АБЕРРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ • Большая российская энциклопедия

АБЕРРА́ЦИИ ОПТИ́ЧЕСКИХ СИСТЕ́М (от лат. aberratio – ук­ло­не­ние), ис­ка­же­ния изо­бра­же­ний, соз­да­вае­мых оп­тич. сис­те­ма­ми. Про­яв­ля­ют­ся в том, что оп­тич. изо­бра­же­ния не впол­не от­чёт­ли­вы, неточ­но со­от­вет­ст­ву­ют объ­ек­там или ока­зы­ва­ют­ся ок­ра­шен­ны­ми. Су­ще­ст­ву­ет неск. ви­дов абер­ра­ций. Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ны­ми яв­ля­ют­ся хро­ма­ти­че­ская абер­ра­ция и сле­дую­щие гео­мет­рич. абер­ра­ции: сфе­ри­че­ская, ас­тиг­ма­тизм, ко­ма, дис­тор­сия, кри­виз­на по­ля изо­бра­же­ния.

Сфе­ри­че­ская абер­ра­ция за­клю­ча­ет­ся в том, что све­то­вые лу­чи, ис­пу­щен­ные од­ной точ­кой объ­ек­та и про­шед­шие од­ни из них вбли­зи оп­тич. оси, а дру­гие че­рез от­да­лён­ные от оси час­ти сис­те­мы, не со­би­ра­ют­ся в од­ной точ­ке. Вслед­ст­вие это­го изо­бра­же­ние, соз­да­вае­мое па­рал­лель­ным пуч­ком лу­чей на пер­пен­дику­ляр­ном оси эк­ра­не, име­ет вид не точ­ки, а круж­кá с яр­ким ядром и ос­ла­бе­ваю­щим по яр­ко­сти оре­о­лом (т. н. кру­жок рас­сея­ния). Спе­ци­аль­ным под­бо­ром линз (со­би­раю­щих и рас­сеи­ваю­щих) сфе­рич. абер­ра­цию мож­но поч­ти пол­но­стью уст­ра­нить.

Рис. 1. Световой пучок, прошедший через оптическую систему, обладающую астигматизмом. Внизу показаны сечения пучка плоскостями, перпендикулярными оптической оси системы.

Ас­тиг­ма­тизм про­яв­ля­ет­ся в том, что изо­бра­же­ние точ­ки, не ле­жа­щей на глав­ной оп­тич. оси, пред­став­ля­ет со­бой не точ­ку, а две вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ные ли­нии, рас­по­ло­жен­ные в раз­ных плос­ко­стях на не­ко­то­ром рас­стоя­нии друг от дру­га. Изо­бра­же­ния точ­ки в про­ме­жу­точ­ных ме­ж­ду эти­ми плос­ко­стя­ми се­че­ни­ях име­ют вид эл­лип­сов (рис. 1). Ас­тиг­ма­тизм обу­слов­лен не­оди­на­ко­во­стью кри­виз­ны оп­тич. по­верх­но­сти в раз­ных плос­ко­стях се­че­ния па­даю­ще­го на неё све­то­во­го пуч­ка и воз­ни­ка­ет ли­бо вслед­ст­вие асим­мет­рии оп­тич. сис­те­мы (напр., в ци­лин­д­рич. лин­зах), ли­бо в обыч­ных сфе­рич. лин­зах при па­де­нии све­то­во­го пуч­ка под боль­шим уг­лом к оси. Ас­тигма­тизм ис­прав­ля­ют та­ким под­бо­ром линз, что­бы од­на ком­пен­си­ро­ва­ла ас­тиг­ма­тизм дру­гой. Ас­тиг­ма­тиз­мом мо­жет об­ла­дать че­ло­ве­че­ский глаз (см. Асти­гма­тизм гла­за).

При на­клон­ном па­де­нии лу­чей на оп­тич. си­сте­му в ре­зуль­та­те на­ру­ше­ния сим­мет­рии пуч­ка воз­ни­ка­ет ещё од­на абер­ра­ция – ко­ма, при ко­то­рой изо­бра­же­ние точ­ки име­ет вид не­сим­мет­рич­но­го пят­на рас­се­я­ния. Её раз­ме­ры про­пор­ци­о­наль­ны квад­ра­ту уг­ло­вой апер­ту­ры оп­тич. си­сте­мы и уг­ло­во­му уда­ле­нию точ­ки-объ­е­кта от оп­тич. оси. Ко­ма ве­ли­ка в те­ле­ско­пах с па­ра­бо­лич. зер­ка­ла­ми. Ис­прав­ля­ют ко­му под­бо­ром линз.

Рис. 2. Дисторсия.

Для дис­тор­сии ха­рак­тер­но на­ру­ше­ние гео­мет­рич. по­до­бия ме­ж­ду объ­ек­том и его изо­бра­же­ни­ем. Дис­тор­сия обус­лов­ле­на не­оди­на­ко­вым ли­ней­ным уве­ли­че­ни­ем оп­тич. сис­те­мы на раз­ных уча­ст­ках изо­бра­же­ния. При­мер ис­ка­же­ний, ко­то­рые да­ёт сис­те­ма, об­ла­даю­щая дис­тор­си­ей, при­ве­дён на рис. 2. Сле­ва от цен­траль­но­го квад­ра­та по­ка­за­но его изо­бра­же­ние, ис­ка­жён­ное за счёт по­душ­ко­об­раз­ной (по­ло­жи­тель­ной) дис­тор­сии, спра­ва – ис­ка­жён­ное за счёт боч­ко­об­раз­ной (от­ри­ца­тель­ной) дис­тор­сии. Дис­тор­сия ус­тра­ня­ет­ся под­бо­ром линз.

Кри­виз­на по­ля – абер­ра­ция осе­сим­мет­рич­ной оп­тич. сис­те­мы, она за­клю­ча­ет­ся в том, что изо­бра­же­ние плос­ко­го пред­ме­та по­лу­ча­ет­ся пло­ским не в плос­ко­сти, как долж­но быть в иде­аль­ной сис­те­ме, а на ис­крив­лён­ной по­верх­но­сти. В слож­ных оп­тич. сис­те­мах кри­виз­ну по­ля ис­прав­ля­ют, со­че­тая лин­зы с по­верх­но­стя­ми раз­ной кри­виз­ны.

Оп­тич. сис­те­мы мо­гут об­ла­дать од­но­вре­мен­но неск. абер­ра­ция­ми, уст­ра­нить их все сра­зу – очень слож­ная за­да­ча. Обыч­но абер­ра­ции уст­ра­ня­ют час­тич­но в за­ви­си­мо­сти от на­зна­че­ния оп­тич. сис­те­мы. В не­ко­то­рых слу­ча­ях ис­поль­зу­ют ме­то­ды адап­тив­ной оп­ти­ки.

Хро­ма­тич. абер­ра­ция свя­за­на с за­ви­си­мо­стью по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния сред от дли­ны вол­ны све­та.

Не­со­вер­шен­ст­ва изо­бра­же­ний, фор­ми­руе­мых оп­тич. сис­те­мой, воз­ни­ка­ют так­же в ре­зуль­та­те ди­фрак­ции све­та на оп­ра­вах линз, диа­фраг­мах и т. п. Та­кие абер­ра­ции прин­ци­пи­аль­но не­уст­ра­ни­мы, хо­тя и мо­гут быть умень­ше­ны. Но они обыч­но не так силь­но влия­ют на изо­бра­же­ние, как гео­мет­ри­че­ские и хро­ма­ти­че­ские.

Аберрации объективов | Фотография для начинающих

Сферическая аберрация

При детальном рассмотрении изображения точечного объекта, лежащего на оптической оси положительной линзы, заметно, что изображение представляет собой не точку, а пятно. Если, по закону преломления, аккуратно начертить лучи, проходящие через линзу объектива, то получим, что лучи, проходящие близко к краю линзы, отклоняются сильнее, чем проходящие через центральную точку. Если рассмотреть изображение в одной точке, то краевые лучи будут в фокусе, а центральные лучи будут размазывать изображение.

Если рассмотреть изображение в немного отдаленной точке, будет наоборот. Лучшее изображение находится в точке между этими двумя, представляет собой круг, его называют кружком рассеяния. То есть сферические аберрации возникают из-за преломления света под разными углами во время прохождения через сферическую поверхность линзы.

 

1. Сферическая оптика образует несовершенное изображение благодаря наличию сферических аберраций (распределяется неравномерно оптической мощности).

 

 

 

2. Асферические линзы имеют равномерную оптическую мощность на всех участках, создавая изображение высокого качества даже в условиях плохой освещенности.

 

 

Кривизна поля

Создаваемое сферической линзой изображение в плоскости, перпендикулярной оптической оси, не является плоским, оно имеет форму искривленной поверхности, напоминающую поверхность сферы. Так как поверхность матрицы или пленки плоские, то углы кадра будут нерезкие в сравнении с центром кадра. Или наоборот углы резкие — центр нет. Такая аберрация называется кривизной поля изображения.

 

 

Аберрация кома

Если точечный объект смещен относительно оптической оси, возникает аберрация, называемая комой. Такая аберрация напоминает комету, которую астрономы называют комой, оттуда и пошло название.

 

 

Дисторсия объектива

Если сфотографировать сетку с квадратными ячейками, то мы получим изображение в виде бочонка или подушки. Такого рода искажение зависит не только от самой линзы, но и от расположения диафрагмы внутри объектива. Изображение подобно проекции сетки на сфере. В центральной части кадра увеличение больше для бочкообразной дисторсии, а по краям — для подушкообразной дисторсии.

 

 

Астигматизм объектива

Это еще один вид искажения, лежащего вне оптической оси, точечного объекта. Условно можно сказать, что при фотографировании сетки вертикальные линии получаются резкими, а горизонтальные нерезкими или наоборот. Но чаще всего наблюдается эффект нерезкости сетки, когда линии сетки не перпендикулярны.

 

Хроматическая аберрация

Все вышеперечисленные аберрации работают одинаково для всех цветов. При хроматической аберрации лучи разного цвета преломляются по-разному. То есть фиолетовые лучи фиксируются в одной точке, а красные в другой. Это приводит к радужной кайме на отдельных элементах изображения.

Уровень всех аберраций выше к краям изображения. Для устранения аберраций в объективах используют линзы из различных сортов стекла. К примеру, при использовании одного вида стекла фиолетовые лучи фокусируются чуть ближе к линзе, чем красные, при другом наоборот. Путем соединения нескольких линз с противоположными хроматическими аберрациями производители объективов добиваются минимизации или полного устранения искажений.

A | Tamron

A/M (переключение режимов фокусировки)

^{Механизм переключения режимов Автоматического и Ручного фокуса на фокусировочном кольце}

Способность быстро переключаться между режимами автоматической (AF) и ручной фокусировки (MF) − очень полезное качество для многих типов съёмки, особенно для фотографирования спортивных мероприятий и живой природы. Она легко реализована в оригинальной системе Tamron AF/MF. Для переключения AF или MF достаточно потянуть кольцо фокусировки назад или вперёд. Объективы Tamron гарантируют плавную и точную фокусировку в ручном режиме путём простого поворота широкого, эргономического кольца фокусировки с удобной текстурой поверхности.

 

В списке приведенны объективы Tamron с описанным механизмом:

SP AF 90mm F/2,8 Di MACRO 1:1 (Model 272E)

SP AF 180mm F/3,5 Di MACRO 1:1 (Model B01)
SP AF 70-200mm F/2,8 Di LD [ IF] MACRO (Model A001)

 

 

Aberrations (Аберрации)

В фотографии под аберрацией понимают оптическое искажение изображения, выраженное в расхождении между полученным и идеальным изображением.

Виды аберраций:

• хроматическая аберрация (одна из основных аберраций оптических систем, обусловленная зависимостью преломления показателя (ПП) прозрачных сред от длины волны света)
• Астигматизм
• Блин
• Сферическая аберрация
• Кома (коматическая аберрация)
• Кривизна поля изображения
• Дисторсия
• Виньетирование

 

 

Analogue (Аналоговая фотография)

Аналоговые фотографии относятся к традиционной фотографиии, и отличаются тем, что оптическое изображение создается на основе светочувствительной пленки, а не на фотоматрице как в цифровой фотографии.

 

Аналоговый Диапозитив

Цифрова́я фотогра́фия отличается созданием оптического изображения на фотосенсоре вместо традиционного фотоматериала. Фотосенсор хранит изображение в виде электрических сигналов, которые затем обрабатываются процессором.

^{Современный CCD-сенсорный элемент}

 

 

Angle of View (Угол поля зрения объектива)

Угол поля зрения объектива (устаревший термирн «угол изображения») — угол в пространстве между двумя внеосевыми лучами, проходящими через объектив, и ограниченный диагональю кадра (полевой диафрагмой).

На схеме приведенной ниже угол поля зрения обозначен как α. Для угла α/2, tan α/2 = d / f 
d = фокусное расстояние на углах 
f = фокусное расстояние

Пример: Если фокусное расстояние равно диагонали формата кадра, тогда tan α = 0.5 и следовательно, угол равен 53 °. Это стандартная линза для соответствующего формата.

Объективы можно разделить на следующие категории:
Телефото объективы α < 20 °

Длинофокусный объектив 20 ° < α < 40 °
Обычный объектив 40 ° < α < 55 °
Широкоугольный объектив α > 55 °

<sup>широкоугольный объектив 

телезум</sup>

 

 

Anomalous Dispersion (Аномальная дисперсия)

^{Аномальная дисперсия (рассеяние)}

Стекло с аномальным рассеянием ( AD) – специальный тип оптического стекла, используемый для более точного контроля за хроматической аберрацией. Это позволяет улучшить общее качество изображения. Такое стекло гарантирует аномально большой коэффициент частичного рассеяния (дифракцию) для цвета определённого диапазона длины волны (для определённых цветов) в пределах видимого спектра. Комбинации элементов из стекла AD, обладающего особыми характеристиками с элементами из обычного стекла, имеющего иные характеристики рассеяния, позволяют контролировать коэффициент рассеяния света определённой длины волны. Результатом становится гораздо более низкий уровень осевой (по центру) хроматической аберрации объективов типа «телевик», или объективов типа «зум», использующих телескопическую настройку, а также существенное уменьшение боковой (периферийной) хроматической аберрации у объективов типа «широкоугольник» (или у объективов типа «зум» с широкоугольной настройкой).

Различия по коэффициенту частичного рассеяния для элементов из стандартного оптического стекла и из стекла AD (типичная диаграмма)

Список объективов Tamron  со стеклами с аномальным рассеиванием:

— AF 18-250mm F/3,5-6,3 Di II LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A18)
— AF 18-270mm F/3,5 -6,3 Di II VC LD Aspherical [ IF] Macro (Model B003)
— AF 28-300mm F/3,5-6,3 XR Di LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A061)
— AF 28-300mm F/3,5-6,3 XR Di VC LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A20)

 

 

Aperture (Диафрагма)

Апертура (от латинского слова, означающего aperire «открыто») отверстие объектива, которое регулируется диафрагмой и определяющее количество света, которое попадает на видеокамеру. Апертура определяется размерами линз или диафрагмами. Открывается отверстие за счет наложения друг на друга лепестков диафрагмы, которые расположены по окружности. Чем больше эти лепестки выдвигаются сужая отверстие, тем меньше света может войти в систему и наоборот.

Апертура контролирует уровень освещенности, и вместе с параметром — выдержка, регулирует процесс экспозиции пленки или фотосенсора. Помимо выдержки и видоискателя, диафрагма является одним из важных технических средств фотографического творчества, поскольку она влияет на глубину резкости.

Диафрагменное число представляет собой соотношение между фокусным расстоянием объектива и действующим отверстием диафрагмы. Т.е. диафрагменное число равно фокусному расстоянию, деленному на входной диаметр отверстия диафрагмы. Таким образом, чем больше диафрагменное число, тем меньше действующее отверстие диафрагмы, и, соответственно, через объектив проходит меньшее количество света. И наоборот, чем меньше диафрагменное число, тем больше действующее отверстие диафрагмы, и через объектив проходит большее количество света. Диафрагменное число механических камер регулируется кольцом на объективе, в отличие от электронных камер, где корректировка производится элементами управления на корпусе камеры.

 

 

APS-C Format (формат сенсора цифровых камер)

Advanced Photo System type-C (APS-C) — формат сенсора цифровых фотоаппаратов, эквивалентный «классическому» формату (type-C от Сlassic) Advanced Photo System, размер которых составляет 25,1×16,7 мм (пропорции 3:2). Сенсоры формата APS-C устанавливаются в основном на зеркальные цифровые фотоаппараты, хотя их можно найти на фотокамерах других классов. Все сенсоры APS-C меньше, чем плёночный стандарт 35мм (36×24 мм).  У Tamron есть линейка объективов Di II, экслюзивно разработанная под этот формат.
 

Зеленое поле на картинке показывает размер APS-C сенсора в сравнении с традиционным пленочным кадром 35mm (полноформатные сенсоры имеют такой же размер —  35мм). Белый круг показывает изображение захватываемое объективом Tamron Di II.

Список всех объективов TAMRON

X

 

 

ASL (Объективы с асферическими элементами)

В ASL объективах используются одна или несколько асферических линз.

 ^{Объективы с асферическими элементами:}

Объективы Di II
SP AF10-24mm F/3.5-4.5 Di II LD Aspherical [ IF](Model B001)
SP AF 17-50mm F/2,8 XR Di II LD Aspherical [ IF] (Model A16)
SP AF 17-50mm F/2,8 XR Di II VC LD Aspherical [ IF] (Model B005)
AF 18-200mm F/3,5-6,3 XR Di II LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A14)
AF 18-250mm F/3,5-6,3 Di II LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A18)
AF 18-270mm F/3,5 -6,3 Di II VC LD Aspherical [ IF] Macro (Model B003)

Объективы Di
SP AF 28-75mm F/2,8 XR Di LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A09)
AF 28-200mm F/3,8-5,6 XR Di Aspherical [ IF] MACRO (Model A031)
AF 28-300mm F/3,5-6,3 XR Di LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A061)
AF 28-300mm F/3,5-6,3 XR Di VC LD Aspherical [ IF] MACRO (Model A20)

Aspherical (Асферические линзы)

Как правило, обычные линзы имеют постоянный радиус (сфера), т. е. можно предположить, что они вырезаны из шара (сферы). Эта простая форма линз, однако, она имеет недостатки создающие дефекты изображения. Благодаря инновационным технологиям производства явно наблюдается тенденция постепенного перехода к использованию асферических линз. Это линзы, поверхность которых не является сферой. Использование таких линз корректирует возникающие сферические аберрации и абберации комы. Кроме того, эти линзы устраняют эффекты искажения картинки (дисторсии)

 

ASL объективы используют одну или несколько асферических линз.

Асферические линзы производится нанесением специального пластика на стеклянную поверхность элемента.Совершенствуя эту передовую технологию для серийного производства, компания Tamron сумела значительно улучшить оптическую конструкцию, практически полностью устранить сферическую аберрацию и дисторсию изображения, что позволило создать новые серии высокоэффективных светосильных объективов.

 

^{Асферические элементы объективов Tamron}

 

^{Схематическая иллюстрация: Эффект компенсации с асферическими элементами объектива}

 

 

Astigmatism (Астигматизм)

Астигматизм это один из видов аббераций. Сам термин имеет греческие корни, где «a» обозначает отрицаение, а  «stigma» означает пятно. При таком типе абберации, точка объекта на оптической оси будет точно воспроизведена как точка в изображении, но точка объекта, расположенная вне оптической оси, появится не как точка в изображении, а скорее как затемнение или как линия. 

Лучи света в меридиональной плоскости и лучи света в сагиттальной плоскости находятся в различном положении, поэтому эти две группы лучей не соединяют ся в одной точке.

 

 

Эффект астигматизма минимзируется объективом Tamron за счет использования асферических линз и идеального расположения и сочетания стеклянных элементов с различными свойствами отражения.

 

 

Available Light (Естественное освещение)

Естественное освещение в фотографии это условия съемки без дополнительных источников света, (например, без фотовспышки), несмотря на неблагоприятные условия освещения (например, в сумерках или в помещении). Вместо этого, увеличивается чувствительность камеры ISO, увеличивается выдержка или используются объективы со стабилизатором изображения (например, объективы Tamron линейки VC).

Как показано на изображениях, при искусственном дополнительном освещении может быть потеряна значительная часть заднего плана.

Изображение слева получено при съемке со вспышкой, а правое при естественном освещении. 

Кафедра квантовой радиофизики

Введение в специальность
	1.	Основы субволновой оптики и микроскопии ближнего поля. Локализованные оптические поля. Примеры эванесцентных полей. Способы создания и детектирования. Поле электрического диполя в ближней и дальней зонах. Сужающиеся оптические зонды ближнего поля и конвертеры для преобразования излучения в локализованные световые поля. Принцип действия и применения. Нановолноводы. Микроскопы ближнего поля апертурного и рассеивающего типов.
	2.	Оптика гибридных наночастиц  Металлические нанооболочки с диэлектрическим (полупроводниковым) ядром. Приложения к медицине и разработке эффективных фотовольтаических элементов. Спектры поглощения и фотолюминесценции квантовых точек. Гибридные квантовые точки “ядро-оболочка” сферической и сложной формы. Органические светодиоды на квантовых точках.
	3.	Прецизионные измерения в ультрахолодных атомах  Лазерное охлаждение атомов. Оптическая патока. Доплеровский предел. Субдоплеровское охлаждение. Ловушки для нейтральных атомов. Магнитная дипольная, оптическая дипольная, магнито-оптическая ловушка. Атомный фонтан. Атомы в оптических решетках.
	4.	Введение в нелинейную оптику  Нелинейно-оптические явления. Механизмы нелинейного взаимодействия излучения со средами: классификация. Электронные нелинейности, нерезонансное взаимодействие. Описание явлений. Генерация второй гармоники. Оптическое детектирование, генерация терагерцового излучения. Электрооптический эффект. Периодически поляризованные кристаллы. Нелинейный показатель преломления среды. Роль стрикционного и ориентационного механизмов нелинейности. Наведенное двулучепреломление в средах. Самовращение эллипса поляризации излучения. Самофокусировка излучения. Просветление среды. Поляризационные эффекты нелинейного показателя преломления.
	5.	Фемтосекундные лазерные импульсы  Фемтосекундный лазер. Самофокусировка и фазовая самомодуляция. Применения фемтосекундных лазеров.
	6.	Измерение оптических частот  Спектральные свойства фемтосекундного лазера. Фазовая и групповая скорости распространения импульса в резонаторе. Расширение спектра в нелинейном волокне, фотонно-кристаллические волокна. Нелинейный интерферометр. Измерение абсолютной частоты лазерного излучения  с помощью фемтосекундного синтезатора частот.
	7.	Основы квантовой информации  Становление теории квантовой информации и квантовых вычислений. Классическая и квантовая  физика. Суперпозиционные и перепутанные состояния. От бита к кубиту. Пространство состояний. Перемешивание состояний, селекция состояний и операции над ними. Уравнение движения. Измерения в классической физике. Проективное измерение. Непроективное измерение.
	8.	Базовые понятия геометрической оптики  Кардинальные элементы идеальной оптической системы. Преломление лучей сферической поверхностью. Линза. Условие синусов. Телецентрический ход главных лучей. Ограничение пучков лучей в оптической системе. Диафрагмы, входные и выходные зрачки, входные и выходные окна. Апертура.
	9.	Разрешающая способность оптических систем Влияние дифракции света на разрешающую способность оптических систем. Критерий Рэлея. Объектив. Разрешающая способность объектива. Разрешающая способность телескопа. Микроскопические системы. Лупа. Микроскоп. Разрешающая способность.
	10.	Абберации оптических систем Аберрации в реальных оптических системах. Сферическая аберрация. Хроматическая аберрация. Астигматизм. Кома. Дисторсия. Методы исправления аберраций в сложных оптических системах. Зеркальная оптика.
Литература
	1.	Сивухин Д.В., Общий курс физики, том IV «Оптика», Москва, ФИЗМАТЛИТ; Издательство МФТИ, 2002
	2.	Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Физматлит, 2010
	3.	Борн М., Вольф Э.  Основы оптики.  М: Наука, 1973
	4.	Ахманов С.А., Никитин С.Ю., Физические оптика, Москва, Издательство Московского Университета, 1998
	5.	Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. «Наука», М., 1989.
	6.	Дмитриев В.Г. Нелинейная оптика и обращение волнового фронта. Физматлит, М., 2000.
	7.	Ахманов С.А., Хохлов Р.В. Проблемы нелинейной оптики. ВИНИТИ, М., 1965.
	8.	Мандель Л., Вольф Е. Оптическая когерентность и статистика фотонов. Москва, «Физматлит», 2000.
	9.	Риле Ф. “Стандарты частоты”, Москва, Физматлит 2009
	10.	Новотный Л., Хехт Б., Основы нанооптики, М. Физматлит, 2009.
	11.	Климов В.В., Наноплазмоника, М. Физматлит, 2010.
	12.	Nanophotonics and Nanofabrication, edited by M. Ohtsu, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, Wenheim, 2009.
	13.	Веселаго В. Г. Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления (Сессия 26.03.03) // УФН. — 2003. — Т. 173. — № 7. — С. 790.
	14.	Бурков В.И., Мадий В.А..Лабораторный практикум по геометрической оптике. Ч.1.М.:МФТИ, 2006, 120с.

Аберрации и параллакс оптических прицелов

21 марта 2019

Аберрации и параллакс оптических прицелов

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

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

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

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

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

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

Монохроматические аберрации

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

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

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

Рассмотрим их по порядку.

Сферическая аберрация

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

Ход световых лучей в идеальной линзе.

Ход лучей при сферической аберрации.

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

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

Кома

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

Коматическая аберрация.

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

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

Астигматизм

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

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

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

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

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

Кривизна поля изображения

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

Кривизна поля изображения.

 

Дисторсия

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

Выделяют два наиболее распространённых типа дисторсии: подушкообразная и бочкообразная.

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

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

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

	Бочкообразная дисторсия.
	Подушкообразная дисторсия.
	Комплексная дисторсия.

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

Это не Земля закругляется, а обычная бочкообразная дисторсия.

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

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

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

Хроматические аберрации

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

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

Хроматизм положения

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

Хроматизм положения.

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

Исправление хроматизма положения.

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

Хроматизм увеличения

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

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

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

Этот фрагмент фотографии иллюстрирует хроматизм увеличения. 

Первичные и вторичные хроматические аберрации

Хроматические аберрации подразделяются на первичные и вторичные.

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

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

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

Что же из всего вышеизложенного важно для уважаемого читателя?

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

Теперь о понятии параллакса.

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

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

Прицелы с заводской отстройкой от параллакса

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

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

Прицелы с возможностью отстройки от параллакса

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

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

Поделиться в соц. сетях:

Статья Аберрации телескопов и тестирование оптики

Оптика телескопа абсолютно совершенной может быть лишь в теории – в математических расчётах и то далеко не всегда. Тонкая структура правильного изображения телескопа нарушается вмешательством множества факторов. Это могут быть аберрации присущие самой оптической системе, но также искажения изображения, вызванные некоторыми механическими узлами телескопа, температурной средой в трубе и турбуленцией атмосферы.

Любитель астрономии, требующий от своего телескопа действительно высокого качества изображения всегда должен осознавать, каким видам аберраций подвержен его телескоп, и с какими разновидностями подобных искажений можно вполне успешно бороться, выявив причину.

Введение

Не особо вдаваясь в тонкости теории распространения света, необходимо выделить несколько основоположных понятий. Ещё со школьной скамьи нам известно, что свет, как и любое другое излучение имеет волновую природу. В однородной среде волны света имеют сферическую форму, которые и образуют волновой фронт, о котором мы ещё поговорим ниже. Нормали к фронту, вдоль которых, собственно и распространяется свет, называют лучами. В контексте астрономических наблюдений мы работаем с параллельным пучком света, источник которого находится в «бесконечности».

Задача телескопа собрать параллельный пучок света от наблюдаемого объекта в одну точку в фокусе, чего можно добиться, придав поверхности объектива определённую кривизну. Но важно также понимать саму природу взаимодействия света с оптическими деталями.

В вакууме скорость распространения света составляет приблизительно 300 тыс. км/сек, но попадая в более плотную среду, свет двигается медленней и отношение между скоростью распространения света в абсолютно разряженной среде со скоростью распространения в веществе называют коэффициентом преломления. Соответственно, чем меньше скорость света в среде, тем выше коэффициент его преломления. Но здесь не так всё просто, свет от небесных объектов может иметь разные длины волн и, попадая в оптическую среду, волны разной длинны имеют разный коэффициент преломления. Следствием этого является разложение света на спектр – это явление называется дисперсией света. Именно этими вещами обусловлена значительная часть проблем линзовых объективов.

Зеркальные телескопы лишены проблем связанных с дисперсией света, т.к. зеркало не пропускает свет, а имеет лишь одну поверхность, покрытую светоотражающим слоем. При попадании лучей на поверхность зеркала, они отражаются под углом к самой поверхности равным углу падения. То есть плоское зеркало отражает попавший на него параллельный пучок света под углом 90 градусов к поверхности и оставляет пучок всё таким же параллельным, а вогнутое зеркало телескопа отражает свет под меньшим углом, собирая пучок света в фокус. Из этого выходит, что фокусное расстояние телескопа всецело зависит от угла отражения света, а, следовательно, и величины кривизны зеркала. 

В данном случае мы рассмотрели явления связанные с пучком света, попавшим в объектив от точечного источника, например одной звезды, которая находится точно на оптической оси телескопа. Но ведь телескоп строит изображения и более сложных объектов. Наклонные пучки света, попадающие в объектив телескопа под некоторым углом к оптической оси, всё также собираются телескопом в фокус, но уже не точно на оптической оси, а немного сбоку. Масса изображений точек собранных телескопом в фокус и определяет так называемую фокальную плоскость, или изображение наблюдаемого объекта, построенное телескопом. От величины апертуры и, как следствие, светособирающих способностей, разрешения и зависит детальность изображения в фокальной плоскости, которое мы рассматриваем с помощью окуляра.

Исходя из вышесказанного, не особо углубляясь в расчёты, можно сделать вывод, что телескоп должен строить в фокальной плоскости изображение «бесконечно» удалённой звезды в виде точки. Но на практике, при большом увеличении звезда в телескоп выглядит как маленький кружок (кружок Эри), концентрично к которому видны слабые световые кольца, яркость которых, быстро падает от центра к краям. Обусловлено это волновой природой света, а именно дифракцией. Суть явления можно понять по приведенной ниже картинке, здесь в графической форме изображён градиент распределения энергии в самом кружке Эри и в постепенно затухающих дифракционных кольцах вокруг него.

Основные виды аберраций

Сферическая аберрация. Особенностью сферических поверхностей, так часто применяемых в оптике, является то, что сферическое зеркало или линза не способны собрать строго в одну точку параллельный пучок света из-за разности оптической силы поверхности в центре и по краям. Таким образом, каждая из круговых зон объектива строит собственный фокус на оптической оси не в соответствии с остальными зонами.

Это приводит к размытости изображения и невозможности навести точно фокус. В рефракторах, где поверхности линз сферические, с этой проблемой можно бороться, рассчитывая оптические компоненты объектива таким образом, чтобы сферическая аберрация одной линзы компенсировалась сферической аберрацией строго определённой величины другой линзы.

В телескопах рефлекторах большинства систем сферическую аберрацию можно исправить лишь асферизацией поверхности зеркала при полировке. Для этого на поверхности зеркала наносится точно рассчитанный рельеф, который собственно и приводит к одинаковой оптической силе всех зон, позволяя им сводить пучок в один фокус. Как правило, если речь идёт о телескопе Ньютона, главное зеркало имеет параболическую форму, которая, в общем, и придает всей его поверхности строго одинаковую оптическую силу.

Сферическую аберрацию можно заметить, сравнивая предфокальное и зафокальное изображение звезды. Если они абсолютно идентичны, телескоп имеет хорошо скорректированную оптику, если же дифракционные картины по разным сторонам от фокуса имеют существенную разницу в структуре, градиенте и яркости колец, значит, телескоп всё-таки имеет довольно существенную сферическую аберрацию.

 

Хроматическая аберрация. Это искажение в той или иной мере присуще всем линзовым объективам. Причиной его становится та самая дисперсия света, о которой мы упоминали ранее, когда лучи разных длин волн имеют разный коэффициент преломления в одной оптической поверхности.

Хроматизм проявляет себя на изображении телескопа как радужная каёмка, вокруг наблюдаемого объекта и внутри его деталей, а изображение звезды просто приобретает неестественную цветовую окраску.

 

Значительный хроматизм приводит к размытому изображению и значительной потере разрешения телескопа. Ещё в ХIХ веке был изобретён изящный способ коррекции этой аберрации благодаря применению в объективе стёкол с разной дисперсией, например доступных тогда крона и флинта. То есть, грубо говоря, хроматизм, созданный первой линзой из крона, компенсируется хроматизмом второй линзы из флинта, благодаря чему удаётся свести в фокус основные длинны волн света. Это схема ахроматического объектива, по которой выполнено большинство современных недорогих любительских рефракторов.

Но даже в таком объективе имеет место быть так называемый остаточный хроматизм, который вносят остальные длинны волн света нескорректированные объективом. С развитием науки стекловарения в ХХ-ом веке были созданы и получили распространение так называемые апохроматические объективы, низкодисперсное стекло которых, имеет существенно меньший коэффициент преломления и сводит большое количество волн света. 

Кома и астигматизм. Наклонные пучки света, преломившиеся в линзе или отражённые зеркалом, распространяются в трубе телескопа не симметрично к своей оси, что и является причиной видимых пятен комы на краю поля зрения телескопа.

 

Разумеется, кома проявляется тем больше, чем выше светосила телескопа, поэтому в телескопах-астрографах, где высокая светосила, как правило, является одним из обязательных условий для достижения хорошего результата, используют специальные корректоры комы, которые устанавливаются перед фокальной плоскостью и благодаря своей линзовой системе «выравнивают» звёзды по краю.

 

Как и кома, астигматизм это аберрация наклонных пучков, присущая, опять же, более светосильным системам. При попытке сфокусировать изображение, на краю поля мы получим горизонтальный штрих вместо точечного изображения звезды. При перефокусировке штрих сменится на вертикальный, а промежуточные дифракционные картинки будут иметь форму эллипса.

Кривизна поля. Эта аберрация присуща в той или иной мере очень многим объективам и проявляется в том, что объектив строит изображение фокальной плоскости вовсе не на плоскости, а на некоторой, обычно близкой к сфере поверхности. Например, в телескопах Ньютона эта поверхность имеет сферу, обращённую своей вогнутой стороной к зеркалу. К счастью, при визуальных наблюдениях в телескоп эта аберрация практически не даёт о себе знать, т.к. окуляр рассматривает ещё относительно плоскую часть фокальной поверхности. Но для астрофотографов, которые снимают на достаточно крупные ПЗС-матрицы, перекрывающие практически всю фокальную поверхность, кривизна поля создаёт много проблем. В итоге на снимках звёзды получаются чёткими лишь в небольшом центральном участке поля, а чем дальше к краям кадра, тем более расфокусированный вид имеет звёздное поле. Борются с этой проблемой, опять-таки применяя разные внефокальные корректоры. Для телескопов Ньютона функция спрямления поля заложена в современных корректорах комы, а для рефракторов используют специальные корректоры-спрямители – флэтнеры (flatener).

Неоптические искажения

Помимо аберраций присущих оптическим системам в теории, существуют также факторы, негативно влияющие на качество изображения на практике. К сожалению, некоторые из этих факторов оказывают зачастую большее влияние на получаемую картинку, чем незначительные и остаточные аберрации оптики.

Центральное экранирование. Это одна из главных проблем телескопов рефлекторов. Дело в том, что вторичное зеркало, проекция которого в телескопе рефлекторе или катадиоптрике попадая на главное зеркало, экранирует какую-то часть пучка света. Это приводит к тому, что происходит перераспределение энергии в изображении звезды из кружка Эри в дифракционные кольца. Чем больше центральное экранирование системы, тем больше энергии переходит в кольца, соответственно телескоп на порядок хуже справляется с одной из своих основных теоретических задач – созданием точечного изображения звезды в фокальной плоскости.

Конечно же, это также приводит к падению контраста изображения и даже потери разрешающей способности, в особенности при наблюдении тесных двойных звёзд, когда яркое первое дифракционное кольцо может просто скрывать от нас второй компонент в паре.

Центральное экранирование считается либо в процентном соотношении линейных размеров вторичного зеркала к апертуре, либо площади вторичного зеркала к площади апертуры. Давайте представим телескоп, апертура которого 200мм, а диаметр кружка проекции вторичного зеркала составляет 50мм. В таком случае центральное экранирование системы составит 25%, а экранирование главного зеркала по площади около 6%. Будьте осторожны, некоторые производители в спецификациях любят хитро манипулировать этой цифрой, утверждая, что экранирование их телескопов равно, например, 10-12%, не уточняя при этом, что это линейное экранирование, или экранирование по площади апертуры.

Пережатие оптики в оправах. Объектив телескопа, как правило, как-то закреплен или зажат в оправе, степень и сила этого зажатия строго рассчитываемы. В некоторых случаях, между стенкой главного зеркала и крепёжными лапками оправы необходимо строго рассчитать величину щели в несколько десятых, или даже сотых долей миллиметра. Всё это делается для того, чтобы скомпенсировать разницу коэффициентов температурного расширения (КТР) между стеклом и материалом оправы (алюминий, сталь). Если же этого не учитывать, при перепаде температур металлическая оправа может сжаться гораздо сильнее, чем главное зеркало телескопа. Из-за этого зеркало может быть пережатым и, соответственно, на ничтожно малую величину изменить свою форму. Но, так как во время астрономических наблюдений мы стремимся достичь максимального качества изображения, для нас важны изменения поверхности зеркала вплоть до величины нескольких длин волн видимого диапазона света. Проблемы, связанные с пережатием зеркала в оправе, или неправильной его разгрузкой всегда явно заметны на дифракционной картине. Если Вы видите, что расфокусированное изображение звезды имеет не концентричную округлую форму, а вместо этого больше напоминает квадрат, или треугольник, будьте уверены, зеркало Вашего телескопа сильно зажато в оправе.

Что же делать в такой ситуации? В идеале, конечно, лучше обратится в сервисный центр одного из поставщиков астрономического оборудования в Вашем регионе, или магазин, в котором Вы приобрели телескоп. Если по тем или иным причинам, у Вас нет такой возможности, попробуйте отыскать, например, через Интернет, опытных любителей астрономии в Вашем городе и обратиться к ним. Не осознавая всех тонкостей и допусков на установку главного зеркала в оправе, самому лучше не браться за исправление ошибок производителей.

Тепловые потоки внутри трубы. Это явление может приносить довольно много искажений в изображение. Причиной тепловых потоков воздуха в трубе, как правило, являются какие-то ещё не до конца остывшие и термостабилизировавшиеся с окружающей средой элементы. Тепловые потоки проявляет себя очень заметно, искажая концентричность дифракционной картины.

Если труба телескопа металлическая, во время наблюдений холодной зимней ночью можно провести простой и наглядный эксперимент. Просто приложить к трубе тёплую руку и расфокусировать изображение. На дифракционной картине Вы сможете во всей красе увидеть струи тёплого воздуха созданные Вашей рукой и переданные через стенку трубы её внутренней среде.

 

В большинстве случаев подобные проблемы присущи довольно крупным телескопам рефлекторам, 250-300мм зеркало которых требует уже достаточно большого времени на термостабилизацию. Многие производители для ускорения процесса остывания зеркала предусматривают в оправе возможность крепления компьютерного куллера, который сможет обдувать зеркало окружающим трубу воздухом. Обычно, применение активного охлаждения зеркала в несколько раз ускоряет процесс термостабилизации.

Атмосферная турбуленция. Хотя в нашем списке факторов влияющих на качество изображения атмосферная турбуленция находится на последнем месте, к сожалению, её влияние, зачастую может во много раз превосходить влияние огрехов оптики телескопа. Наблюдая в условиях неустойчивой атмосферы и сильной турбуленции, даже самый качественный телескоп не способен будет дать хорошего изображения. Более подробно о проблемах связанных с плохими условиями наблюдений можно ознакомиться в статьях «Искусство визуальных наблюдений», а сейчас мы приводим наглядную иллюстрацию того, как может влиять даже незначительная атмосферная турбуленция на качество изображения небесных объектов и дифракционной картины звезды.

Заключение

Всегда нужно помнить, что тестирование оптики по звёздам требует довольно большого наблюдательного опыта, хороших окуляров позволяющих комфортно наблюдать на большом увеличении и самое главное – превосходных условий наблюдений, которые в большей части широт Украины удаётся достигнуть буквально несколько раз в году. В большинстве же случаев, причиной основных искажений изображения является вовсе не проблема с качеством оптики, а неспокойная атмосфера, неподходящая наблюдательная площадка и неостывшая и не отъюстированная оптика телескопа. Ниже мы приводим небольшой список, в первых пунктах которого указаны наиболее вероятные причины плохого изображения:

• Атмосферная турбуленция

• Локальная турбуленция

• Плохая юстировка

• Аберрации системы

• Тёплые потоки воздуха внутри трубы

• Центральное экранирование

• Светорассеивание на оптических поверхностях и блики

• Аберрации окуляра

Аберрации объективов

© 2013 Vasili-photo.com

Аберрации фотографического объектива – это последнее, о чём стоит думать начинающему фотографу. Они абсолютно не влияют на художественную ценность ваших фотографий, да и на техническое качество снимков их влияние ничтожно. Тем не менее, если вы не знаете, чем занять своё время, прочтение данной статьи поможет вам разобраться в многообразии оптических аберраций и в методах борьбы с ними, что, конечно же, бесценно для настоящего фотоэрудита.

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

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

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

Особняком стоит дифракция, которую хоть и можно отнести к аберрациям объектива, однако в силу её фундаментального характера и принципиальной неустранимости обычно рассматривают отдельно от прочих аберраций.

Монохроматические аберрации

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

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

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

Рассмотрим их по порядку.

Сферическая аберрация

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

Ход световых лучей в идеальной линзе.

Ход лучей при сферической аберрации.

Диафрагмирование объектива заметно уменьшает сферическую аберрацию, поскольку при уменьшении отверстия диафрагмы отсекается часть лучей, проходящая через край линзы, а оставшиеся вблизи оптической оси лучи формируют более резкое изображение.

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

Кома

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

Коматическая аберрация.

Кома бывает заметна по краям кадра при съёмке с широко открытой диафрагмой. Поскольку диафрагмирование уменьшает количество лучей, проходящих через край линзы, оно, как правило, устраняет и коматические аберрации.

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

Астигматизм

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

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

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

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

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

Кривизна поля изображения

Под кривизной поля изображения подразумевают характерное для весьма многих объективов явление, при котором резкое изображение плоского объекта фокусируется объективом не на плоскость, а на некую искривлённую поверхность. Например, у многих широкоугольных объективов наблюдается выраженная кривизна поля изображения, в результате которой края кадра оказываются сфокусированы как бы ближе к наблюдателю, чем центр. У телеобъективов кривизна поля изображения обычно выражена слабо, а у макрообъективов исправляется практически полностью – плоскость идеального фокуса становится действительно плоской.

Кривизна поля изображения.

Кривизну поля принято считать аберрацией, поскольку при фотографировании плоского объекта (тестовой таблицы или кирпичной стены) с фокусировкой по центру кадра, его края неизбежно окажутся не в фокусе, что может быть ошибочно принято за нерезкость объектива. Но в реальной фотографической жизни мы редко сталкиваемся с плоскими объектами – мир вокруг нас трёхмерен, – а потому свойственную широкоугольным объективам кривизну поля я склонен рассматривать скорее как их достоинство, нежели недостаток. Кривизна поля изображения – это то, что позволяет получить одинаково резкими и передний, и задний план одновременно. Посудите сами: центр большинства широкоугольных композиций находится вдалеке, в то время как ближе к углам кадра, а также внизу, располагаются объекты переднего плана. Кривизна поля делает и то, и другое резким, избавляя нас от необходимости закрывать диафрагму сверх меры.

Кривизна поля позволила при фокусировке на дальние деревья получить резкими ещё и глыбы мрамора внизу слева.
Некоторая нерезкость в области неба и на дальних кустах справа меня в этой сцене мало беспокоила.

Следует, однако, помнить, что для объективов с выраженной кривизной поля изображения непригоден способ автоматической фокусировки, при котором вы сперва фокусируетесь на ближнем к вам объекте, используя центральный фокусировочный датчик, а затем перекомпоновываете кадр (см. «Как пользоваться автофокусом»). Поскольку объект при этом переместится из центра кадра на периферию, вы рискуете получить фронт-фокус вследствие кривизны поля. Для идеального фокуса придётся сделать соответствующую поправку.

Дисторсия

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

Выделяют два наиболее распространённых типа дисторсии: подушкообразная и бочкообразная.

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

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

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

	Бочкообразная дисторсия.
	Подушкообразная дисторсия.
	Комплексная дисторсия.

Дисторсия наиболее выражена в зум-объективах, особенно с большой кратностью, но заметна и в объективах с фиксированным фокусным расстоянием. Для широкоугольных объективов характерна преимущественно бочкообразная дисторсия (экстремальный пример такой дисторсии – объективы типа fisheye или «рыбий глаз»), в то время как телеобъективам чаще свойственна подушкообразная дисторсия. Нормальные объективы, как правило, наименее подвержены дисторсии, но полностью исправляется она только в хороших макрообъективах.

Это не Земля закругляется, а обычная бочкообразная дисторсия.

У зум-объективов часто можно наблюдать бочкообразную дисторсию в широкоугольном положении и подушкообразную дисторсию в телеположении при практически свободной от дисторсии середине диапазона фокусных расстояний.

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

В XXI в. дисторсия не является большой проблемой. Практически все RAW-конвертеры и многие графические редакторы позволяют исправлять дисторсию при обработке фотоснимков, а многие современные камеры и вовсе делают это самостоятельно в момент съёмки. Программное исправление дисторсии при наличии надлежащего профиля даёт прекрасные результаты и почти не влияет на резкость изображения.

Хочу также заметить, что на практике исправление дисторсии требуется не так уж часто, ведь дисторсия бывает заметна невооружённым глазом только тогда, когда по краям кадра присутствуют заведомо прямые линии (горизонт, стены зданий, колонны). В сценах же, не имеющих на периферии строго прямолинейных элементов, дисторсия, как правило, совершенно не режет глаз.

Хроматические аберрации

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

В чёрно-белой фотографии хроматические аберрации не так заметны, как в цветной, но, тем не менее, они существенно ухудшают резкость даже чёрно-белого изображения.

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

Хроматизм положения

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

Хроматизм положения.

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

Исправление хроматизма положения.

Объективы, в которых исправлен хроматизм положения, называются ахроматическими. Практически все современные объективы являются ахроматами, так что о хроматизме положения на сегодняшний день можно спокойно забыть.

Хроматизм увеличения

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

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

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

Тем не менее, хроматизм увеличения не является сегодня поводом для беспокойства, поскольку он достаточно легко исправляется программными средствами. Все хорошие RAW-конвертеры в состоянии устранять хроматические аберрации в автоматическом режиме. Кроме того, всё больше цифровых фотоаппаратов снабжаются функцией исправления аберраций при съёмке в формате JPEG. Это означает, что многие объективы, считавшиеся в прошлом посредственными, сегодня с помощью цифровых костылей могут обеспечить вполне приличное качество изображения.

Этот фрагмент фотографии иллюстрирует хроматизм увеличения. Наведите курсор для сравнения с программно исправленым вариантом.

Первичные и вторичные хроматические аберрации

Хроматические аберрации подразделяются на первичные и вторичные.

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

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

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

Сферохроматизм

Сферохроматизм – это единственный заслуживающий упоминания пример хроматической разности геометрических аберраций и проявляется как едва заметное окрашивание зон вне фокуса в крайние цвета вторичного спектра.

Сферохроматизм.

Сферохроматизм возникает из-за того, что сферическая аберрация, о которой говорилось выше, редко бывает в равной степени скорректирована для лучей разного цвета. В результате пятна нерезкости на переднем плане могут иметь лёгкую пурпурную кайму, а на заднем плане – зелёную. Сферохроматизм в наибольшей степени свойственен светосильным длиннофокусным объективам, при съёмке с широко открытой диафрагмой.

О чём стоит беспокоиться?

Беспокоиться не стоит. Обо всём, о чём следовало побеспокоиться, разработчики вашего объектива, скорее всего, уже побеспокоились.

Идеальных объективов не бывает, поскольку исправление одних аберраций ведёт к усилению других, и конструктор объектива, как правило, старается найти разумный компромисс между его характеристиками. Современные зумы и так содержат по двадцать элементов, и не стоит усложнять их сверх меры.

Все криминальные аберрации исправляются разработчиками весьма успешно, а с теми, что остались легко поладить. Если у вашего объектива есть какие-то слабые стороны (а таких объективов – большинство), научитесь обходить их в своей работе. Сферическая аберрация, кома, астигматизм и их хроматические разности уменьшаются при диафрагмировании объектива (см. «Выбор оптимальной диафрагмы»). Дисторсия и хроматизм увеличения устраняются при обработке фотографий. Кривизна поля изображения требует дополнительного внимания при фокусировке, но тоже не смертельна.

Иными словами, вместо того чтобы обвинять оборудование в несовершенстве, фотолюбителю следует скорее начать совершенствоваться самому, досконально изучив свои инструменты и используя их в соответствии с их достоинствами и недостатками.

Спасибо за внимание!

Василий А.

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект, внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

Желаю удачи!

Дата публикации: 15.11.2013

Вернуться к разделу «Матчасть»

Перейти к полному списку статей

Сравнение оптических аберраций | Эдмунд Оптикс

Выявление аберраций | Примеры аберраций

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

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

Оптическая идентификация аберраций

Определение того, какие аберрации присутствуют в оптической системе, не всегда является простой задачей, даже на этапе компьютерного анализа, поскольку обычно в любой данной системе присутствуют две или более аберрации.Разработчики оптики используют различные инструменты для распознавания аберраций и их исправления, часто включая компьютерные точечные диаграммы, волновые веерные диаграммы и лучевые веерные диаграммы. Точечные диаграммы показывают, как одна светящаяся точка будет выглядеть после того, как она будет отображена через систему. Волновые веерные диаграммы — это графики волнового фронта относительно плоского волнового фронта, где идеальная волна была бы плоской вдоль направления x. Диаграммы лучевого веера представляют собой графики зависимости точек лучевого веера от координат зрачка.Следующее меню иллюстрирует типичные диаграммы вееров волн и лучей для тангенциальной (вертикальная, направление y) и сагиттальной (горизонтальная, направление z) плоскостей, где H = 1 для каждой из следующих аберраций: наклон (W ₁₁₁ ), расфокусировка (W ₀₂₀ ), сферической (W ₀₄₀ ), комы (W ₁₃₁ ), астигматизма (W ₂₂₂ ), кривизны поля (W ₂₂₀ ) и искажения (W ₃₁₁ ). Просто выберите интересующую аберрацию, чтобы увидеть каждую иллюстрацию.

Название аберрации (коэффициент волнового фронта):

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

---

Рисунок 1: Образец диска Эйри

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

Уравнение 1 можно использовать для расчета размера пятна диска Эйри (d), где λ — длина волны, используемая в системе, а f / # — f-число системы.

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

ПРИМЕРЫ ОПТИЧЕСКИХ АБЕРРАЦИЙ

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

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

Рисунок 2: Целевой показатель искажений в сети с фиксированной частотой

Рисунок 3: Отрицательный контраст 1951 USAF Целевое разрешение

Рисунок 4: Звездная цель

Наклон — W 111
Рисунок 5a: Представление аберрации наклона	Рисунок 5b: Моделирование аберрации наклона
Характеристика Изображение неправильно увеличено Вызвано наклоном фактического волнового фронта относительно опорного волнового фронта Первый порядок: W 111 = Hρcos (θ)	Корректирующее действие Изменить систему увеличения

Расфокусировка — W 020
Рисунок 6a: Представление аберрации расфокусировки	Рисунок 6b: Моделирование аберрации расфокусировки
Характеристика Изображение в неправильной плоскости изображения вызвано неправильным эталонным изображением Используется для исправления других отклонений Первый порядок: W 020 = ρ 2	Корректирующее действие Система перефокусировки, найти новое эталонное изображение

Сферический — W 040
Рисунок 7a: Представление сферической аберрации	Рисунок 7b: Моделирование сферической аберрации
Характеристика Изображение выглядит размытым, лучи от края фокусируются в другой точке, чем лучи от центра Встречается со всей сферической оптикой Аберрация по оси и вне оси Третий порядок: W 040 = ρ 4	Корректирующее действие

Кома — W 131
Рисунок 8a: Представление аберрации комы	Рисунок 8b: Моделирование аберрации комы
Характеристика Возникает при изменении увеличения в зависимости от местоположения на изображении Два типа: тангенциальный (вертикальный, направление Y) и сагиттальный (горизонтальный, направление X) Только вне оси Третий порядок: W 131 = Hρ 3 ; cos (θ)	Корректирующее действие Используйте двойную линзу с разнесением и ограничителем по центру

Астигматизм — W 222
Рисунок 9a: Представление аберрации астигматизма	Рисунок 9b: Моделирование аберрации астигматизма
Характеристика Вызывает две точки фокусировки: одна в горизонтальном (сагиттальном) направлении, а другая в вертикальном (тангенциальном) направлении Выходной зрачок выглядит эллиптическим вне оси, радиус меньше в одном направлении Только вне оси Третий порядок: W 222 = H 2 ρ 2 cos 2 (θ)	Корректирующее действие Противодействие с расфокусировкой Используйте двойную линзу с разнесением и ограничителем по центру

Кривизна поля — W 220
Рисунок 10a: Представление аберрации кривизны поля	Рисунок 10b: Моделирование аберрации кривизны поля
Характеристика Изображение идеальное, но только на изогнутой плоскости изображения Вызвано распределением питания оптики Только вне оси Третий порядок: W 220 = H 2 ρ 2	Корректирующее действие

Искажение — W 311
Рисунок 11a: Представление аберрации искажения	Рисунок 11b: Моделирование аберрации деформации ствола Рисунок 11c: Моделирование аберрации подушкообразного искажения
Характеристика Ошибка квадратичного увеличения, точки на изображении либо слишком близко, либо слишком далеко от центра Положительное искажение называется бочкообразным искажением, отрицательное — подушкообразным искажением Только вне оси Третий порядок: W 311 = H 3 ρcos (θ)	Корректирующее действие Уменьшено за счет размещения диафрагмы в центре системы

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

---

Артикул

1. Dereniak, Eustace L., and Teresa D. Dereniak. Геометрическая и тригонометрическая оптика . Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2008.

Nikon | Спортивная оптика | Аберрации

Спортивная оптика

Строение и оптические технологии

Бинокли

Nikon получили высокую оценку благодаря своей превосходной оптической системе. Компания Nikon знает, что яркое изображение и четкие детали являются приоритетом для биноклей, и прилагает все усилия для этого.Коррекция аберрации линзы жизненно важна.
Бинокль Nikon предназначен для правильной коррекции аберрации, описанной ниже, для получения наиболее яркого и резкого изображения.

Искажения

Искажение вызвано вариациями увеличения изображения в зависимости от расстояния от оптической оси. Есть два типа искажения: положительное и отрицательное.
Это искажение изображения, независимо от его видимости, увеличивается пропорционально кубу угла падения.

Хроматическая аберрация

Стекло ED и вторичный спектр

Видимый свет состоит из огней различной длины волны. Собрать все эти источники света в одну точку идеально подходит для объективов.
С одной линзой, поскольку свет изгибается так же, как и с призмой, фокусные расстояния источников света с разными длинами волн различаются. В результате не все световые лучи достигают одной и той же точки, что вызывает хроматическую аберрацию.
Ахроматические линзы, изготовленные из обычных стеклянных материалов, могут соответствовать фокусным расстояниям двух разных длин волн.Например, для красного и синего цветов, которые содержат оба конца длин волн видимого света, хроматическая аберрация может быть уменьшена до определенной степени путем согласования их фокусных расстояний. Однако при более подробном рассмотрении, поскольку свет с другими длинами волн, например зеленый, имеет другое фокусное расстояние, возникает остаточная хроматическая аберрация. Эта остаточная хроматическая аберрация известна как вторичный спектр.
Комбинации обычных стекол не могут решить эту проблему вторичного спектра, но необходимы особые оптические материалы, которые обладают уникальными характеристиками дисперсии.
Стекло ED (со сверхнизкой дисперсией) обладает этой уникальной характеристикой и в сочетании с другими стеклами сводит к минимуму влияние вторичного спектра. По сравнению с ахроматическими линзами стекло ED значительно снижает хроматическую аберрацию.

Руководство по спортивной оптике -Бинокли-

---

Основная информация о бинокле

---

Как выбрать бинокль

---

Как пользоваться биноклем

---

Структура и оптические технологии

---

Руководство по спортивной оптике-Зрительные трубы-

Учебник по микроскопии молекулярных выражений: Физика света и цвета — Коматические аберрации

Оптические аберрации

Интерактивные учебные пособия

Коматическая аберрация

Коматические аберрации похожи на сферические аберрации, но они в основном встречаются при внеосевых световых потоках и наиболее серьезны, когда микроскоп не выровнен.Когда возникают эти аберрации, изображение точки фокусируется на последовательно различающихся высотах, образуя серию асимметричных пятен увеличивающегося размера, которые приводят к форме кометы (отсюда и термин кома; рис. 1) узору Эйри.

При инициализации учебного пособия в центре окна апплета появляется наклонный вид безаберрационной трехмерной дифракционной картины Эйри (называемой функцией рассеяния точки) вместе с поперечным сечением рисунка в том виде, в котором он отображается в плоскости изображения. .Слева от паттерна Эйри находится изображение, сформированное микроскопом и ползунком с надписью Off-Axis Distance . В правой части окна апплета находится диаграмма трассировки лучей, на которой показаны изменения размера и положения фокальной точки изображения в зависимости от расстояния вне оси. По мере того, как ползунок медленно перемещается вправо, изображение микроскопа приобретает увеличивающуюся степень коматической аберрации, а форма рисунка Эйри трансформируется в распределение интенсивности, обычно встречающееся при этом типе аберраций.Одновременно на диаграмме трассировки лучей сначала отображаются осевые световые лучи, которые перемещаются к ряду внеосевых фокальных точек, имеющих разное поперечное увеличение.

Кома часто считается наиболее проблемной аберрацией из-за асимметрии изображений. Это также одна из самых простых аберраций для демонстрации. В яркий солнечный день используйте увеличительное стекло, чтобы сфокусировать изображение солнца на тротуаре, и слегка наклоните стекло по отношению к основным солнечным лучам.Изображение Солнца при проецировании на бетон затем вырастает в кометоподобную форму, которая характерна для коматической аберрации.

Четкая форма, отображаемая изображениями с коматической аберрацией, является результатом различий в преломлении световых лучей, проходящих через различные зоны линзы при увеличении угла падения. Тяжесть коматической аберрации зависит от формы тонкой линзы, которая в крайнем случае заставляет меридиональные лучи, проходящие через периферию линзы, попадать в плоскость изображения ближе к оси, чем лучи, проходящие ближе к оси и ближе к главной оси. луч (см. рисунок 1).В этом случае периферийные лучи дают наименьшее изображение (наименьшее увеличение; Рисунок 1), а знак аберрации комы считается отрицательным . Напротив, когда периферийные лучи фокусируются дальше по оси и создают гораздо большее изображение (большее увеличение; рис. 1), аберрация называется положительной . Форма «кометы» может иметь «хвост», направленный к центру поля зрения или в сторону, в зависимости от того, имеет ли коматическая аберрация положительное или отрицательное значение.

Когда ползунок Off-Axis Distance перемещается в крайнее правое положение, диаграмма трассировки лучей в учебном пособии показывает несколько наклонных траекторий световых лучей, представляющих те лучи, которые участвуют в аберрации. Внеосевые световые лучи часто интерферируют друг с другом около фокальной плоскости, создавая искаженные изображения, видимые в микроскоп. Точка изображения, созданная коматической аберрацией (см. Апплет), на самом деле представляет собой сложную трехмерную асимметричную дифракционную картину, которая отличается от классической картины Эйри.Образуется удлиненная структура, состоящая из дуг и эллипсоидальных напряжений, которые лишь отдаленно напоминают диск-кольцо, из которого возникла функция рассеяния точки.

Тяжесть комы, как и сферической аберрации, сильно зависит от формы хрусталика. Линза с сильно вогнутым положительным мениском будет демонстрировать значительную отрицательную коматическую аберрацию, тогда как плосковыпуклые и двояковыпуклые линзы вызывают кому, варьирующуюся от слегка отрицательной до нулевой.Объекты, отображаемые через выпуклую сторону плосковыпуклой линзы или линзу с выпуклым мениском, будут иметь положительную кому.

Кома может быть исправлена ​​с помощью комбинации линз, расположенных симметрично относительно центрального упора. Для полного устранения комы необходимо выполнить условие синуса Аббе :

d ‘x n (sinb’) = d x n (sinb ‘)

, где d ‘ и d — это расстояния от оптической оси в пространстве изображения ( простые значения ) и пространстве объекта, n — показатель преломления, а b — угол обзора.Система линз, такая как конденсор микроскопа или объектив, в которой отсутствует коматическая аберрация, обозначается как апланатический . Все факторы, способные увеличить сферическую аберрацию, также особенно важны для комы.

Соавторы

Х. Эрнст Келлер — Carl Zeiss Inc., One Zeiss Dr., Thornwood, NY, 10594.

Кеннет Р. Спринг — научный консультант, Ласби, Мэриленд, 20657.

Джон К. Лонг и Майкл В. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Ист. Пол Дирак, доктор философии, Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.

---

НАЗАД К ОПТИЧЕСКИМ АБЕРРАЦИЯМ

НАЗАД К ОБЪЕКТАМ И ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКЕ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

© 1998-2021, автор — Майкл В.Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.

Этот веб-сайт поддерживается командой

Graphics & Web Programming Team
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.

Последнее изменение: вторник, 17 мая 2016 г., 13:48

Счетчик доступа с 30 августа 2000 г .: 60384

Для получения дополнительной информации о производителях микроскопов

используйте кнопки ниже для перехода на их веб-сайты:

Практическое руководство по аберрациям линз и тесту аберрации одинокого пятнышка — одинокое пятнышко

В этой статье я рассмотрю одну из наиболее распространенных проблем, влияющих на конструкцию линз наших фотоаппаратов: аберрации.

Я надеюсь дать вам практические знания об общих технических проблемах конструкции линз и о том, как они на самом деле влияют на ваши фотографии. Прежде всего, эта статья предназначена для того, чтобы помочь вам понять один аспект того, почему один объектив дает более качественные и точные фотографии, чем другой. Это особенно полезные знания при выборе оборудования для использования даже в базовой астрофотографии.

Это своего рода статья для наблюдателей за пикселями: вы можете пройти всю свою карьеру фотографа и никогда не узнать об аберрациях объектива, и все будет в порядке.Но если вам нравится идея понять тонкости работы объектива и то, как это влияет на ваши фотографии, эта статья для вас.

Чтение пресс-релиза об объективах, недавно анонсированных Sigma, даст вам представление о том, что окружает мир оптики:

«Sigma 24-35mm f / 2 DG HSM Art включает в себя асферические линзы большого диаметра… одно стекло с низкой дисперсией и семь элементов из специального стекла с низкой дисперсией, два из которых являются асферическими линзами.Усовершенствованная оптика и оптимизированное распределение оптической силы линз сводят к минимуму сферическую аберрацию, осевую хроматическую аберрацию и кривизну поля, что обеспечивает выдающиеся оптические характеристики ».

Так чем же хвастается Сигма? Когда мы слышим, что в объективе «минимизирована сферическая аберрация» и используется «стекло с низкой дисперсией», следует ли нам вообще беспокоиться?

Давайте потратим некоторое время на изучение аберраций объектива и оптических проблем, которыми любят хвастаться дизайнеры объективов, чтобы мы могли лучше понять, как они на самом деле влияют на наши фотографии, особенно в астрофотографии.

Я приложил все усилия, чтобы быть точным и фактическим в своих объяснениях аберраций объектива, чтобы дать фотографам практический набор знаний. Я не претендую на звание эксперта по дизайну линз или оптике и надеюсь, что эта статья не слишком углубляется в технические аспекты. Ладно, приступим!

Аберрация — это просто недостаток в способе фокусировки света линзой. Существует ряд различных классификаций аберраций, и они влияют на такие вещи, как резкость, цвет, фокус, увеличение и искажение на ваших фотографиях.

С точки зрения дизайнера линз, аберрации являются основной проблемой при конструировании линз. Практически полностью наличие аберраций ограничивает характеристики объектива с точки зрения точного воспроизведения изображения. В идеале дизайнер линз хочет, чтобы белая точка света всегда выглядела как белая точка света, независимо от ее положения в кадре. Но так получается не всегда, особенно при использовании светосильных широкоугольных объективов, таких как объективы, которые я больше всего рекомендую для съемки пейзажной астрофотографии.

В астрофотографии наш объект, как правило, представляет собой точечные источники света (звезды) на очень контрастном темном фоне (пространстве), поэтому наличие аберраций линз может казаться более распространенным в астрофотографиях, чем в других типах фотографии.

Объектив с заметной аберрацией сильно исказит форму звезд, особенно по направлению к внешним краям кадра. Один из первых объективов, которые я использовал для создания астрофотографий, Canon EF 28mm f / 1.8 USM (Amazon / B&H) имеет особенно плохие аберрации при использовании с самым низким диафрагменным числом, и проблема очень очевидна на его фотографиях звезд. На приведенном ниже образце фотографии Млечного Пути вы можете увидеть, как звезды в углах изображения растягиваются и искажаются в результате аберраций объектива, присутствующих в Canon EF 28mm f / 1.8 USM.

Canon EF 28mm f / 1.8 USM Aberrations

Хроматическая аберрация и монохроматическая аберрация — два основных типа аберраций.

Хроматические аберрации — это недостатки того, как линза рассеивает свет разных цветов, подобно тому, как призма разделяет свет на радугу.Монохроматические аберрации — это проблема, с которой объектив фокусирует свет одного цвета.

Практически каждый объектив, который я когда-либо использовал, демонстрирует некоторую степень хроматической и монохроматической аберрации при использовании для астрофотографии, особенно когда объектив используется широко открытым, при самом низком значении диафрагмы. Обычно аберрации более распространены на объективах с низким диафрагменным числом. В большинстве случаев аберрацию можно уменьшить, остановив объектив до более высокого диафрагменного числа. Это наиболее неудобно для астрофотографии, потому что более низкие значения диафрагмы имеют тенденцию собирать больше света от тусклых звезд.Выбор объектива или установка диафрагменного числа для астрофотографии часто является балансирующим действием между получением достаточного количества света для экспозиции с низким диафрагменным числом и уменьшением эффекта аберрации за счет более высокого диафрагменного числа.

Для большинства видов фотографии аберрации, как правило, смягчают изображение, особенно в углах кадра. Самые резкие линзы обычно имеют низкий уровень аберраций. Производители линз обычно идут на все, чтобы создать линзу с минимально возможным количеством видимых аберраций, обычно за счет добавления в их конструкцию корректирующих линз.

Дизайнер линз обычно добавляет элементы особой формы для устранения определенной аберрации. Иногда внесение одной коррекции может привести к другой аберрации, поэтому дизайн линз может стать чрезвычайно сложным, когда дизайнеры продолжают добавлять корректирующие элементы, чтобы попытаться обуздать наличие аберраций, вносимых другими.

Объектив Zeiss Otus 55mm f / 1.4 состоит из 12 элементов в 10 группах (через zeiss.com)

Прекрасным примером хорошо скорректированного объектива является чудовищный Zeiss Otus 55mm f / 1.4 (Amazon / B&H). Это, пожалуй, один из самых резких полнокадровых объективов из когда-либо созданных (dpreview.com), а в результате сложной конструкции объектива он также является одним из крупнейших стандартных объективов, когда-либо созданных для полнокадровых зеркальных фотокамер. Итак, когда Zeiss хвастается наличием 12 элементов в 10 группах в 55-миллиметровом Otus, они говорят о том, сколько дополнительных корректирующих линз было добавлено для достижения улучшенных характеристик. Сравните это число с гораздо более дешевым объективом Canon 50mm f / 1.8 STM (Amazon / B&H), в котором всего 6 элементов в 5 группах, и мы увидим, что Zeiss потребовалось вдвое больше кусков стекла, чтобы создать свой лучший дизайн.Увеличение количества элементов объектива не означает, что объектив будет лучше, но это дает нам некоторое представление о том, насколько сильно дизайнер объективов пытался обуздать аберрации.

Теперь давайте рассмотрим два основных типа аберраций, как некоторые из них выглядят для точечных источников света (например, звезды), и некоторые реальные примеры каждого из них.

Хроматическая аберрация — это проблема рассеивания, из-за которой белый свет разделяется на соответствующие ему цвета радуги.

Большинство объективов довольно хорошо корректируются для хроматической аберрации, но нередко, особенно с светосильными объективами, все еще видны небольшие признаки хроматической аберрации, особенно в углах изображения, особенно при фотографировании очень высококонтрастных объектов, таких как ветви деревьев, на фоне яркого света. белое небо.

Галактический центр Млечного Пути, снятый объективом Rokinon 12mm f / 2 NCS CS. Хотя Rokinon 12mm f / 2 является объективом с относительно низкой аберрацией, он все же имеет некоторые видимые хроматические аберрации.

В астрофотографии хроматическая аберрация часто проявляется как цветной край на одной стороне звезды. Производители линз часто используют комбинацию линз различной формы с низкой и высокой дисперсией для коррекции хроматических аберраций. Тем не менее, многие современные объективы по-прежнему часто показывают фиолетовые или зеленые блики в высококонтрастных областях изображения.На изображении выше из моего обзора Rokinon 12mm f / 2 вы можете увидеть очень отчетливые фиолетовые края с одной стороны всех переэкспонированных светлых участков и небольшое количество зеленого на противоположной стороне — прекрасный пример боковой хроматической аберрации.

Инструменты коррекции хроматической аберрации Adobe Lightroom в Lens Corrections Color Tab

Лично я не трачу много времени, пытаясь исправить хроматическую аберрацию при постобработке, поскольку обычно это не наносит вреда фотографии в целом.В тех случаях, когда это отвлекает, в Adobe Lightroom и Adobe Camera Raw есть полезные и простые в использовании инструменты коррекции хроматической аберрации.

Все следующие типы аберраций являются формами монохроматических аберраций. Опять же, монохроматические аберрации — это проблема того, как линза фокусирует свет одного цвета.

Сферическая аберрация

Сферическая аберрация заставляет точечные источники света показывать мягкие симметричные ореолы.

Проблема возникает из-за использования линз сферической формы с разным фокусным расстоянием при разном диаметре диафрагмы.Световые лучи, проходящие через край апертуры линзы, фокусируются на другом расстоянии, чем световые лучи, проходящие через центр апертуры линзы. Хотя это по-прежнему позволяет объективу создавать четкую круглую звезду, сферическая аберрация имеет тенденцию снижать общий контраст изображения по всему кадру. В отличие от большинства других аберраций, которые наиболее заметны по краям изображения, сферические аберрации по-прежнему будут заметны в центральных частях изображения.

Млечный Путь был снят на объектив Rokinon 24mm f / 1.4 Rokinon 24mm f / 1.4 демонстрирует небольшую сферическую аберрацию при f / 1.4

. Большинство объективов довольно хорошо скорректированы для сферической аберрации, особенно из-за обычного использования асферических элементов объектива для коррекции сферической аберрации. Один случай, когда я столкнулся с небольшой сферической аберрацией, на самом деле связан с моим любимым объективом для астрофотографии: Rokinon 24mm f / 1.4 (полный обзор), несмотря на использование в нем асферических элементов. Широко открытый объектив с диафрагмой f / 1,4 показывает отчетливые ореолы вокруг ярких звезд в центре изображения.Ореолы исчезают при остановке примерно от f / 1,7 до f / 2,0. В целом, небольшая сферическая аберрация не так вредна для астрофотографии, как некоторые другие аберрации, потому что звезды, как правило, все еще выглядят круглыми, а добавленный «туманный» вид на самом деле подчеркивает цвета звезд, аналогично тому, как вы бы смотрели получить, если вы использовали противотуманный фильтр.

Comatic Aberration

Коматическая аберрация или просто «Кома» названа в честь кометоподобной формы точечных источников света.

Кома возникает, когда свет от одного источника, попадающий на край линзы, не проецируется такого же размера, как свет, попадающий в центр линзы. По этой причине это становится более заметным при точечных источниках света на краю кадра и при низких значениях диафрагмы. Кома является обычным явлением для светосильных объективов (с большой диафрагмой или малым диафрагменным числом), но ее также можно уменьшить, остановив объектив до более высокого диафрагменного числа. Многие аберрации линз, которые искажают форму источников света, таких как звезды, часто считаются комой, но иногда объяснение более сложное.Самый простой способ распознать чистую кому — это ее кометоподобная форма.

Галактический центр Млечного Пути, снятый на объектив Voigtländer 50mm f / 1.1 Nokton при f / 1.1. Voigtländer 50mm f / 1.1 Nokton демонстрирует сильную внутреннюю кому при f / 1.1.

Кома может возникать в любом из двух направлений. Когда хвосты направлены в сторону от центра изображения, это называется «внешняя кома», а противоположное — «внутренняя кома». Voigtländer 50mm f / 1.1 Nokton (Amazon / B&H) является примером того, как производитель объективов решил, что скорость важнее коррекции аберраций.В центре кадра видна тяжелая внутренняя кома. Он переходит в комбинацию внутренней комы и сагиттального астигматизма по краю кадра. Большинство серьезных аберраций на 50mm f / 1.1 Nokton уменьшаются после остановки как минимум до f / 2,8.

Тангенциальный и сагиттальный астигматизм

При астигматизме точечные источники света на краю кадра кажутся вытянутыми в линию.

Астигматизм может возникать в двух направлениях в зависимости от направления распространения света относительно оптической оси, проходящей вдоль центра линзы.На графике выше белый треугольник внизу каждого кадра указывает направление к центру изображения. Тангенциальный астигматизм распространяет точечные источники света линиями, которые, кажется, исходят из центра изображения, тогда как сагиттальный астигматизм распространяет точечные источники света, как если бы они вращались вокруг центра изображения. Астигматизм, по-видимому, является одной из самых сложных аберраций, которые дизайнеры линз могут полностью исправить.

Галактический центр Млечного Пути, снятый на объектив Fujinon 23mm f / 1.4Сагиттальный астигматизм Fujinon 23mm f / 1.4 R в крайних углах изображения при f / 1.4

По моему опыту, астигматизм, безусловно, является одной из самых распространенных аберраций, которые я наблюдаю даже в дорогих объективах. Fujifilm 23mm f / 1.4R (Amazon / B&H), в остальном очень хороший объектив, демонстрирует заметный сагиттальный астигматизм в крайних углах при f / 1.4. Астигматизм исчезает при остановке на f / 2.0.

Искажения

Искажение возникает, когда объектив проецирует изображения разного размера в разных точках кадра.

Это может происходить в любом направлении, где изображение на краю кадра кажется меньше, чем изображение в центре (отрицательное или бочкообразное искажение), или когда изображение на краю кадра кажется больше, чем изображение в центре ( положительное, прямолинейное или подушкообразное искажение). Объектив типа «рыбий глаз» — прекрасный пример объектива с экстремальным уровнем отрицательных искажений.

Rokinon 8mm f / 2.8 Fisheye II, Fujifilm X-T1, Valley of Fire State Park, Невада

Искажения могут быть особенно заметны при фотографировании объектов, которые вы ожидаете получить прямо.Ярким примером этого является фотография выше, сделанная с помощью объектива «рыбий глаз» Rokinon 8mm f / 2.8 II (Amazon / B&H). Направив камеру вверх, объектив сильно исказил горизонт и дорогу, на которой я стоял.

Некоторые объективы могут отображать комбинацию как положительного, так и отрицательного искажения, называемого искажением усов, из-за волнистого характера искажения прямых линий. Rokinon 14mm f / 2.8 (полный обзор) — объектив с выраженным искажением усов.

Что касается практических эффектов на астрофотографиях, искажение не является большой проблемой, но в случае с такими объективами, как Rokinon 14mm f / 2.8, которые имеют отвлекающие искажения, эффект обычно можно исправить при постобработке в Adobe Lightroom или Adobe Camera Raw с профилем объектива (загрузчик профиля объектива Adobe). Что касается линз типа «рыбий глаз», мне нравится «не искажать» их с помощью метода «дефишинга».

Кривизна поля

Кривизна поля — это когда линза не фокусирует свет на идеально плоскую плоскость, а вместо этого фокусируется на воображаемой изогнутой поверхности.

Поскольку сенсор большинства камер плоский, это приведет к изменению фокуса по всему изображению.Кривизна поля обычно выглядит так, как будто края кадра не в фокусе, в то время как центр находится в фокусе, и наоборот. Кривизна поля на самом деле является чертой, которая использовалась для художественного эффекта в новых объективах, таких как Lomography Petzval Lens (B&H), которые, как известно, создают «закрученное боке» из-за сочетания выраженного виньетирования и кривизны поля. Я обнаружил, что кривизна поля наиболее распространена в старых конструкциях линз. Обычно этого не происходит с более современными объективами.

Полувихревое боке из-за кривизны поля.Voigtländer 40mm f / 1.4 Nokton S.C.

Я лично не использовал современный объектив Petzval, но мой 40-миллиметровый Voigtländer (Amazon / B&H) имеет небольшую кривизну поля, которую можно увидеть на портрете Дианы выше. Фоновые источники света в центре изображения больше не в фокусе, чем источники света по краям изображения, что является хорошим индикатором кривизны поля.

Виньетирование

Виньетирование приводит к тому, что края кадра выглядят темнее, чем в центре изображения.Это особенно характерно для светосильных объективов (с низким диафрагменным числом). Мне лично нравится немного виньетирования для художественного эффекта, но это означает, что объектив собирает меньше света, чем это технически предполагается.

Края этой фотографии темнее из-за выраженного виньетирования с объективом Voigtländer 15mm f / 4.5 Heliar III.

Поскольку виньетирование изменяет внешний вид общей яркости изображения, оно особенно пагубно для видеопроизводства, когда может потребоваться согласование яркости одного кадра с другим кадром, и по этой причине кинообъективы часто классифицируют свои линзы с помощью Т-ступеней вместо F. -стопы, которые учитывают «прозрачность» объектива.Объективы с одинаковым Т-стопом должны давать изображения с одинаковой яркостью. Виньетирование чаще всего встречается при низких значениях диафрагмы и широкоугольных объективах. Если вы хотите устранить виньетирование, остановка объектива на более высокое значение f / (меньшая диафрагма) обычно снижает эффект.

Вспышка

Блики возникают в результате внутреннего отражения в объективе.

Невозможно полностью устранить отражения от полированных стеклянных поверхностей, поэтому, когда яркий свет попадает в объектив, он может отражаться и образовывать блики на изображении.При астрофотографии блики редко становятся проблемой, поскольку на астрофотографиях нечасто можно увидеть очень яркие источники света. Единственный случай, когда на астрофотографии может возникнуть вспышка, — это при съемке с луной в кадре.

Луна — один из немногих источников света, достаточно ярких, чтобы вызывать вспышку на астрофотографиях.

Производители линз обычно наносят на поверхность линз несколько очень тонких слоев фторида магния или других специальных материалов. Каждый слой фторида магния помогает устранить отражения света определенной длины или цвета.Большинство современных линз имеют эти линзы с «многослойным покрытием», чтобы попытаться уменьшить появление бликов, но все же можно найти линзы без элементов с многослойным покрытием.

Блик Voigtländer 40mm f / 1.4 Nokton S.C.

Voigtländer 40mm f / 1.4 Nokton S.C. (Amazon / B&H) — это объектив с одинарным покрытием, который специально разработан для получения большего количества бликов, чем его аналог с многослойным покрытием (Amazon / B&H). Этот объектив популярен специально для использования в фотографии, где фотограф хочет получать изображения с меньшей контрастностью.Этот объектив особенно хорошо зарекомендовал себя в сообществе черно-белой фотографии из-за того, что он создает малоконтрастные детали в тенях, особенно в условиях яркого контрового света. У меня был объектив Voigtländer 40mm Nokton S.C., и я обнаружил, что его характерные блики довольно эстетичны, особенно для портретов.

Большинство аберраций преобладает при низких значениях диафрагмы (широкая диафрагма). Таким образом, для фотографа самый простой способ минимизировать наличие аберраций — это установить объектив на более высокое диафрагменное число.

В соответствии с моими примерами до сих пор, большинство объективов, у которых есть проблемы с аберрацией, как правило, показывают большие улучшения, когда диафрагма объектива закрывается на один или два шага от широко открытой. Например, если ваш объектив показывает плохую аберрацию при f / 1,4, попробуйте остановиться на f / 2,0 или f / 2,8, чтобы попытаться уменьшить эффект. Остановка объектива на более высокое диафрагменное число уменьшит общий свет, собираемый камерой, но также улучшит резкость и скроет аберрации.

Для астрофотографии аберрации могут быть отвлекающим элементом фотографии.Я обычно оцениваю качество объектива для астрофотографии по его аберрационным характеристикам при низких значениях диафрагмы.

Я работал над простым методом проверки всех моих будущих объективов на их характеристики аберрации. Я хотел сделать тест достаточно простым для понимания и предоставить хорошее визуальное представление и критерии успеха для оценки характеристик аберрации объектива. Цель теста — позволить фотографам понять, как один объектив работает по сравнению с другим, и помочь определить порог настройки диафрагмы (f / число), при превышении которого объектив работает приемлемо.

Сейчас мне нравится тестировать свои объективы, используя их для фотографии в реальном мире, поэтому изначально я думал, что могу просто провести свои тесты, снимая звезды каждым объективом, а затем показывая результаты. Но это представляет большую изменчивость, связанную со световым загрязнением, лунным циклом и изменениями ночного неба в течение календарного года. Вместо этого для теста на аберрацию я решил сделать простую тестовую таблицу для экрана моего компьютера (.zip). Это просто черное изображение с квадратной сеткой из 360 белых точек.Его можно использовать на ЖК-экранах с разрешением не менее 1440 на 900 пикселей или выше.

Сфотографировав это изображение на экране компьютера с объективом с разной диафрагмой, можно увидеть и измерить аберрационные характеристики объектива с этими настройками диафрагмы. Каждый объектив проверяется путем создания фотографии перпендикулярно экрану таким образом, чтобы экран занимал верхний правый квадрант изображения. Пока мы разумно согласны с кадрированием, размер изображения точек должен быть примерно того же размера относительно размера датчика, независимо от используемого объектива или системы камеры, что дает нам хороший способ сравнить формы аберраций один объектив к другому и в нескольких системах.В качестве примера у меня есть образцы, сделанные с помощью объектива Canon EF 50mm f / 1.8 STM, который можно использовать как с полнокадровой камерой, так и с камерой APS-C. Собираются два набора данных: по одному на каждую апертуру, обрамленную полнокадровым датчиком, и другой набор, созданный на датчике APS-C (или в режиме кадрирования APS-C). При тестировании с датчиком другого размера, например с датчиками Micro 4/3 ″ или 1 ″, проверка будет выполняться идентично.

Пример полнокадрового теста на аберрацию — объектив Canon EF 50mm f / 1.8 STM Пример теста на аберрацию APS-C — Canon EF 50mm f / 1.8 Объектив СТМ

Ключ общих аберраций

Одна из замечательных особенностей этого теста заключается в том, что он позволяет нам очень очевидно увидеть, какой вид аберрации производит объектив. Я сделал ключ из наших наиболее распространенных аберраций, чтобы помочь нам определить аберрацию. В реальной жизни мы часто сталкиваемся с немного разными формами (или их комбинацией), но этот ключ довольно хорошо отражает формы чистой аберрации, как я уже описывал ранее в этой статье.

Тест аберрации одинокого пятнышка

Мне нужен был способ количественного сравнения характеристик линз, поэтому я подумал о создании простой шкалы для измерения аберрации: измерение ширины аберрации — в Adobe Photoshop есть простой инструмент измерения — в самой длинной точке (в пикселях) и сравнение этого измерения в процентах от высоты изображения (4000 пикселей в случае Sony a7II).

Так, например, если размер аберрации составляет 62 пикселя в ширину, результирующий уровень аберрации будет: (62/4000) * 100%, что составляет приблизительно 1,5%.

Исходя из моего тестирования того, как мне нравится использовать свои линзы, уровень аберрации 0,4% или меньше считается «отличным», менее 1% — «приемлемым», а уровень аберрации 1% или выше считается «плохим». представление. Это своего рода грубый и произвольный масштаб, но он дает нам возможность сравнивать объективы практически с любой системой камеры.Углы APS-C, которые в любом случае имеют тенденцию показывать более низкие уровни аберраций, всегда измеряются относительно высоты кадра APS-C. Если бы тест проводился на еще меньших камерах, таких как Micro 4/3 или 1 ″, они были бы измерены относительно высоты соответствующих изображений. Для некоторой наглядности: размеры каждого квадратного кадра в приведенном ниже тесте составляют ровно 2 мм на 2 мм при измерении на датчике полнокадровой камеры и 1,33 мм при измерении на датчике APS-C.

В этом примере используется Canon EF 50mm f / 1.8 STM (Amazon / B&H), объектив показывает очень низкую производительность при f / 1,8 в углу полнокадрового изображения с уровнем аберрации 1,5%, но достигает очень хорошего уровня 0,5% при f / 2,8, что согласуется с как я привык использовать объектив для астрофотографии. Мы также можем видеть по форме аберрации, что линза имеет сложную смесь комы на краю APS-C, которая переходит в отчетливый сагиттальный астигматизм по всему краю кадра.

Обычно такие результаты обычно хорошо соответствуют резкости объектива.В случае 50mm f / 1.8 STM он, как правило, дает изображения с меньшей резкостью при f / 1.8 и становится намного резче при f / 2.8 — в соответствии с нашим тестом.

Canon EF 50mm f / 1.8 STM Aberration Test @ f / 1.8 Canon EF 50mm f / 1.8 STM Aberration Test @ f / 2 Canon EF 50mm f / 1.8 STM Aberration Test @ f / 2.8

Теперь некоторые технические примечания: этот тест не идеален .

Некоторые объективы, особенно с плавающими элементами объектива (обычно зум-объективы и объективы с внутренними механизмами фокусировки), не всегда точно воспроизводят аберрации при разных положениях фокусировки.Поскольку мы фотографируем экран компьютера рядом с камерой, а не звезды на бесконечности, возможно, что некоторые объективы могут показывать другие реальные характеристики по сравнению с результатами моего теста. Тем не менее, по моему опыту, формы аберраций, как правило, достаточно репрезентативны для того, что вы должны ожидать от объектива, даже в моих тестах с объективами, в которых используются плавающие линзы. Я сделаю примечание, что всегда нужно сравнивать результаты тестов с реальными результатами, чтобы убедиться, что нет явных различий.

Вот как выглядит кадрирование с Canon EF 50mm f / 1.8 STM при съемке настоящих звезд в полнокадровом режиме. Формы аберраций очень похожи на то, что показал тест выше.

Звезды с Canon EF 50mm f / 1.8 STM @ f / 1.8 100% Crop of Stars с Canon EF 50mm f / 1.8 STM @ f / 1.8

Наличие аберраций может особенно отвлекать на астрофотографиях. Мой тест представляет собой простой стандартный способ сравнения аберрационных характеристик линз, надеюсь, без излишних технических подробностей.Я считаю, что это хороший стандартный тест, который может оказаться полезным для поиска объективов с особенно хорошими характеристиками для астрофотографии.

Теперь этот метод тестирования является лишь одним из показателей качества объектива (есть и другие вещи, такие как фактические измерения резкости, качество сборки и т. Д.). Хотя я считаю, что это отличный тест для оценки характеристик объектива для использования с астрофотографией, определенно имейте в виду, что даже объективы, которые «не прошли» тест на аберрацию при определенных значениях диафрагмы, могут быть отличными в противном случае.Хотя я бы не стал использовать Canon 50mm f / 1.8 STM при f / 1.8 для астрофотографии, он отлично подходит для других приложений, таких как портреты, с этой настройкой. Этот тест дает мне понять, что если я хочу найти наилучший компромисс между сбором света и характеристиками аберрации для астрофотографии, я должен установить объектив как минимум до f / 2,8. Чтобы узнать больше о том, как мне выбирать объективы для астрофотографии, ознакомьтесь с моей статьей о том, как выбрать объектив для фотографии Млечного Пути.

Я планирую проводить все свои будущие обзоры объективов через тест Lonely Speck Aberration Test, чтобы, надеюсь, стать отличным способом сравнения выбранных объективов для использования в астрофотографии.Если у вас есть объектив, который вы хотите протестировать с помощью этого метода, чтобы сравнить с моими результатами, загрузите тестовую таблицу (.zip) и попробуйте провести тот же тест на своем оборудовании. Если хотите, сообщите мне свои результаты, и я добавлю их в текущую таблицу тестов линз.

Я надеюсь, что эта статья дала вам практический и, надеюсь, не слишком технический набор знаний об аберрациях объектива, о том, как они влияют на ваши фотографии, и простой способ проверить характеристики вашего объектива. Об оптике можно узнать гораздо больше.Для более подробного чтения о конструкции линз и аберрациях ознакомьтесь с некоторыми из моих ресурсов: Википедия: оптическая аберрация, статья Роджера Чикала о семи смертельных аберрациях на LensRentals и, наконец, Astronomical Files for Black Oak Observatory. Этот пост был бы невозможен без их обмена знаниями об оптических аберрациях.

Надеюсь, вам понравилась эта статья. Если вы хотите узнать больше о фотографировании Млечного Пути, ознакомьтесь с остальными уроками Астрофотографии 101 или сразу переходите к разделу «Как фотографировать Млечный Путь».

Мы являемся участником программы Amazon Services LLC Associates, партнерской рекламной программы, разработанной для того, чтобы мы могли получать вознаграждение за счет ссылок на Amazon.com и связанные с ней сайты. Мы также являемся участником Партнерской программы B&H, которая также позволяет нам зарабатывать комиссионные, переходя по ссылке на bhphotovideo.com.

Изучение астрофотографии

Astrophotography 101 абсолютно бесплатна для всех. Все уроки доступны на странице Lonely Speck Astrophotography 101, к которой вы можете получить доступ в любое время.Введите свой адрес электронной почты, и всякий раз, когда мы опубликуем новый урок, вы получите его в своем почтовом ящике. Мы не будем отправлять вам спам, и ваша электронная почта останется в безопасности. Кроме того, обновления будут рассылаться только периодически, обычно реже одного раза в неделю.

Помогите нам помочь вам!

Хотите верьте, хотите нет, но Одинокая Спек — моя постоянная работа. Для нас было потрясающим опытом видеть, как сообщество изучает астрофотографию, и мы очень рады быть его небольшой частью. Я узнал, что когда вы просите о помощи, происходят удивительные вещи, поэтому помните, что мы всегда здесь для вас.Если у вас есть какие-либо вопросы о фотографии или вы просто хотите поделиться историей, свяжитесь с нами! Если вы найдете статьи здесь полезными, подумайте о том, чтобы помочь нам сделать пожертвование.

Пожертвовать

Большое спасибо за участие в нашем приключении в астрофотографии.

— Ян

Назад к астрофотографии 101

Связанные

Что такое аберрации глаза?

На человеческий глаз может воздействовать ряд аберраций, которые могут снизить качество изображений на сетчатке и общее зрительное восприятие.Исследования показали, что возраст, в частности, увеличивает вероятность развития аберраций более высокого порядка.

Что такое аберрации глаза?

Аберрации, описываемые как небольшие оптические неоднородности, представляют собой дефекты глаза, которые приводят к тому, что свет не может эффективно фокусироваться на сетчатке, а также к дефектам визуального изображения. Есть два типа аберраций; аберрации низшего порядка (0, 1 и 2 порядок) и аберрации высшего порядка (3, 4…).

Аберрации высшего порядка

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

Аберрации комы

Коматозные аберрации возникают, когда световые лучи с одного края зрачка фокусируются раньше, чем с противоположного края. Визуально люди с таким типом аберрации могут испытывать смазывание изображения, так что изображение может казаться имеющим хвост, как у кометы.

Аберрации трилистника

Трилистник, классифицируемый как аберрация третьего порядка, оказывает меньшее влияние на качество изображения по сравнению с такой же степенью комы.

Сферические аберрации

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

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

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

Аберрации низшего порядка

Аберрации низшего порядка включают астигматизм, положительный дефокус (миопия) и отрицательный дефокус (дальнозоркость).

Астигматизм

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

Астигматизм. Кредит изображения: Slave SPB / Shutterstock

Близорукость

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

дальнозоркость

Дальнозоркость или дальнозоркость противоположны миопии. Люди с этим заболеванием могут ясно видеть объекты на расстоянии, но не могут ясно видеть объекты на расстоянии. Это, как правило, влияет на людей старше 40 лет, однако может повлиять на людей всех возрастов.

Дальнозоркость. Кредит изображения: Slave SPB / Shutterstock

Как обнаруживаются аберрации?

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

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

Варианты лечения аберраций

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

Дополнительная литература

| Аберрации Зейделя третьего порядка

При выводе предыдущих уравнений для объекта, изображения и фокусных расстояний предполагалось, что n1θ1 = n2θ2. Однако закон Снеллиуса точен; включение более высоких порядков синусоидального разложения приводит к небольшому изменению предсказаний теории первого порядка. Добавление следующего ненулевого члена дает приближение:

sin θ = θ — θ³ / 3!

Первичные аберрации третьего порядка при монохроматическом освещении — это сферическая форма, кома, астигматизм, кривизна поля и искажение.Сферическая аберрация зависит от фокусного расстояния, диафрагмы, формы и положения объекта. Как правило, простая положительная линза страдает от недостаточно скорректированной сферической аберрации, когда внеосевые лучи фокусируются ближе к линзе, чем параксиальные лучи, как показано ниже.

Недокорректированная сферическая аберрация в положительном синглете

Кома — это изменение увеличения внеосевых лучей, вызванное преломлением световых лучей, когда они пересекают различные точки на сферической поверхности.В результате комы точка объекта размывается до конусообразного изображения, как показано на следующей диаграмме.

Эффекты комы для внеосевой точки объекта

Астигматизм также ухудшает изображение внеосевых точек объекта. Конус лучей из точки вне оси попадает в линзу асимметрично, создавая изображения в двух разных фокальных плоскостях. Изображение меняется от сагиттального (радиального) до тангенциального, в зависимости от фокального положения плоскости изображения. Полученные линейные изображения перпендикулярны друг другу, как показано ниже.

Последствия астигматизма

Кривизна поля — это дефект изображения, из-за которого точки внеосевого изображения фокусируются в разных фокальных плоскостях, чем аксиальная точка изображения. Большинство позитивных линз демонстрируют кривизну поля «внутрь», то есть изображение внеосевой точки не соответствует идеальной плоскости изображения, вызывая состояние расфокусировки на краю изображения, когда линза резко сфокусирована. на оси. Кривизна поля присуща каждой оптической системе, но, поскольку она связана с кривизной поверхности и показателем преломления, она может быть минимизирована конструкцией линзы.

Кривизна поля

Последняя аберрация Зейделя — искажение. Искажение — это неспособность объектива точно отображать прямолинейные объекты. Хотя это деформирует изображение, это не меняет положение фокуса. Полученное изображение показано ниже.

Искажения

Предыдущее обсуждение предполагало монохроматическое освещение. При полихроматическом освещении необходимо также учитывать эффекты рассеивания. Дисперсия — это изменение показателя преломления в зависимости от длины волны.Он равен nλ1 — nλ2, где λ1 и λ2 — длины волн, для которых выражена дисперсия.

Для большинства приложений используются материалы видимого спектра; n-значение, или число Аббе, выражает соотношение между дисперсией и преломляющей способностью материала. Это определяется как:

, где n _d — ₁ — относительная преломляющая способность, а n _F -n _C — мера дисперсии (n _d = показатель преломления при 587.6нм; n _F = показатель преломления при 486,1 нм; n _C = показатель преломления при 656,3 нм). Типичные кривые дисперсии для различных оптических стекол показаны на рисунке ниже. Это демонстрирует скорость изменения показателей преломления в зависимости от длины волны.

Кривые дисперсии

Следует отметить, что если вторичный спектр становится важным фактором в производительности, как в приложениях, зависящих от цвета, то частичные дисперсии становятся все более важными.Частичная дисперсия — это мера скорости изменения наклона кривой, связывающей индекс с длиной волны, и выражается следующим соотношением:

Примером этого эффекта является разделение белого света на его спектральные составляющие с помощью призмы.

Так как индекс меняется в зависимости от длины волны, угол преломления тоже должен меняться. В результате падающий белый свет, состоящий из волн различной длины, не может сфокусироваться на общей точке; хроматическая аберрация будет возникать даже с «идеальным» объективом.Параксиальный осевой цвет, также известный как продольная хроматическая аберрация, относится к изменению фокусного расстояния линзы в зависимости от длины волны. Для той же простой положительной линзы более короткие длины волн образуют более короткие фокусные расстояния.

Продольная хроматическая аберрация

Эффекты хроматических аберраций можно уменьшить, используя исправленную дуплетную линзу, состоящую из одного положительного и одного отрицательного элемента из разных материалов, выбранных для минимизации общей аберрации.Такие ахроматы обычно корректируются для двух длин волн и демонстрируют меньшие хроматические аберрации для промежуточных длин волн по сравнению с простым объективом.

Сферическая аберрация и кома с асферической и сферической интраокулярной линзой в нормальных глазах соответствующего возраста

Цель: Изучить оптические аберрации в глазах, перенесших операцию катаракты без осложнений и имплантацию в сумке асферической интраокулярной линзы (ИОЛ) Tecnis Z9000 (AMO) или сферической ИОЛ CeeOn Edge 911 (Pharmacia) и сравнить результаты с результатами в группе факичные глаза того же возраста.

Параметр: Офтальмологическое отделение, Больница и Университет Вероны, Верона, Италия.

Материалы: Три группы по 30 пациентов (30 глаз) в каждой были обследованы с помощью топографа / аберрометра Topcon KR-9000PW. Сферическая аберрация и кома детально проанализированы для 4.Оптическая зона 0 мм. Внутренние значения были получены путем вычитания аберраций роговицы из аберраций глаза. Для оптического качества учитывались функция рассеяния точки и функция передачи модуляции (ФПМ).

Полученные результаты: Средняя внутренняя сферическая аберрация Z (4) (0) составила -0,048 мкм +/- 0,017 (SD) в группе Tecnis, +0,033 +/- 0,026 мкм в группе 911 Edge (P <.001) и -0,013 +/- 0,056 мкм в факичной группе (P = 0,149). Средняя внутренняя вертикальная кома Z (3) (- 1) составляла 0,087 +/- 0,056 мкм, 0,054 +/- 0,043 мкм (P = 0,005) и 0,044 +/- 0,044 мкм (P <0,001), соответственно. Внутренняя горизонтальная кома Z (3) (+ 1) показала аналогичную картину; однако общая результирующая кома была аналогичной в 3 группах. Среднее отношение Штреля составляло 0,284 +/- 0,166 в группе Tecnis, 0,145 +/- 0,077 в группе 911 Edge (P <0,01) и 0,164 +/- 0,097 в группе факичных (P <.01). Кривая MTF была лучше в группе Tecnis (P <0,001).

Выводы: После имплантации без осложнений асферическая ИОЛ показала лучшие результаты по аберрации глаза и оптическому качеству, чем сферическая ИОЛ. Индуцированная кома была несколько выше в группе Tecnis; однако на общие результаты это не повлияло. Физиологическая децентрация ИОЛ после правильной имплантации в пакете не отменяет преимуществ асферичности.

.

No related posts.