрения характеризуется такими понятиями как острота зрения, четкость, контрастность изображения.
Острота зрения в норме равна единице или 100%.
Почему же иногда при 100%ой коррекции зрения есть жалобы на недостаточную четкость изображения?
Основная причина – это наличие оптических аберраций. Аберрации это отклонение или искажение световых лучей проходящих через оптические среды из-за несовершенства этих сред. Аберрации есть как у глаза человека, так как глаз является оптической системой состоящей из оптических сред (роговица, хрусталик) которые не всегда идеальны, так и у корегирующих линз, как у очковых, так и у контактных.
Выделяют аберраций двух типов:
- Аберрации низшего порядка
- Аберрации высшего порядка
Сферические линзы
Сферические линзы – самый простой способ исправить аберраций низшего порядка связанные с несовершенством оптической системы глаза – миопию, гиперметропию и астигматизм. Такие аберрации диагностируются врачом офтальмологом при проверке зрения и коррегируются сферическими, астигматическими очками или сферическими торическими контактными линзами. Таким образом, сферические линзы хоть и коррегируют или исправляют основные дефекты зрения миопию гиперметропию и астигматизм до полной коррекции, но имея собственные сферические аберрации, не могут обеспечить достаточную четкость и контрастность зрения. При этом аберрации высшего порядка становятся заметными только при условии полной коррекции аберраций низшего порядка.
Аберрации высшего порядка – это сферические аберрации и хроматические аберрации.
Сферические аберрации – это искажения присущие сферическим линзам, как очковым, так и контактным, что так же глазу человека.
Лучи света, проходя через всю поверхность сферической линзы не одинаково фокусируются на сетчатке образуя круги светорассеивания это приводит к нечеткости изображения. Более заметны сферические аберрации в очковых линзах, особенно при переводе взгляда вбок. Установлено, что среднее значение сферических аберраций глаза человека при условии остроты зрения равной 100% составляет 0,12 диоптрии. Это может существенно влиять на качество зрения.
Асферические линзы
Асферические линзы собирают лучи света проходящие через них в одной точке, в результате изображение получается более четким и контрастным. Этот эффект в одинаковой мере есть и в очковых линзах с асферическим дизайном и в асферических контактных линзах.
Для того, чтобы улучшить качество зрения, повысить контрастность и четкость изображения многие производители разрабатывают и выпускают контактные линзы с асферическим дизайном поверхности. Асферической может быть только передняя или задняя поверхность линз. Некоторые контактные линзы, например линзы семейства Air Optix имеют асферическую переднюю и заднюю поверхность – это биасферические линзы.
Преимущества асфеического дизайна линз
Контактные линзы с асферическим и биасферическим дизайном поверхности повышают остроту и качество зрения, делают изображение ярче и контрастнее, особенно заметно это при сумеречном освещении.
Какие линзы лучше сферические или асферические?
Какие контактные линзы лучше сферические или асферические, их основные отличия?
Чем больше степень миопии или гиперметропии, тем больше искажений будет иметь обычная сферическая линза, в сравнении с асферической, и соответственно хуже будет острота зрения. Поэтому при степени аметропии более 3 диоптрии рекомендуется лучше назначать линзы асферического дизайна с целью уменьшить аберрации, повысить остроту и контрастность зрения. При данных значениях диоптрий асферические линзы будут лучше сферических, предпочтительнее.
Асферические контактные линзы для коррекции астигматизма также, как и для коррекции миопии и гиперметропии имеют отличительные преимущества перед торическими линзам со сферическим дизайном поверхности. При этом также за счет отсутствия сферических аберраций повышается острота зрения и улучшается его качество.
В сравнении по ощущениям асферической от сферической линзы при их ношении на глаза практически не отличаются, основное и главное отличие это более четкое, контрастное зрения в линзах с асферическим дизайном. Особенно разница заметна при больших диоптриях, чем выше диоптрии, тем отличительней ощущается разница.
Асферические линзы – привыкание, противопоказания.
Существует ли непереносимость асферических линз, нужно ли к ним привыкание?
В большинстве случаев асферические и биасферические линзы хорошо воспринимаются и легко переносятся значительно улучшая качество зрения. А если говорить об очковых линзах, то очки с асферическими линзами выглядят более эстетично, размер глаз не искажается. Не секрет, что сферические линзы с минусовыми диоптриями заметно уменьшают размер глаз, а с плюсовыми – увеличивают.
Почему же иногда возникают жалобы на дискомфорт или даже ухудшение остроты зрения в линзах асферического дизайна?
Как мы уже говорили, глаз человека в норме может иметь сферические аберрации до 0,12 диоптрии. Контактные или очковые линзы с асферическим дизайном могут совершенно не иметь собственных сферических аберраций, но при этом не могут изменить сферические аберрации глаза, поэтому иногда эффект от асферических линз не абсолютный.
Некоторые производители выпускают линзы с отрицательными сферическими аберрациями для нейтрализации сферических аберраций глаза. В этом случае полное совпадение средних сферических аберраций глаза и отрицательных аберраций линзы создает идеальную оптическую систему с максимальной остротой зрения. Но в некоторых случаях сферические аберрации глаза могут отсутствовать или существенно отличатся от средних значений. В таких случаях ношение асферических линз будет не комфортным или будет снижать остроту зрения.
К сожалению, невозможно заранее предвидеть подобные ситуации и выяснить будет ли дискомфорт при ношении асферических линз можно только в процессе их использования. Поэтому как таковых противопоказаний к назначению асферических линз нет.
Стоит только отметить случаи перехода на ношение линз с асферическим дизайном после длительного ношения сферических линз, особенно с большими диоптриями. Изображения в сферических и асферических линзах заметно отличаются, поэтому вначале возможен небольшой дискомфорт связанный именно с этой разницей. Но обычно такой дискомфорт кратковременный и быстро проходит.
Хроматические аберрации
Еще один вид аберраций высшего порядка – это хроматические аберрации. Хроматические аберрации высшего порядка связаны с тем, что лучи света разной длинны преломляются на разном расстоянии формируя нечеткое изображение на сетчатке при условии 100%ой коррекции зрения. Для выявления аберраций высшего порядка применяется специальный прибор аберометр.
Врач-офтальмолог Наталья Гусакова
Возможно вам будет интересно:
Дизайн контактных линз – что этот такое?
Посадка контактных линз на глазах
Как подобрать размер контактных линз?
Что такое астигматизм – симптомы, виды, способы коррекции
Сферические> Илья 08. 05.17Хорошая статья! Асферические линзы действительно намного меньше искажают изображение!
ЧТО ТАКОЕ СВЕТ ДЛЯ ФОТОГРАФИИ?
Самое важное для фотографии — определение света, приведенное в пункте 2. Типы электромагнитного излучения меняются в зависимости от длинны волн. Начиная с самых коротких волн, электромагнитное излучение можно классифицировать как гамма-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое световое излучение, инфракрасное световое излучение, видимое световое излучение, дальняя ИК-область спектра, микроволновое излучение(СВЧ), ультракоротковолновое излучение, коротковолновое излучение, средние волны(СВ) и длинные волны. В фотографии шире всего используются волны видимого светового спектра (400-700 мм). Поскольку свет это один из видов электромагнитного излучения, то его можно рассматривать как один из типов волн в категории «световых волн». Световая волна может рассматриваться как электромагнитная волна, в которой электрическое поле и магнитное поле колеблются под прямыми углами друг к другу перпендикулярно направлению распространения. Два элемента световой волны, которые действительно могут быть замечен ы человеческим глазом, это длинна и амплитуда волны. Различия в длине волны ощущаются как различия в цвете (в видимом световом диапазоне) , а различия в амплитуде ощущаются как различия в яркости (силе света). Третий элемент, который человеческий глаз не видит, это направление колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению распространения световой волны. Диаграмма концепции оптической волны Преломление Показатель преломления Дисперсия Необычная частичная дисперсия Отражение Дифракция ОПТИЧЕСКИЕ ТЕРМИНЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ОПИСАНИЯ СВЕТА, ПРОХОДЯЩЕГО ЧЕРЕЗ ОБЪЕКТИВ Оптическая ось Прямая, связывающая центральные точки сферических поверхностей по обе стороны линзы. Другими словами, оптическая ось это гипотетическая центральная линия, связывающая центр кривизны на каждой поверхности линзы. В фотографических объективах, состоящих из нескольких линз, крайне важно, чтобы оптическая ось каждой линзы идеально совпадала с оптическими осями всех других линз. В особенности это относится к Зум-объективам, построенным из нескольких групп линз, которые движутся сложным образом. Для поддержания надлежащей оптической соосности необходима исключительно точная конструкция тубуса объектива. Оптическая терминология, связанная со светом , проходящим через объективПараксиальный лучСветовой луч, проходящий вблизи оптической оси и наклоненный под очень небольшим углом к оптической оси. Точка, в которой сходятся параксиальные лучи, называется параксиальной фокальной точкой. Поскольку изображение, формируемое монохроматическим паракси- альным лучом, в принципе свободно от аберрации, параксиальный луч играет большую роль в понимании основ действия систем линз. Основной лучСветовой луч, который попадает в объектив не в точке оптической оси и проходит через центр окна диафрагмы. Основные световые лучи это главные световые лучи, используемые для экспозиции изображения во всех окнах диафрагмы, начиная с максимальной и кончая минимальной апертурой. Параллельный пучок лучейГруппа световых лучей двигающихся параллельно оптической оси из бесконечно удаленной точки. Когда эти лучи проходят через объектив, они сходятся в форме конуса и образуют точечное изображение на плоскости пленки. Отслеживание лучаИспользование геометрической оптики для расчета положения различных световых лучей, проходящих через объектив. Расчеты производятся с использованием супер компьютеров. Диафрагма/эффективная диафрагмаАпертура(диафрагма) объектива связана с диаметром группы световых лучей, проходящих через объектив, и определяет яркость изображения объекта, образуемого в фокальной плоскости. Оптическая диафрагма (называемая также эффективной ) отличается от реальной диафрагмы объектива тем, что она зависит от диаметра группы световых лучей, проходящих через объектив, а не от фактического диаметра объектива. Когда параллельный пучок лучей попадает в объектив и группа этих лучей проходит через окно диафрагмы, диаметр этой группы лучей света в момент попадания на поверхность передней линзы и называется эффективной апертурой объектива. «Дырка» / диафрагма/ апертураОкно, регулирующее диаметр группы световых лучей, проходящих через объектив. Во взаимозаменяемых объективах, используемых в однообъективных зеркальных фотоаппаратах , этот механизм обычно построен по принципу ирисовой диафрагмы, состоящей из нескольких лепестков, способных двигаться, чтобы постоянно менять диаметр окна. В обычных объективах однообъективных зеркалок апертура регулируется путем вращения кольца апертуры на тубусе объектива. Однако в современных объективах фотоаппаратов регулирование апертуры обычно осуществляется с помощью электронной регулятора на корпусе аппарата. Автоматическая диафрагмаОбщая система действия диафрагмы, используемая в однообъективных зеркалках. Под ней подразумевается тип механизма диафрагмы, который остается полностью открытым в процессе фокусировки и создания композиции снимка, чтобы обеспечить яркое изображение в видоискателе, но который автоматически закрывается для установки апертуры, необходимой для правильной экспозиции, когда нажимается кнопка затвора, и опять открывается автоматически, когда завершена фотосъемка. Хотя в обычных объективах используются механические соединения для контроля за действием этой автоматической диафрагмы, в объективах с электронной фокусировкой применяется электронный сигнал для более точного контроля. Вы можете наблюдать эту операцию по мгновенному уменьшению диафрагмы, посмотрев в переднюю часть объектива в момент срабатывания затвора. Расстояние паденияРасстояние от оптической оси параллельного луча, поступающего в объектив. Входной зрачок/выходной зрачокИзображение диафрагмы объектива со стороны объекта съемки, т.е. видимая апертура, если смотреть со стороны передней линзы объектива, называется входным зрачком и равнозначна по своему смыслу эффективной апертуре. Видимая апертура, которую можно наблюдать, когда смотришь с задней стороны объектива (изображение в объективе со стороны изображения на диафрагме), называется выходным зрачком. Из световых лучей, идущих от определенной точки объекта, эффективные лучи, которые фактически образуют изображение, создают конус световых лучей, причем точка объекта является вершиной конуса, а входной зрачок — его основанием. С другой стороны объектива световые лучи выходят в форме конуса, причем выходной зрачок образует основание конуса, а вершина конуса падает на плоскость изображения. Входной и выходной зрачки имеют такую же форму, как фактическая диафрагма, а их размеры прямо пропорциональны размерам диафрагмы, поэтому даже если система объектива неизвестна, можно графически показать эффективные световые лучи, которые в действительности образуют изображение, если известны положения и размеры входного и выходного зрачков. Таким образом, без знания входного и выходного зрачков обойтись нельзя, когда рассматриваются такие факторы действия аппарата, как общее количество света, попадающего в объектив, то, каким образом размывается изображение, и аберрации. Входной и выходной зрачки Угловая апертура Угол между точкой предмета на оптической оси и диаметром входного зрачка или угол между изображающей точкой на оптической оси и диаметром выходного зрачка. ОТБОРТОВАННАЯ ЗАДНЯЯ СТЕНКА И ЗАДНИЙ ФОКУС Отбортованная задняя стенка Когда объектив сфокусирован на бесконечность, расстояние вдоль оптической оси от высшей точки самой задней линзы до плоскости пленки называется задним фокусом. В однообъективных зеркальных фотоаппаратах, где используется зеркало быстрого возврата, которое поворачивается вверх в момент съемки, широкоугольный объектив с коротким задним фокусом использовать нельзя, потому что объектив помешает движению зеркала. Из-за этого в широкоугольный объективах для однообъективных зеркалок обычно применяется конструкция ретрофокуса, допускающая длинный задний фокус. ФОКАЛЬНАЯ ТОЧКА И ФОКУСНОЕ РАССТОЯНИЕ Фокальная точка, фокусКогда лучи света попадают на выпуклую линзу параллельно оптической оси, идеальная линза соберет все световые лучи в одной точке, из которой они вновь разойдутся веером в форме конуса. Точка, где соединяются все лучи, называется фокальной точкой. Знакомым примером этого явления может служить увеличительное стекло, которое фокусирует солнечные лучи в маленький кружок на кусочке бумаги или на другой поверхности; точка, в которой этот кружок самый маленький, и является фокальной точкой. Фокальная точка (элемент с одной линзой)По оптической терминологии, фокальная точка также классифицируется как вторая или задняя фокальная точка, если она является точкой, в которой сходятся световые лучи от объекта на той стороне объектива, где расположена плоскость пленки. Фокальная точка называется первой или передней, если световые лучи, исходящие из объектива параллельно оптической оси со стороны плоскости пленки, сходятся на той стороне объектива, на которой находится объект съемки. Фокусное расстояниеКогда параллельные лучи света попадают в объектив параллельно оптической оси, расстояние вдоль оптической оси от второй главной точки объектива (задней главной точки) до фокальной точки называется фокусным расстоянием. Говоря проще, фокусное расстояние объектива это расстояние вдоль оптической оси от второй главной точки объектива до плоскости пленки, когда объектив сфокусирован в бесконечность. Фокусное расстояние реального фотообъективаГлавная точка Фокусное расстояние в тонком одноэлементном объективе с двояковыпуклой линзой это расстояние вдоль оптической оси от центра объектива до его фокальной точки. Центральная точка объектива называется главной точкой. Однако поскольку настоящие фотообъективы состоят из сочетаний нескольких выпуклых и вогнутых линз, зрительно не ясно, где может находиться центр объектива. Свет, попадающий в объектив из точки «а» на рисунке А, преломляется, проходит через «n» и «n'» и попадает в точку «b». Когда это происходит, то между «а»-«n» и «n'»-«b»образуются одинаковые углы по отношению к оптической оси, и точки «h» и «h'» можно определить как точки, в которых эти углы пересекаются с оптической осью. Эти точки «h» и «h'» являются главными точками, показывающими исходное положение объектива по отношению к объекту съемки и изображению. Точка h называется передней главной точкой (или первой главной точкой ), а точка «h'» — задней главной точкой ( или второй главной точкой).
Взаимозаменяемые объективы для камер 35-мм формата должны иметь круг изображения равный по крайней мере диагонали площади изображения 24х36 мм. Поэтому объективы с электронной фокусировкой обычно имеют круг изображения примерно 43,2 мм. Однако в шифт объективах типа TS-E круг изображения больше — 58,6 мм — чтобы учитывать наклоны и перемещения камеры. Угол зрения Площадь съемочного плана, выраженная как угол, который может быть воспроизведен объективом в виде резкого изображения. Номинальный диагональный угол зрения определяется как угол, образуемый воображаемыми линиями, связывающими вторую главную точку объектива с обоими концами диагонали изображения (43,2 мм). Данные объектива с электронной фокусировкой обычно включают горизонтальный (36 мм) угол зрения и вертикальный (24 мм) угол зрения. Величина, используемая для выражения яркости изображения, рассчитанная путем деления эффективной апертуры объектива (D) на его фокусное расстояние (f). Поскольку величина, рассчитанная в результате деления D на f, почти всегда выражается десятичной дробью меньше 1 и потому сложна в практическом использовании, то принято выражать светосилу на тубусе объектива как отношение эффективной апертуры к фокусному расстоянию, при этом эффективная апертура устанавливается равной 1. (Например, надпись на тубусе EF85mm f/1.2 L обозначается как 1:1,2, указывая, что фокусное расстояние в 1,2 раза больше, чем эффективная апертура, когда последняя равна 1.) Яркость изображения, обеспечиваемая объективом, пропорциональна квадрату светосилы . Поскольку светосила (D/f) это почти всегда небольшая десятичная дробь меньше 1 и потому трудна в практическом использовании, яркость объектива часто выражается для удобства как относительная диафрагма(f/D) и называется числом F. Соответственно яркость изображения обратно пропорциональна квадрату числа F, что означает, что изображение становится темней по мере увеличения числа F. Значения числа F выражаются геометрической прогрессией, начиная с 1, со знаменателем прогрессии в виде корня квадратного из 2 следующим образом: 1,0; 1,4; 2,8;4, 5,6; 8; 16; 22; 32… (Однако есть много случаев, когда лишь максимальная величина диафрагмы отклоняется от этого ряда.) Числа в этом ряду, которые на первый взгляд трудно запомнить, лишь выражают величины, близкие к фактическим величинам f/D, основанным на диаметре (D) каждой последующей установки диафрагмы, которая наполовину уменьшает количество света , проходящего через объектив. Таким образом, меняя число F с 1,4 до 2, мы наполовину сокращаем яркость изображения, в то время как идя в обратном направлении, с 2 до 1,4, мы удваиваем яркость изображения. (Изменение такого масштаба обычно называется «1 диафрагма».) В современных камерах, использующих электронное управление и индикацию, применяются более мелкие деления — 1/2 или даже 1/3 диафрагмы. Числовая апертура (NА) Величина, используемая для выражения яркости или разрешающей способности оптической системы объектива. Числовая апертура, обычно обозначаемая как NА, это числовая величина, рассчитанная по формуле n sin, где 2 это угол (угловая апертура), под каким точка объекта на оптической оси поступает во входной зрачок, a n это показатель преломления среды, в которой находится объект. Фокальная точка это точка, в которой параллельные световые лучи от бесконечно далекого объекта сходятся после прохождения через объектив. Плоскость, перпендикулярная оптической оси, на которой находится эта точка, называется фокальной плоскостью. На этой плоскости, находящейся там, где расположена пленка в камере, объект виден резко и, как говорят, находится «в фокусе». При обычных фотообъективах, состоящих из нескольких линз, фокус можно отрегулировать таким образом, чтобы световые лучи от объекта, расположенного ближе, чем в «бесконечности», сходились в какой-то точке на фокальной плоскости. Круг нерезкостиПоскольку у всех объективов есть определенные аберрации и астигматизм, они не могут идеально сводить лучи от точки объекта, чтобы они образовывали истинную точку изображения (т.е. бесконечно малую точку с нулевой площадью). Другими словами, изображения образуются из комплекса точек, имеющих определенную площадь или размеры. Поскольку изображение становится менее резким по мере увеличения размеров этих точек, то эти точки называют «кругами нерезкости». Таким образом, один из факторов, определяющих качество объектива, это самая малая точка, которую он может образовать, или его «минимальный круг нерезкости». Максимально допустимый размер точки на изображении называется «допустимым кругом нерезкости». Соотношение между идеальной фокальной точкой и допустимым кругом нерезкости и глубина резкостиДопустимый круг нерезкости Самый большой круг нерезкости, который все же появляется как «точка» в изображении. Резкость изображения, как она ощущается человеческим глазом, тесно связана с резкостью действительного изображения и «разрешающей способностью» зрения человека. В фотографии резкость изображения также зависит от степени увеличения изображения или проекционного расстояния и расстояния, с которого видится объект. Другими словами, в практической работе можно определять некоторые «допуски» для воспроизведения изображений, которые, хотя они и размыты до определенной степени, все же кажутся резкими наблюдателю. Для 35-мм однообъективной зеркалки допустимый круг нерезкости составляет около 1/1000 — 1/1500 длинны диагонали пленки, если исходить из того, что изображение увеличивается до фотографии 5′ х 7» (13см х18см) и видится с расстояния 25-30 см/ 0,8-1 фута. Область перед и позади находящегося в фокусе объекта, в которой изображение видно резко. Другими словами, это глубина резкости перед и позади объекта, где размытость изображения в плоскости пленки находится в пределах допустимого круга нерезкости. Глубина резкости меняется в зависимости от фокусного расстояния объектива, величины апертуры и съемочного расстояния. Поэтому, если эти параметры известны, можно приблизительно оценить глубину резкости по следующим формулам: Если известно гиперфокальное расстояние, то можно также использовать следующие формулы: * дальняя точка ограничения расстояния = В большинстве ситуаций параметр «глубина резкости» имеет следующие особенности:
Глубина резкости и глубина фокуса Соответственно из этих правил вытекает следующее: Если Вы хотите добиться малой глубины резкости — используете длиннофокусную оптику, максимально откройте диафрагму, снимайте с небольшого расстояния. (например 1-1.5 метра) Глубина фокуса Область перед и позади фокальной плоскости, в которой изображение может быть сфотографировано как резкое изображение. Глубина фокуса одинакова по обе стороны фокальной плоскости (плоскости пленки) и может быть определена путем умножения минимального круга нерезкости на число F, независимо от фокусного расстояния объектива. В современных однообъективных зеркалках с автоматической фокусировкой процесс фокусировки осуществляется путем определения положения фокуса на плоскости изображения (плоскости пленки) при помощи датчика, который как оптически эквивалентен (увеличение 1:1) и расположен вне плоскости пленки, так и автоматически контролирует объектив, с тем чтобы ввести изображение объекта в область глубины фокуса. Если применить принцип глубины резкости, когда объектив постепенно фокусируется на дальнем расстоянии до объекта, то в конце концов будет достигнута точка, в которой дальний предел задней глубины резкости станет равным «бесконечности». Съемочное расстояние в этой точке, т.е. самое короткое расстояние, при котором «бесконечность» попадает в область глубины резкости, называется гиперфокальным расстоянием. Гиперфокальное расстояние можно определить следующим образом: Изображение, cозданное идеальным фотообъективом, должно иметь следующие характеристики: 1) точка должна быть образована как точка; 2) плоскость (такая, как стена), перпендикулярная оптической оси, должна быть образована как плоскость; 3) изображение, образованное объективом, должно иметь такую же форму, как сам объект. Кроме того, с точки зрения выражения изображения объектив должен показать истинный цвет воспроизводимого объекта. Практически идеальная работа объектива возможна только в том случае, если используются лишь лучи света, поступающие в объектив вблизи оптической оси, и если свет монохроматический (свет только одной конкретной длинны волны). Однако в случае с обычным объективом, где большая апертура используется для получения достаточной яркости и объектив должен сводить вместе лучи, проходящие не только вблизи оптической оси, но от всех частей изображения, крайне трудно создать вышеупомянутые идеальные условия в силу существования следующих помех:
Общий термин, используемый, чтобы описать разницу между идеальным и реальным изображением под воздействием вышеперечисленных факторов, это «аберрация». Так, для того, чтобы разработать высококачественный объектив, аберрация должна быть очень незначительной, причем высшей целью должно быть получение изображения максимально приближенного к идеальному. В целом аберрации могут делится на две широкие категории: хроматические аберрации, имеющие место из-за различий в длинах волн, и монохроматические аберрации, имеющие место даже при одной единственной длине волны. Аберрации объектива
Когда белый свет (свет, состоящий из многих цветов, смешанных равномерно, в результате чего глаз не различает какого-то определенного цвета и, таким образом, воспринимает свет как белый), такой, как солнечный, проходит через призму, то можно наблюдать спектр радуги. Это явление имеет место, потому что показатель преломления призмы (и интенсивность дисперсии) бывает различной в зависимости от длинны волны (короткие волны преломляются более интенсивно, чем длинные). Хотя в призме оно видно самым наглядным образом, это явление также имеет место и в фотообъективах, и поскольку оно происходит при разных длинах волн, то оно называется хроматической аберрацией. Ахромат (ахроматический объектив) В 1856 году немец по фамилии Зайдль в результате анализа установил пять аберраций объектива, происходящих с монохроматическим светом(со светом одной волны). Эти аберрации, описанные ниже, называются пятью аберрациями Зайдля. 2.Кома (коматическая аберрация) 3.Астигматизм 4. Кривизна поля изображения 5.Искажение Как уменьшить последствия аберраций Современные объективы проектируются с использованием больших компьютеров для проведения головоломных расчетов и моделирования высокого уровня, чтобы уменьшить аберрации всех типов и достичь формирования изображения высочайшего уровня. Даже при такой технологии, однако, невозможно полностью удалить все аберрации, что означает, что все объективы на рынке имеют по крайней мере минимальную аберрацию. Она называется остаточной аберрацией. Тип остаточной аберрации в объективе в целом определяет характеристики изображения, создаваемого объективом, такие, как резкость и эффект нерезкости. Из-за этого современные объективы часто спроектированы с учетом достижения приятного эффекта нерезкости (характеристики изображения за пределами плоскости формирования изображения) путем использования техники компьютерного моделирования, с тем чтобы можно было проанализировать работу объектива на стадии проектирования. Как упоминается в различных описаниях аберрации, эффект аберраций некоторых типов можно снизить путем диафрагмирования объектива. Другие эффекты уменьшить нельзя. Соотношения между диафрагмой и аберрациями показаны в таблице.
о — значительное улучшение ОЦЕНКА РАБОТЫ ОБЪЕКТИВА Разрешение
Обычно слышишь о разрешении, выражаемом в цифровом измерении, таком, как 50 линий или 100 линий. Эта цифра указывает на число линий на миллиметр самой мелкой черно-белой линейной диаграммы, которая может быть ясно зафиксирована на пленке. Чтобы проверить разрешение одного объектива, используется метод, при котором тонкая диаграмма разрешения помещается в положение, соответствующее плоскости пленки и проецируется через испытываемый объектив на экран. Цифровая величина, используемая для выражения разрешающей способности, лишь указывает на степень возможного разрешения и не показывает ясность или контрастность разрешения. Контрастность MTF -ФПМ функции передачи модуляции Цветобаланс ИСЦ Периферийное освещение Виньетирование Теорема косинусов 4 Затенение Размытие Паразитное изображение Покрытие -просветление Оптическое стекло Число Аббе Линии Фраунхофера
Флюорит У флюорита крайне низкие показатели преломления и дисперсии по сравнению с оптическим стеклом и особые характеристики частичной дисперсии (необычная частичная дисперсия), которые допускают практически идеальную коррекцию хроматических аберраций в сочетании с оптическим стеклом. Этот факт был известен давно, и в 1880 году природный флюорит использовался практически в апохроматических линзах объективов микроскопов. Однако, поскольку природный флюорит встречается только небольшими кусочками, его практически нельзя использовать в фотообъективах. Решая эту проблему, “Канон” в 1968 году добилась успеха в создании технологии производства крупных искусственных кристаллов, открыв тем самым дверь к применению флюорита в фотообъективах. UD-объектив Линза Френеля (Fresnel) Асферическая линза Воздушная линза Реально существующие фотообъективы Основы конструкции объектива Типы фотообъективов-Объективы с одним фокусным расстоянием Симметричные.
Объектив “Канон” 50 мм f/1.8, выпущенный еще в 1951 году, с успехом ликвидировал кому, которая была единственным слабым местом объектива Гаусса в то время. В результате этого он стал знаменит как историческая веха в создании объективов благодаря резкому улучшения качества работы, которое он обеспечивал. “Канон” по-прежнему использует конструкцию Гаусса в нынешних объективах, таких, как EF 50mm f/1.8 IL, EF 50mm f/1. 0 L USM, EF 50 mm f/1.4 USM, EF 85 mm f/1.2 USM и TS-E 90mm f/2.8. Типы Тессар и Триплет симметрической конфигурации широко используются сегодня в компактных камерах, оснащенных объективами с одним фокусным расстоянием. Характерные типы фотообъективов Телеобъектив -Коэффициент телеобъектива Тип объектива с ретрофокусом Зум-объектив из четырех групп линз Фокусировка и способы движения объектива Методы перемещения объектива для фокусировки можно в общем разделить на пять типов, описанных ниже. СЪЕМОЧНОЕ РАССТОЯНИЕ/РАССТОЯНИЕ ДО ОБЪЕКТА / РАССТОЯНИЕ ДО ИЗОБРАЖЕНИЯ Съемочное расстояние (расстояние до камеры)
Поляризованный свет Кольцевой поляризационный фильтр Зрение, оптическая резкость Приспосорбляемость глаза Нормальное зрение, эмметропия Дальнозоркость Близорукость Астигматизм Пресбиопия (старческая дальнозоркость) Минимальное расстояние ясного видения Диоптр |
Тема 3. Линзы
Уважаемый слушатель, Вам предлагается изучить тему «Линзы». Тема состоит из трех уроков. Также вы сможете проверить свои знания выполнив тест самоконтроля и задания самостоятельной работы.
Перед тем как приступить к изучению темы Вам, уважаемый слушатель, предлагается познакомиться с общими положениями, узнать основные параметры линзы, каковы основные недостатки линз и как с ними бороться.
Линза — это прозрачное стеклянное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями с радиусами кривизны R1 и R2 . Одна из поверхностей линзы может быть плоской.
По форме ограничивающих поверхностей различают шесть типов линз:
Основные параметры линзы
Главная оптическая ось — прямая, на которой лежат центры обеих сферических поверхностей линзы.
Точка О — оптический центр линз.
Прямая, проходящая через точку О, называется побочной оптической осью.
Плоскость, проходящую через центр линз перпендикулярно главной оптической оси, называют главной плоскостью линзы
Пучок света, направленный на собирающую линзу параллельно побочной оптической оси, собирается в побочном фокусе. Все побочные фокусы лежат на фокальной плоскости, проходящей через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси. У рассеивающей линзы можно построить мнимые фокальные плоскости.
Недостатки линз:
Реальным линзам свойственны некоторые дефекты. Один из них — сферическая аберрация, с которой мы встречались при рассмотрении сферического зеркала (см. тема 2, заняти 2). Она заключается в том, что выпуклая линза лучи, отстоящие далеко от главной оптической оси, собирает в точке (фокусе), расположенной ближе к линзе, чем близко прилегающие лучи;
у вогнутой линзы — аналогичная картина.
Способы борьбы:
использование параксиальных пучков. Для этого линзу диафрагмируют, пропуская через нее более узкий пучок. Но этим уменьшается энергия пучка и освещенность изображения;
у собирающих и рассеивающих линз оптическая сила имеет противоположные знаки. Можно подобрать такую пару линз, чтобы их аберрации скомпенсировались.
Вторым серьезным дефектом линз является хроматическая аберрация.
Из-за дисперсии в линзе происходит разложение белого света в спектр.
При этом красные лучи, преломляясь слабее, фокусируются дальше от центра линзы; синие и фиолетовые, преломляясь сильнее, фокусируются ближе. В результате хроматической аберрации изображение в линзе оказывается размытым и окрашенным.
Исправить хроматическую аберрацию можно с помощью двойной линзы, подобрав различные сорта стекла с разной дисперсией. Линзы, в которых устранена хроматическая аберрация, называются ахроматами (от греч. a (an)—не и chroma — цвет). Такие линзы используются в качестве объективов телескопов — рефракторов, хороших биноклей, простейших фотоаппаратов и т. п.
Значительные аберрации возникают также при падении на линзу лучей под большим углом к оптической оси. Устранение этих аберраций возможно путем подбора системы из нескольких (до десятка) линз, каждая из которых компенсирует недостатки другой.
Асферические линзы — Объективы Canon EF
Преодоление теоретического предела сферических линз: сверхточные асферические линзы
Большинство объективов, использующихся для фотосъемки, состоят из нескольких сферических линз. Радиус кривизны и тип оптического стекла каждого элемента, воздушный зазор между элементами разрабатывается так, чтобы в окончательной комбинации линз сократить аберрации различных линз до уровня, достаточного для достижения требуемых характеристик. Сегодня компьютеры предоставляют технологии автоматизированного проектирования и моделирования, которые позволяют быстро разрабатывать высококачественные объективы.
Однако использование только сферических линз представляет собой фундаментальную проблему: параллельные тучи света, проходя через сферическую линзу, теоретически не сходятся в одной точке, что приводит к ограничениям следующих параметров:
- качество объективов с большой апертурой,
- компенсация искажений в сверхширокоугольных объективах и
- минимальный размер компактных объективов.
Для того чтобы снять эти ограничения и создавать объективы даже с более высокими характеристиками, снизить искажения и уменьшить размер, остается один путь- использование технологии асферических линз.
Фото 1 — Высокоточные асферические линзы
Компания Canon начала разработку технологий асферических линз в середине 60-х годов XX века, а теории проектирования и технологии точной обработки и измерений создала в начале 70-х. В 1971 году компания Canon выпустила коммерчески успешный объектив для зеркальных камер, содержащий асферическую линзу, — FD 55mm f/1.2AL. Этот успех явился следствием следующих двух пунктов:
1. Создание технологии сверхточных измерений
Для измерения поверхностей асферических линз в компании Canon была самостоятельно разработана «измерительная система с преобразованием в полярные координаты», в которой измеряемый объект помещается на вращающийся стол и вращается относительно своего центра кривизны. При этом отклонение поверхности объекта от опорной сферической поверхности измеряется с помощью интерферометра. Затем результаты измерений обрабатываются компьютером для определения формы поверхности. При такой методике достигается сверхвысокая точность: 1/32 часть длины волны света, или 0,02 микрона (20 миллионных частей миллиметра). Эта технология измерений сформировала необходимую основу для последующего развития различных технологий обработки асферических линз.
2. Создание систем обработки асферических линз, использующих особые приемы шлифовки и равномерной полировки
Для точной обработки асферических линз в компании Canon была создана особая система обработки асферических линз, которая шлифует линзу асферической формы с высокой точностью и затем полирует линзу для получения однородной поверхности с сохранением асферической формы.
Изначально этапы обработки асферической поверхности и сверхточного измерения формы необходимо было многократно повторять, так что каждая линза фактически изготавливалась вручную. Затем, в 1974 году, в компании Canon был разработан особый станок, который позволял производить более 1000 асферических линз в месяц и тем самым проложил путь для серийного производства.
Рис. 1 — Измерительная система с преобразованием в полярные координаты компании Canon
Однако существовали пределы серийного производства шлифованных асферических линз, поэтому около 1978 года компания Canon успешно применила эту технологию асферической обработки к формам для литья и разработала практичную и высокоточную систему формования пластмасс для производства асферических линз с малой апертурой в серийных объемах и по низкой стоимости. Линзы, изготовленные с помощью этой системы нашли применение в компактных камерах в системе дальномера автофокусировки и в некоторых объективах для фотосъемки (Snappy/AF35MII). В начале 1980-х годов компания Canon продолжила исследования и разработки в области литья стеклянных асферических линз с большой апертурой и в 1985 году успешно разработала действующую производственную систему.
Фото 2 — Пример работы сферического объектива
Фото 3 — Пример работы асферического объектива
Эти стеклянные асферические линзы производятся прямым литьем стекла в формовочной машине с использованием асферической металлической формы ультравысокой точности. При этом обеспечивается высокая точность, удовлетворяющая требованиям к качеству сменных объективов для зеркальных камер, а также возможность серийного производства при относительно низких затратах. В 1990 году компания Canon добавила в свой арсенал четвертую технологию производства асферических линз, разработав технологию копирования асферических линз с использованием смолы, застывающей под действием ультрафиолетового облучения, для формирования асферического слоя на поверхности сферической линзы. При разработке объективов EF эти четыре типа асферических линз обеспечили конструкторам компании Canon исключительную гибкость, позволяя выбирать наилучший тип линз для каждого применения. Асферические линзы особенно полезны для
компенсации сферических аберраций в объективах с большой апертурой,
компенсации искажений в широкоугольных объективах,
производства высококачественных компактных зум-объективов.
Реальные примеры таких применений показаны на рис. 2
Рис. 2 — Оптическая система объектива EF 85mm f/1.2L IS USM — диаграмма трассировки лучей
Объектив EF 85mm f/1.2L II USM, показанный на рис. 2, разработан с использованием асферических элементов, которые заставляют все лучи, проходящие через объектив, собираться в одной точке. Изображение, сформированное лучами света, которые входят в объектив вдоль сечения, перпендикулярного к поверхности бумаги, будет размываться при максимальной апертуре. Асферические элементы объектива устраняют это размытие и компенсируют кому. Для достижения хорошей компенсации по всей площади изображения, от центра до краев, в этом объективе используются два асферических элемента. Сверхширокоугольный объектив на рис. 3 содержит асферическую линзу с поверхностью в форме свободной кривой и углом прохождения лучей света, который оптимизирует характеристики изображения, формируемого объективом, по всей площади изображения. При использовании этой асферической линзы значительно компенсируются искажения и размывания изображения по краям, ранее неизбежно возникающие в ультраширокоугольных объективах.
Рис. 3 — Оптическая система объектива EF 14mm f/2.8L USM — диаграмма трассировки лучей
На рис. 4 приводится сравнение предыдущего зум-объектива FD, состоящего только из сферических линз, с новым зум-объективом EF того же класса, в котором используется асферическая линза. Использование асферической линзы привело к сокращению общей длины объектива и значительному снижению искажений и кривизны поля.
Рис. 4 — Сравнение размеров зум-объективов EF и FD
Рис. 5 — Сферическая аберрация сферической линзы
Рис. 6 — Корректировка фокуса с помощью асферической линзы
Рис. 7 — Результаты точных измерений формы асферической поверхности
Фото 4 — Формы для литья стеклянных асферических линз ультравысокой точности
По материалам сайта CANON.RU
Аберрация линз; Аберрация; Аберрации (линзы)
Аберрация линзы; Аберрация; Аберрации (линзы)
Все линзы имеют аберрации. Идеального объектива не существует. Однако высокая степень инженерии, связанная с линзой, снижает проблемы аберрации линзы до приемлемого уровня.
Производители линз разработали очень высокий уровень технических навыков в области шлифовки и полировки линз. Один производитель делает удивительные заявления.Они говорят, что если бы элементы их фотообъективов были размером с футбольный стадион, поверхность изменилась бы не больше, чем толщина визитной карточки.
Типы аберраций линз
- Сферическая аберрация: поверхность неидеальной формы и / или неточная. Параллельные лучи не фокусируются в одном месте.
- Кома: проявление изображения — круг в форме кольца, создающий V-образную световую вспышку.
- Хроматическая аберрация: разделение цветов линзой в результате использования материалов плохого оптического качества.Он создает цветные полосы по краям объектов, видимых на изображении.
- Кривизна поля: плоскость изображения имеет форму дуги и отличается от плоскости сенсора, которая является плоской, что приводит к потере фокуса по краям линзы.
- Бочкообразное искажение, подушечка для булавок и усы: симметрия линзы несовершенная, что немного искажает изображение (каждый тип имеет свое искажение).
- Астигматизм: когда изображения искажены таким образом, что они кажутся искаженными по сравнению с формой исходного объекта, когда другие линзы не повторяют искажение.
- Точечная дифракция; Дифракция; : Может вызвать искажение линз, в основном в очень маленьком масштабе. Фотообъективы подвержены дифракции. Эффект — смягчение изображения. Обычно это происходит при использовании диафрагмы с отверстиями или при изготовлении линз из специальных материалов. Этот тип аберрации объектива не имеет большого значения для фотографа.
Уменьшение аберрации линзы
Как правило, можно исправить индивидуальный или простой оптический объектив.Улучшения включают более высокий уровень технического производства. Улучшенные материалы (стекло более высокого качества) имеют большое значение. Покрытие линз и дополнительные корректирующие элементы в линзах помогают уменьшить аберрацию линз. Одно или несколько из этих решений могут быть применены к индивидуальной оптической линзе или к отдельному элементу фотообъектива.
Комбинирование линз для коррекции аберраций является одной из причин создания составных линз (несколько линз, помещенных вместе в группы линз). По сути, аберрация на одном элементе объектива компенсируется другим элементом объектива, чтобы противодействовать ему.См .: Определение: Оптическая линза; Линза (оптическая).
Комментарии, дополнения, поправки или идеи по этой статье? Свяжитесь с нами
Идентификация камеры-источникапо следам от линз Aberration
1 Идентификация камеры-источника по следам аберрации объектива Кай Сан Чой, Эдмунд Ю.Лам, Кеннет К. Вонг, факультет электротехники и электроники, Гонконгский университет, Покфулам-роуд, Гонконг. РЕФЕРАТ Идентификация исходной камеры — это процесс определения того, какая камера использовалась для захвата определенного изображения. В этой статье мы рассматриваем более фундаментальную проблему попытки классификации изображений, снятых ограниченным числом моделей камер. Вдохновленные предыдущей работой, в которой использовалось несовершенство сенсора, мы предлагаем использовать внутреннюю аберрацию линзы в качестве признаков при классификации.В частности, мы фокусируемся на радиальной дисторсии линз как на основной отличительной особенности. Для каждого исследуемого изображения получают параметры из измерений интенсивности пикселей и аберраций. Затем мы используем классификатор для идентификации исходной камеры изображения. Моделирование проводится для оценки успешности нашего метода. Результаты показывают, что это жизнеспособная процедура идентификации камеры источника с высокой вероятностью точности. По сравнению с процедурами, использующими только интенсивность изображения, наш подход улучшает точность с 87% до 91%.Ключевые слова: идентификация исходной камеры, криминалистика, статистическая классификация, обработка изображений, аберрация объектива. 1. ВВЕДЕНИЕ Во многих судебных процессах изображения, снятые пленочными камерами, используются в судебных процессах в качестве доказательств. Поскольку цифровые фотоаппараты становятся все более популярными, можно ожидать увеличения использования цифровых изображений в качестве доказательства. Однако из-за наличия мощного программного обеспечения манипуляции с цифровыми изображениями просты и в большинстве случаев не оставляют очевидных следов.Следовательно, достоверность изображения снижает полезность цифрового изображения во многих судебных делах. Как следствие, в судебной экспертизе изображений хотелось бы иметь возможность удостовериться, что цифровое изображение не было подделано, и, кроме того, что оно было захвачено определенной камерой. В этой статье мы сосредоточимся на сценарии, позволяющем различать изображения, снятые ограниченным числом моделей камер. Существующие подходы к идентификации камеры можно разделить на три категории. Первая категория — это проверка заголовков файлов изображений или водяных знаков.Большинство камер прикрепляют к своим изображениям заголовок Exchangeable Image File Format (EXIF). Заголовок содержит такую информацию, как тип цифровой камеры, выдержка, дата и время изображения. Однако эта информация может быть злонамеренно изменена, и они могут быть недоступны при повторном сохранении или сжатии изображения. Некоторые специально разработанные камеры могут вставлять водяной знак в изображения. Водяной знак может нести информацию о биометрических данных фотографа, камеры, времени и даты. 1 Однако большинство доступных на рынке цифровых фотоаппаратов не поддерживают эту функцию.Поэтому необходимо обязательно найти другой способ решения этой проблемы. Вторая категория заключается в использовании различий в методах обработки изображений между моделями камер. Демозаика, гамма-коррекция, обработка цвета, коррекция белой точки и сжатие — стандартные процессы в цифровых камерах. 2 Однако точные детали обработки или используемые алгоритмы могут отличаться от одного производителя к другому. В результате считается, что выходное изображение может демонстрировать некоторые черты и шаблоны независимо от содержания исходного изображения.Харрази и др. 3 попытался уловить эти черты, предложив вектор из тридцати четырех характеристик, полученных из интенсивности пикселей, для представления изображения. Характеристики включают в себя среднее значение пикселя, RGB. Дополнительная информация об авторе: (Отправить письмо К.С. Чою) К.С. Цой: Телефон: (852) Эдмунд Ю. Лам: Телефон: (852) Кеннет К. Вонг: Телефон: (852) Digital Photography II, под редакцией Нитина Сампата, Джеффри М. ДиКарло, Рассела А. Мартина, Proc. SPIE-IS&T Electronic Imaging, SPIE Vol. 6069, 60690J, 2006 SPIE-IS & T X / 06 / $ 15 SPIE-IS & T / Vol J-1
Корреляция двух пар, центр масс соседнего распределения, соотношение энергии пар RGB, статистика вейвлет-области и набор показателей качества изображения ( IQM) 4, 5, который ранее использовался для задач стеганализа.Затем используется классификатор для идентификации исходной камеры изображения. Третья категория — использование рисунка шума в цифровых камерах. В исх. 6 и 7 предложены методы идентификации камеры по шумовой диаграмме ПЗС. Шумовая картина вызвана несколькими факторами, например: неоднородность пикселей, пыль на линзах, темные токи из-за дефектов производственного процесса. Эти шаблоны шума уникальны для каждой камеры и могут использоваться для идентификации камеры. Лукас и др. 7 предлагается использовать шумоподавляющий фильтр 8 Гаусса для выделения структурного шума.Эталонная шумовая картина камеры получается путем усреднения ряда изображений. Затем исходная камера изображения определяется путем корреляции шаблона шума в изображении и эталонного шаблона шума. Вдохновленные работой над шумовой картиной ПЗС, мы используем уникальные отпечатки, оставленные объективом на изображениях, для идентификации камеры. Мы предлагаем использовать аберрации объектива, чтобы помочь в классификации изображений, поступающих с нескольких камер. Поскольку все элементы объектива неизбежно вызывают некоторые аберрации, они также оставляют уникальные отпечатки на снимаемых изображениях.Используя алгоритм прямолинейной калибровки камеры, описанный в Ref. 9 мы оцениваем параметры радиальной дисторсии линзы по изображению. Параметры радиального искажения вместе с признаками, предложенными Харрази и др., 3 образуют вектор признаков в классификации. Затем мы используем классификатор машины опорных векторов (SVM) 10 для оценки успешности классификации. В этой статье мы показываем, что радиальное искажение объектива является эффективным средством повышения успешности решения проблемы идентификации исходной камеры.Эта статья организована следующим образом. В разд. 2 мы сначала даем общие сведения о радиальном искажении линз и обсуждаем метод измерения радиального искажения, используемый в нашем эксперименте. В разд. 3, мы предлагаем подход к включению нашего измерения радиальной дисторсии объектива в метод, основанный на признаках Харрази 3, чтобы повысить точность классификации. Экспериментальные результаты для корпуса с тремя камерами представлены в разд. 4. Дальнейшая работа и выводы представлены в разделе «РАДИАЛЬНОЕ ИСКАЖЕНИЕ ЛИНЗЫ» 2.1. Предпосылки радиальной дисторсии объектива Из-за процесса проектирования и производства линзы создают аберрации на изображениях. Существуют различные виды аберраций линз, такие как сферическая аберрация, кома, астигматизм, кривизна поля, радиальное искажение линзы и хроматическое искажение. Однако радиальная дисторсия линз — самая серьезная часть аберраций, особенно когда используются недорогие широкоугольные линзы. 11 В этой статье мы сосредоточимся на радиальном искажении линз. Радиальное искажение приводит к тому, что прямые линии в пространстве объекта отображаются как изогнутые линии на датчике пленки или камеры.Оно происходит от поперечного увеличения M T. 12 Поперечное увеличение изображения — это отношение расстояния изображения к расстоянию до объекта. Радиальное искажение возникает, когда M T является функцией внеосевого расстояния изображения r, а не постоянной величиной. Другими словами, объектив имеет разное фокусное расстояние и разное увеличение в разных областях. Радиальное искажение деформирует все изображение, даже если каждая точка находится в фокусе. Когда M T увеличивается с увеличением r, оптическая система страдает бочкообразным искажением.Точно так же, когда M T уменьшается с увеличением r, оптическая система страдает от подушкообразного искажения. Примеры бочкообразного искажения и подушкообразного искажения показаны на рисунках 1 и 2. По стоимости производства большинство цифровых фотоаппаратов ограничиваются объективами со сферическими поверхностями. 12 Этим сферическим линзам присуще радиальное искажение, и их необходимо корректировать, управляя системными переменными (индексами, формами, интервалом, стопами и т. Д.). Однако степень и порядок компенсации варьируются от одного производителя к другому или даже в разных моделях камер одного и того же производителя.Поэтому объектив от разных моделей фотоаппаратов может иметь разную степень радиального искажения. Помимо конструкции линз, степень искажения линз зависит от фокусного расстояния линз. 13 Обычно линзы с коротким фокусным расстоянием имеют большую степень бочкообразного искажения, тогда как линзы с большим фокусным расстоянием больше страдают подушкообразным искажением. В результате линзы разных камер оставляют уникальные отпечатки на снимаемых изображениях. В следующем разделе мы расскажем, как оценить радиальное искажение объектива по изображению, а также о возможности его использования для идентификации камеры.SPIE-IS & T / Vol J-2
3 / / ll Рис. 1. Искажение прямоугольной сетки. Слева: неискаженная сетка. В центре: сетка с бочкообразным искажением. Справа: сетка с подушкообразным искажением. Рис. 2. Прямоугольная сетка, сделанная камерой B. Сетка имеет бочкообразное искажение. Измерение радиального искажения объектива. Модель радиального искажения объектива может быть записана в виде бесконечной серии. Обычно параметр k 1 радиального симметричного искажения первого порядка может обеспечить достаточную точность.9 Для достижения более высокой точности мы используем параметры искажения первого и второго порядка в качестве оценки степени искажения изображения. Радиальное искажение линзы можно записать как 9: ru = rd + k 1 rd 3 + k 2rd 5 (1), где ru и rd — неискаженный радиус и искаженный радиус соответственно, а k 1 и k 2 — это первый порядок и второй. параметры искажения порядка соответственно. Радиус — это радиальное расстояние x 2 + y 2 точки (x, y) от центра искажения.В этой статье мы просто принимаем центр изображения за центр искажения. Devernay 9 представил метод прямой линии для вычисления радиального искажения. Он использовал фундаментальное свойство линзы: если линза не имеет радиального искажения, каждая прямая линия в пространстве должна проецироваться на изображение как прямая линия. Используя это свойство, расширяется итерационный процесс для оценки параметра k1 искажения. Процесс состоит в том, чтобы сначала извлечь искаженные линейные сегменты с помощью выделения края субпикселя и многоугольной аппроксимации.Ошибка искажения измеряется между искаженными отрезками прямой и соответствующими им прямыми. Затем параметры искажения k 1 и k 2 оптимизируются, чтобы минимизировать ошибку искажения. Процесс оптимизации повторяется до тех пор, пока относительное изменение ошибки искажения не станет меньше порогового значения. Реализация SPIE-IS & T / Vol J-3
4 алгоритма Девернея в Matlab доступна в Интернете. 14 Мы модифицируем эту программу для оценки параметров радиального искажения, k 1 и k 2, для каждого рассматриваемого изображения.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИАЛЬНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ОБЪЕКТИВА В КАЧЕСТВЕ ОСОБЕННОСТЕЙ В соответствии с поз. 3, Харрази и др. предложили использовать ряд функций для фиксации фотометрических эффектов, оставленных камерой на изображениях. Мы считаем, что помимо алгоритмов обработки цвета на выходное изображение также влияют внутренние аберрации объектива камер. Один из видов аберраций называется радиальным искажением. Как объяснялось в предыдущем разделе, радиальное искажение объектива приводит к тому, что прямые линии на объекте выглядят как кривые на выходном изображении.Чтобы зафиксировать характеристики радиального искажения различных камер, мы предлагаем включить параметры радиального искажения объектива, k 1 и k 2, как новые характеристики, указанные в классификации. Мы считаем, что наши новые функции могут захватывать геометрические следы, оставленные камерой (объективом) на изображениях, и могут служить дополнительными функциями к функциям, предложенным Харрази и др. Для каждого рассматриваемого изображения из изображения извлекается вектор из тридцати шести признаков. Вектор признаков состоит из тридцати четырех признаков, предложенных Харрази и др.и параметры радиального искажения нашего объектива, k 1 и k 2. Предполагая, что набор изображений доступен для каждой возможной камеры, они затем используются для обучения классификатора для различения изображений, исходящих от конкретной камеры. 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Были выполнены две серии экспериментов. Первая серия экспериментов — это проверка возможности использования радиального искажения линзы при классификации изображений. Вторая серия экспериментов показывает, что наш подход имеет статистически значимое улучшение точности по сравнению с процедурами, использующими только интенсивность изображения. Камеры и тестовые изображения. Чтобы оценить эффективность радиального искажения линз при классификации изображений, исходящих с цифровой камеры, мы провели два набора экспериментов.В наших экспериментах мы использовали три разные камеры, последние модели трех известных производителей. Камера A и камера B использовались для создания изображений, а камера C использовалась для получения изображений. Изображения были сделаны без вспышки, без автофокуса, без ручного масштабирования, с наилучшим качеством сжатия JPEG и другими настройками, установленными на значения по умолчанию. Конфигурации камер показаны в Табл. 1. Набор графических данных был подготовлен путем случайного получения 100 снимков каждой камерой вокруг университетского городка.На рисунке 3 представлены некоторые образцы из нашего набора данных изображения. После сбора набора данных предполагаемые меры были рассчитаны для каждого изображения. Таблица 1. Камеры, использованные в экспериментах, и их свойства Марка камеры Разрешение Формат изображения Камера A JPEG Камера B JPEG Камера C JPEG 4.2. Классификация изображений только по радиальному искажению объектива. Первый эксперимент должен показать возможность использования радиального искажения объектива для классификации изображений, исходящих из модели с тремя камерами. Во-первых, мы получаем параметры искажения линзы k 1 и k 2 для всех изображений.Затем шаги для обучения и тестирования классификатора 15 SVM следующие: изображения были случайно выбраны для обучения классификатора. 2. Остальные изображения использовались для тестирования классификатора. SPIE-IS & T / Vol J-4
5 Рис. 3. Примеры изображений, полученных с помощью камеры A. 3. Шаг 1 и шаг 2 были повторены 50 раз, и была получена средняя точность классификации. Уровень успешности классификации для камеры A, камеры B и камеры C составляет 97.8%, 92% и 84,8% соответственно. Полученная средняя точность составляет 91,53%, соответствующая матрица неточностей представлена в Табл. 2. Таблица 2. Матрица неточностей для идентификации камеры только по радиальному искажению объектива. Прогноз (%) Камера A Камера B Камера C Фактическая (%) Камера A Камера B Камера C Средняя точность (%) Диаграмма рассеяния параметров радиального искажения объектива, k 1 и k 2, представлена на рис. 4. Камера A , Камера B и Камера C обозначены, o и + соответственно. Видно, что параметры радиальной дисторсии линзы можно четко разделить на три группы.Эти выбросы на графике — это изображения со слишком короткими прямыми линиями или слишком маленькими прямыми линиями. Результаты классификации в Табл. 2 и диаграмма рассеяния на фиг. 4 показывают, что возможно идентифицировать камеру-источник цифрового изображения по радиальному искажению линзы. SPIE-IS & T / Vol J-5
6 Камера A Камера B Камера C Параметр искажения объектива K Параметр искажения объектива K1 Рис. 4. График рассеяния параметров радиального искажения объектива, k 1 и k 2, inCameraA (), камера B ( o) и камера C (+) в нашем эксперименте. Классификация изображений по радиальному искажению объектива и предлагаемым функциям Харрази. В этом разделе мы исследуем улучшение точности путем добавления радиального искажения к предлагаемой статистике Харрази.Основываясь на особенностях Харрази, мы оцениваем точность классификации с радиальным искажением и без него. В этих двух экспериментах мы используем классификатор SVM, доступный в пакете LibSvm. 15 Процедуры обучения и тестирования классификатора такие же, как и в разделе. Средняя точность системы с параметром радиального искажения линзы и без него составляет 87,38% и 91,39% соответственно. Благодаря предлагаемой нами функции радиального искажения линзы точность увеличивается на 4,01%. Соответствующие матрицы неточностей этих двух экспериментов приведены в Табл.3 и табл. 4 соответственно. Таблица 3. Матрица неточностей для идентификации камеры по признакам, предложенная Харрази и др. только прогнозируемая (%) Камера A Камера B Камера C Фактическая (%) Камера A Камера B Камера C Средняя точность (%) SPIE-IS & T / Vol J-6
7 Таблица 4. Матрица неточностей для идентификации камеры по радиальному искажению объектива и особенности, предложенные Харрази и др. Прогноз (%) Камера A Камера B Камера C Фактическая (%) Камера A Камера B Камера C Средняя точность (%) ЗАКЛЮЧЕНИЕ В этой статье мы исследуем следы линз, оставленные на изображениях, для идентификации камеры-источника цифрового изображения.Мы предлагаем использовать для этой задачи радиальное искажение линз на изображениях. Создан классификатор на основе радиального искажения линз, который используется для оценки эффективности этой функции. Мы показываем, что возможно использовать радиальное искажение объектива для классификации изображений, происходящих из модели с тремя камерами. Мы также предлагаем объединить радиальное искажение нашего объектива со статистикой, полученной по интенсивности изображения, для классификации изображений. Мы демонстрируем, что по сравнению с процедурами, использующими только статистику по интенсивности изображения, наш подход показывает статистическое улучшение точности.Лукас и др. 7 указали, что к надежной идентификации камеры следует подходить с разных сторон, сочетая ее со свидетельствами, полученными с помощью различных методов. Предлагаемое нами радиальное искажение объектива является еще одним свидетельством решения проблемы идентификации камеры-источника. Наши первые результаты обнадеживают. Их можно улучшить, используя более сложный метод оценки искажения линзы по изображению. У предлагаемой нами функции есть одно серьезное ограничение. Когда изображения с определенной камеры снимаются с помощью вариообъектива с различным ручным масштабированием, измеренный параметр искажения объектива будет охватывать широкий диапазон.Это может снизить вероятность успеха классификации. Тем не менее, мы считаем, что этот метод по-прежнему будет полезен в ряде различных ситуаций, например, изображения снимаются зеркальными камерами с фиксированным объективом (объектив с фиксированным фокусным расстоянием) или нам известно, что изображения с зум-объектива снимаются без ручного масштабирования. SPIE-IS & T / Vol J-7
8 ССЫЛКИ 1. П. Блайт и Дж. Фридрих, Защищенная цифровая камера, в семинаре по цифровым криминалистическим исследованиям, J.Адамс, К. Парулски и К. Сполдинг, Обработка цвета в цифровых камерах, IEEE Micro 18 (6), стр., М. Харрази, Х.Т. Сенкар и Н. Мемон, Идентификация камеры слепым источником, в Международной конференции по обработке изображений, С., И. Авцибас, Н. Мемон и Б. Санкур, Стеганализ с использованием показателей качества изображения, IEEE Transactions on Image Processing 12 (2), стр. И. Авцибас, Б. Санкур и К. Сайуд, Статистическая оценка изображения. показатели качества, Journal of Electronic Imaging 11 (2), стр., Сайто Н., К.Куросава, К. Куроки, Н. Акиба, З. Герадтс и Дж. Биджхолд, Метод отпечатков пальцев CCD для цифровых фотоаппаратов, in Investigative Image Processing II, Proc. SPIE 4709, стр., Й. Лукаш, Й. Фридрих и М. Гольян, Определение происхождения цифрового изображения с использованием несовершенства сенсора, в Обмен и обработка изображений и видео, Proc. SPIE 5685, стр., М. К. Михчак, И. Козинцев и К. Рамчандран, Пространственно-адаптивное статистическое моделирование коэффициентов вейвлет-изображения и его применение к шумоподавлению, в Международной конференции по акустике, речи и обработке сигналов, 6, стр., F.Деверней и О. Фогерас, Автоматическая калибровка и удаление искажений в сценах структурированной среды, в Исследовательской и пробной обработке изображений, Proc. SPIE 2567, pp, RO Duda, PE Hart и DG Stork, Pattern Classification, Wiley, New York, J. Perš and S. Kovačič, Непараметрическая коррекция радиального искажения линзы на основе модели с использованием предположения о наклоне камеры, Proceedings of the Computer Vision Winter Workshop 2002, стр., E. Hecht, Optics, Addison Wesly, San Francisco, California, B.Тордофф и Д. В. Мюррей, Нарушение геометрии вращающейся камеры: влияние радиального искажения на самокалибровку, в Proc. 15-я Международная конференция по распознаванию образов, 1, стр., П. Д. Ковеси, Функции Matlab и Octave для компьютерного зрения и обработки изображений, Программное обеспечение доступно на C.-C. Чанг и К.-Дж. Lin, LIBSVM: библиотека для машин опорных векторов, программное обеспечение доступно на SPIE-IS & T / Vol J-8
Асферические и дуплетные линзы с коррекцией аберрации — ULO Optics
Асферические линзы и дуплеты линз без аберрации являются высокоэффективной альтернативой нашим короткофокусным линзам. длина менисковых линз серии ZLF.Оба варианта дают ограниченные дифракционные характеристики за счет коррекции сферической аберрации, которая присутствует в менисковой линзе «лучшей формы».
Асферическая поверхность наиболее эффективна в линзах с коротким фокусным расстоянием. Ниже представлен ассортимент предлагаемых нами асферических линз.
Альтернативным решением для устранения сферических аберраций является наша серия двухэлементных линз с коррекцией аберраций TF.
- Ограничение дифракции за счет устранения сферической аберрации
- AR с покрытием
- Также доступны смонтированные
Номер детали | Диаметр [мм] | EFL [мм] | BFL [мм] | FFL [мм] | WD * [мм] |
10ZAL25.4 | 25,4 | 25,4 | 21,7 | 19,9 | 18,9 |
11ZAL25.4 | 28 | 25,4 | 21,3 | 19 | 18 |
11ZAL38.1 | 28 | 38,1 | 35,4 | 34,7 | 33,1 |
11ZAL50,8 | 28 | 50,8 | 47,9 | 47,1 | 46.1 |
11ZAL63,5 | 28 | 63,5 | 60,8 | 60,1 | 59,1 |
15ZAL38.1 | 38,05 | 38,1 | 33,6 | 30,9 | 29,9 |
15ZAL50,8 | 38,05 | 50,8 | 47,2 | 45,6 | 44,6 |
15ZAL63,5 | 38,05 | 63.5 | 60,2 | 60 | 59 |
15ZAL95.3 | 38,05 | 95,3 | 92,4 | 91,6 | 90,6 |
15ZAL127 | 38,05 | 127 | 123,6 | 122,6 |
* WD = рабочее расстояние при установке в крепление M10, M11 или M15
FL = фокусное расстояние
Обратите внимание, что эта страница является только представлением наших наиболее часто используемых элементов, а не вся наша продуктовая линейка.Если какой-либо товар отсутствует в списке или у вас есть вопросы, свяжитесь с нами, и мы будем более чем рады помочь вам.