Аберрация линз: Аберрация оптической системы – характеристика и основные виды

Содержание

Аберрация оптической системы – характеристика и основные виды

Аберрация оптической системы – это искажения изображений, которые возникают на выходе из оптической системы. Название происходит от лат. aberratio — уклонение, удаление. Искажения состоят в том, что оптические изображения не полностью соответствуют предмету. Это проявляется в размытости изображения и называется монохроматической геометрической аберрацией либо окрашенности изображения — хроматической аберрацией оптической системы. Чаще всего оба вида аберрации проявляются вместе.
В приосевой (параксиальной) области оптическая система работает практически идеально, точка отображается точкой, а прямая — прямой и т.д. Однако, по мере отдаления точки от оптической оси, лучи от нее пересекаются в плоскости изображения не в одной точке. Таким образом, возникает круг рассеивания, т.е. возникают аберрации.
Величину аберрации можно определить путем расчёта по геометрическим и оптическим формулам через сравнение координат лучей, а также приближённо при помощи формул теории аберраций.

Существует описание явления аберрации как в лучевой теории (отступление от идентичности описывается через геометрические аберрации и фигуры рассеяния лучей), так и в представлениях волновой оптики (оценивается деформация сферической световой волны по пути через оптическую систему). Обычно, для характеристики объектива с большими аберрациями используются геометрические аберрации, в противном случае применяются представления волновой оптики.

Монохроматические геометрические аберрации

В 1856 году немецкий ученый Зайдель в результате анализа световых лучей установил пять аберраций объектива, появляющихся при прохождении через объектив монохромного света (т.е. света одной волны). Эти аберрации, описанные ниже, называются пятью аберрациями Зайделя. Монохроматические геометрические аберрации оптических систем являются следствием их несовершенства и проявляются в монохроматичном свете. В отличие от идеальной оптической системы, в которой все лучи от какой-либо точки предмета в меридиональной плоскости после прохождения через систему концентрируются в одной точке, в реальной оптической системе пересечение плоскости изображения этими лучами происходит в разных точках. Координаты этих точек зависят от направления луча, координат точки пересечения с плоскостью входного зрачка и конструктивных элементов оптической системы (радиусы поверхностей, толщина оптических элементов, коэффициенты преломления линз и тд.).

Сферическая аберрация

Проявляется в несовпадении фокусов для лучей света, проходящих на разных расстояниях от оптической оси, вследствие чего нарушается гомоцентричность пучков лучей от точечного источника, хотя симметрия этих пучков сохраняется. Это единственный вид геометрической аберрации, которая имеет место даже тогда, когда исходная точка расположена на главной оптической оси системы. При сферической аберрации цилиндрический пучок лучей после преломления линзой приобретает вид не конуса, а воронкообразной фигуры. Изображение точки имеет дисковую форму с неоднородной освещённостью. Причиной является тот факт, что преломляющие поверхности линз пересекаются с лучами широкого пучка под различными углами, из-за чего удалённые лучи преломляются сильнее и образуют свои точки схода на некотором отдалении от фокальной плоскости.

Кома

Аберрация Кома нарушает гомоцентричность широких световых пучков, которые входят в систему под углом к оптической оси. На оси центрированных оптических систем кома отсутствует. Каждый участок кольцевой зоны оптической системы, удалённый от оси на расстояние R даёт кольцо изображения точки, радиус которого увеличивается с увеличением R. Из-за несовпадения центров колец происходит их наложение, что приводит к тому, что изображение точки, формируемое оптической системой, принимает форму несимметричного пятна рассеяния с максимальной освещённостью у вершины фигуры рассеяния, напоминающего комету. В сложных оптических системах кому корректируют вместе со сферической аберрацией путем подбора линз. Системы без коматической и сферической аберрации называют апланатами.

Астигматизм

Если для объектива исправлены сферическая аберрация и кома, т.е. точка объекта, расположенная на оптической оси, правильно воспроизводится в виде точки изображения, но при этом точка объекта, не лежащая на оси, воспроизводится на изображении не в виде точки, а в виде эллипса или линии, то такой тип аберрации называется астигматизмом. Причиной возникновения является различная кривизна оптической поверхности в различных плоскостях сечения, а углы преломления лучей пучка зависят от углов их падения.  При прохождении через оптическую систему лучи пересекаются на разном расстоянии от преломляющей поверхности. В результате в разных сечениях фокус светового пучка оказывается в разных точках.
Существует такое положение на поверхности изображения, когда все лучи пучка в меридиональной (или перпендикулярной ей сагиттальной) плоскости пересекутся на этой поверхности. Астигматический пучок изображает точку в форме двух астигматических фокальных линий на фокальных поверхностях, имеющих форму поверхностей вращения, и касающихся друг друга в точке оси системы. Если для некоторой точки поля положения этих поверхностей не совпадают, имеет место астигматизм или астигматическую разность меридионального и сагиттального фокусов. Астигматизм называют положительным, если меридиональные фокусы находятся ближе к поверхности преломления, чем сагиттальные, в противном случае — отрицательным.

Кривизна поля изображения

Проявляется в том, что изображение плоского (перпендикулярного к оптической оси) объекта находится на поверхности, вогнутой либо выпуклой по отношению к объективу, что делает резкость неравномерной по полю изображения. При резкой фокусировке центральной части изображения края будут лежать не в фокусе (не резкими) и наоборот. Кривизна поля изображения, как правило, достигает больших значений у простых объективов (до 4 линз). Корректируется подбором кривизны поверхностей и толщины линз, а также расстояний между ними. Для качественного исправления, с учетом других видов аберраций, необходимо присутствие в составе не менее двух отрицательных линз. При диафрагмировании отрицательное влияние кривизны поля на качество изображения уменьшается.

Дисторсия

Дисторсией (искривлением) является изменение линейного увеличения по полю зрения, что приводит к нарушению геометрического подобия между объектом и его изображением. Этот вид аберрации не зависит от координат пересечения луча и плоскости входного зрачка, но зависит от расстояния от источника до оптической оси. Оптическая система без дисторсии называется ортоскопической. В объективах с симметричной конструкцией проявляется незначительно. Для устранения дисторсии применяют подбор линз и других элементов при разработке оптической системы. В цифровой фотографии дисторсия может быть исправлена с помощью компьютерной обработки.

Хроматические аберрации

Излучение большинства источников света характеризуется сложным спектральным составом, что приводит к возникновению хроматических аберраций, которые, в отличие от геометрических, могут возникать и в параксиальной области. Дисперсия (рассеивание) света – зависимость показателя преломления оптического элемента от длины волны света, является причиной возникновения двух видов хроматических аберраций: хроматизма положения фокусов и хроматизма увеличения. В первом случае, который еще называют продольным хроматизмом, возникает смещение плоскости изображения для разных длин волн, во втором — изменяется поперечное увеличение. Хроматические аберрации проявляются в окрашивании изображения, в появлении у него цветных контуров, отсутствующих у источника. К хроматическим аберрациям относят также хроматические разности геометрических аберраций, в частности, хроматическую разность сферических аберраций (сферохроматизм) для лучей различных длин волн и хроматическую разность аберраций наклонных пучков.

Дифракционная аберрация

Причиной дифракционной аберрации является волновая природа света. Возникает, как результат дифракции света на диафрагме и оправе объектива. Препятствует увеличению разрешающей способности фотообъектива. Из-за дифракционной аберрации ограничено минимальное угловое расстояние между точками, разрешаемое объективом. Высококачественные объективы подвержены ей в той же степени, что и простые. Полностью принципиально не устранима, однако может быть уменьшена путем увеличения апертуры оптической системы.

Устранить аберрации полностью в оптических системах невозможно. Важно свести их к минимально допустимым значениям, которые обусловлены техническими требованиями и стоимостью изготовления системы.

Автор: FC,
05.10.2014 г.

Лабораторная работа № 4. 17. Изучение аберраций линз

Цель работы: ознакомление с явлением искажения изображения в линзах (аберрациями) и определение сферической аберрации, астигматизма и хроматической аберрации положительной линзы.

Оборудование: оптическая скамья, осветитель с сеткой, исследуемая линза, набор круглых диафрагм, набор светофильтров, матовый экран. Осветитель с сеткой, линза и экран устанавливаются в рейтерах на оптической скамье. Осветитель с сеткой снабжён оправой для установки светофильтров. Рекомендуемый размер сетки 60 х 60 мм с расстояниями между штрихами 10 мм.

  1. Основные понятия и определения

В оптике существует понятие об идеальной оптической системе. Такая система должна удовлетворять следующим трём условиям Максвелла:

1) гомоцентрический пучок после прохождения оптической системы остаётся гомоцентрическим;

2) изображение плоского предмета в идеальной оптической системе остаётся по форме подобным предмету;

3) изображение плоскости, перпендикулярной оптической оси, является плоскостью, перпендикулярной оптической оси.

Все реальные линзы и оптические системы дают изображения, имеющие отклонения от закона подобия: точка, прямая, плоскости изображаются в виде пятна, кривой, неплоской поверхности. Кроме того, стёкла обладают дисперсией (показатели преломления линз для света с различной длиной волны различны), вследствие чего изображения разного цвета не совпадают между собой по величине и положению, создавая окрашенность изображения. Все эти отступления реального изображения от идеального называются аберрациями. Аберрации оптических систем разделяются на монохроматические и хроматические.

Монохроматические аберрации – это искажение изображений, возникающие для лучей строго определённой длины волны.

Хроматические аберрации – появление окрашенности изображений, возникающие из-за того, что лучи разных длин волн, могут проходить оптическую систему разными путями.

5

4

3

2

1

1

2

3

4

5

h

M

M

M/

M/

F

5/

4/

3/

2/

5//

3//

fD/

s/

δ s/

Рис. 3.1. Схема сферической хроматической абберации

Монохроматическими аберрациями являются сферическая аберрация (продольная и поперечная), кома, астигматизм, кривизна поля, дисторсия.

К хроматическим аберрациям относятся продольная хроматическая аберрация и хроматическая разность увеличений.

Пучок, лучи которого расходятся из одного общего центра – светящейся точки, — называется гомоцентрическим расходящимся. Ему соответствует сферическая волновая поверхность. Если же лучи направлены к одному общему центру, то пучок называется гомоцентрическим сходящимся.

Сферической аберрацией называется нарушение гомоцентричности пучков, прошедших через оптическую систему без нарушения симметрии этих пучков.

Пусть пучок лучей, параллельных оптической оси, падает на собирательную линзу. Согласно законам идеальной оптической системы, такой пучок должен после преломления в линзе сойтись в её втором главном фокусе F, являющемся изображением бесконечно удалённой точки на оси слева.

В реальных оптических системах, состоящих из линз, ограниченных сферическими поверхностями, этим законам следуют только параксиальные лучи, близкие к оптической оси и образующие с ней малые углы.

На рисунке 3.1 такими лучами будут только лучи 1-1. Лучи 2-2, 3-3, 4-4 и 5-5 сходятся после преломления в тонкой линзе соответственно в точках 2′, 3′, 4′ и 5′. Это показывает, что плоская волновая поверхность ММ после преломления в линзе превращается в симметричную поверхность М’М’, имеющую постепенно изменяющуюся вдоль оптической оси двоякую кривизну. Центрами кривизны элементов этой поверхности будут точки 2», 3»,4», 5» (2», 3», 4», 5» – точки пересечения лучей 2-1, 3-2, 4-3, 5-4 соответственно. Эти точки являются центрами кривизны соответствующих участков поверхности М’М’), а также точки на оптической оси 2′, 3′,4′, 5′ и F’ для параксиальных лучей 1-1. Множество этих точек образует поверхность, называемую каустической. В данном случае получаются две каустические поверхности – эволюта поверхности М’М’ (точки 2», 3», 4» и 5») и прямая линия (точки 2′, 3′, 4′, 5′ и F’).

В отсутствие сферической аберрации каустическая поверхность превращается в точку F’. Следовательно, главный фокус F’ для широких пучков лучей не имеет определённого положения на оптической оси, вследствие сферической аберрации. Мера продольной сферической аберрации δs’ – это разность отрезков от центра линзы до изображения, даваемых широкими и параксиальными пучками. В данном случае

δs’ = s’ — f ‘D, (3.1)

где fD – фокусное расстояние линзы для волны длиной λ D (жёлтой линии натрия),

s – расстояние от центра линзы до точки, в которой определяется сферическая аберрация.

В данной работе рассматриваются тонкие линзы. П

A//1

C//

A//2

δ r/

A//

C/

A/

Рис. 3.2. Схема возникновения астигматизма в

собирающей линзе

оскольку сферическая аберрация отсчитывается вдоль оптической оси, отрезок δs называется продольной сферической аберрацией.

Для собирающих линз, в частности для линзы, изображённой на рисунке 3.1, продольная сферическая аберрация будет отрицательной. Как видно из того же рисунка, отрезок δs тем больше, чем дальше от оптической оси расположены входящие в линзу лучи. Откладывая по оси ординат высоту входящего пучка h, а по оси абсцисс — δs, можно получить графическую характеристику продольной сферической аберрации линзы.

Для ослабления сферической аберрации в оптические системы вводятся диафрагмы, ограничивающие пучки световых лучей. Следует указать, что слишком сильное ограничение светового пучка в свою очередь ухудшает изображение. Вследствие дифракции точки изображения увеличиваются в размерах, что ухудшает их резкость. При этом возрастает глубина резкости.

Глубина резкости Δs’ оценивается отрезком вдоль оптической оси, на протяжении которого изображение предмета кажется наблюдателю достаточно резким.

Аберрация, называемая астигматизмом, возникает, если линза имеет неодинаковую кривизну в некоторых двух сечениях. В этом случае изображение точки предмета не будет лежать в одной плоскости. Астигматизм возникает не только вследствие несферичности поверхности линз, но и при косом падении лучей на правильную линзу.

Преломленный в линзе пучок косых световых лучей превращается в астигматический пучок, имеющий двоякую кривизну, и благодаря этому плоскости изображения вертикальных и горизонтальных линий предмета оказываются разделёнными в пространстве. На рисунке 3.2 показан элементарный астигматический пучок лучей. Все лучи, лежащие в вертикальных – меридиональных плоскостях этого пучка, пересекаются по линии А’А», все лучи, лежащие в горизонтальных – сагиттальных плоскостях, пересекутся по линии А’1А»1. Радиусами кривизны для элементарного астигматического пучка лучей, очевидно, будут расстояния ОС’ = r’ и ОС» = . Величина

δr’ = r» — r’ (3.2)

называется астигматической разностью.

Наблюдая изображение вертикальных и горизонтальных линий изображения, например сетки, при различных поворотах линзы, можно найти астигматические разности для косых пучков лучей.

Комой называется асимметрия пучка лучей, испускаемых точечным источником, находящимся вне главной оптической оси; эти лучи после преломления не собираются в одну точку, а располагаются в плоскости изображения несимметрично относительно главного пучка (проходящего через центр входного зрачка оптической системы). В результате изображения точек получаются в виде размытых пятен.

Д исторсия – искажения плоских фигур (рисунок 3) вследствие непостоянства линейного увеличения в разных точках плоскости изображений. На рисунке 3(а) показан предмет (в виде сетки), на рисунке 3 (б) – его изображение с бочкообразной дисторсией, на рисунке (в) – изображение с подушкообразной дисторсией.

Кривизна поля выражается в том, что плоские предметы изображаются системой в виде искривлённых неплоских изображений.

Хроматические аберрации приводят к тому, что в белом (или вообще немонохроматическом) свете изображение всегда окрашено, особенно по краям, где видна яркая цветная каёмка.

Зависимость второго фокусного расстояния линзы f от радиусов её преломляющих поверхностей r1и r2 и показателя преломления п выражается формулой

. (3.3)

Показатель преломления п является функцией длины волны λ. Поэтому фокусное расстояние f (а также f ) будет различно для различных волн. В соответствии с этим и положение изображения предмета будет различно для различных длин волн.

Обычно фокусные расстояния оптических систем рассчитываются для какой-либо одной длины волны в зависимости от назначения оптической системы, например для жёлтой линии натрия, обозначаемой λD (λD = 586 нм), для приборов, работающих при дневном свете или свете ламп накаливания.

В данной работе рассматривается продольная хроматическая аберрация, которая характеризуется разностью между положением второго главного фокуса для различных длин волн ( fλ) и для жёлтой линии натрия (f D):

ds’ = f ‘λ – f ‘D. (3.4)

Оптика-Центр

Аберрациями глаза называются различного типа искажения изображения, формируемого на сетчатке глаза. Хорошо известными примерами аберраций являются миопия (близорукость), гиперметропия (дальнозоркость) и астигматизм,С этими аберрациями обычно имеют дело при исследовании рефракции в кабинете врача-офтальмолога, и их величина определяет, главным образом, качество нашего зрения без применения средств коррекции зрения.

Однако даже при полной коррекции указанных аберраций зрение может оставаться неудовлетворительным.Существуют и другие аберрации которые влияю назрение в очках. Очки  могут обладать одновременно несколькими видами аберраций. Перечисленные ниже аберрации называют геометрическими. Идеальный глаз (без аберраций) должен собирать пучок параллельных лучей света в точку на сетчатке глаза.Реальный глаз не является идеальной оптической системой, и у него имеется ряд аберраций, которые ухудшают качество изображения.

Линзы, способные собирать свет, исходящий из точечного источника света и формировать точечное изображение, совершенствуются. Но, к сожалению, любой линзе присущи оптические искажения (аберрации), которые Зейдель (Seidel) классифицировал по этим пяти типам.

Аберрации оптических систем

Аберрации оптических систем (от латинского aberratio – отклонение) – искажения, ошибки, или погрешности изображений, формируемых оптическими системами (очками, контактными линзами). Причина их возникновения в то, что луч отклоняется от того направления, по которому в близкой к идеалу оптической системе он должен был бы идти. Различные нарушения гомоцентричности (отчетливости, соответствия или окрашенности) в структуре выходящих из оптической системы пучков лучей характеризуют аберрации. Аберрации оптических систем проявляются в том, что оптические изображения не вполне отчётливы, не точно соответствуют объектам или оказываются окрашенными. Наиболее распространены след, виды :

  • Сферическая аберрация — недостаток изображения, при к-ром испущенные одной точкой объекта световые лучи, прошедшие вблизи оптической оси системы, и лучи, прошедшие через отдалённые от оси части системы, не собираются в одну точку. К примеру

 

лучи света, попадающие на края  линз положительных рефраций, преломляются сильнее, чем лучи вблизи от оптической оси. Поэтому лучи по краям линзы не собираются в фокусе. Это явление в геометрической оптике называется сферической аберрацией.В периферийных зонах очковых линз глаз воспринимает «разброс» рефракций и отклонение от определенной рефракции линзы (сферическая аберрация). Теми, кто носит очки, это воспринимается как нечеткость изображения. 

 

  • Кома — аберрация, возникающая при косом прохождении световых лучей через оптическую систему( из-за наклонного положения линзы). . Кома-абреррация дает изображение, похожее на комету. Кома-аберрация характеризуется тем, что изображение сдвигается тем дальше, чем больший угол наклона имеют лучи 

  

  • Дисторсия – это такая аберрация, при которой изменяется форма объекта  , причем для положительных и отрицательных линз изображения квадрата будут различными

 

 К Аберрации оптических систем , относится также кривизна поля изображения.

  • Кривизна поля изображения: несовпадение положения фокусов в центре и на периферии.

При использовании линз с аберрацией кривизны поля, изображение плоских объектов уже не будет лежать в одной плоскости. Т.е. изображение плоской поверхности искривляется и перестает быть плоским (см. рисунок). Когда мы смотрим через периферическую зону линзы, благодаря вращению глазного яблока изображение идеально плоского объекта,удаленного на бесконечность, находится на сферической поверхности, центром которой является центр вращения глазного яблока. В очковых линзах отклонение точек изображения на эту сферическую поверхность часто принимают за ошибку оптической силы вдоль зрительной линии, проходящей через периферию линзы, а не за кривизну поля изображения. Асферические и прогрессивные линзы контролируют аберрации кривизны поля изображения.

  • Астигматизм косых пучков: разница в положении фокальных точек.

Если при прохождении оптической системы  световая волна деформируется так, что пучки лучей, исходящих из одной точки объекта, не пересекаются в одной точке, а располагаются в двух взаимно перпендикулярных отрезках на некотором расстоянии друг от друга, то такие пучки наз. астигматическими, а сама эта аберрация — астигматизмом. 

  • Астигматизм косых лучей (пучков) происходит, когда объект изображается линзой вне оптической оси.Точка изображается не как точка, а как изображение двух линий.

  

Если точка, находящаяся вне оптической оси, рассматривается через сферическую линзу, то в результате косо направленного пучка света возникает астигматизм. В этом случае точка будет восприниматься не как точка, а как черта (отрезок).

Подобное искажение изображения, называемое в геометрической оптике астигматизмом косых пучков, серьезно влияет на качество изображения очковой линзы. При взгляде в сторону через очковую линзу возникает искажение изображений (астигматическая аберрация). Аберрации тем больше, чем больше значение рефракции очковой линзы. 

Астигматизм косых пучков может быть минимизирован с помощью асферических и аторических поверхностей, то есть отдаленных от классической формы сферы. 

В линзах с этим типом аберраций свет, проходящий через линзу в стороне от оптической оси, не фокусируется в одной точке. В таком случае, в зависимости от расстояния от линзы, изображения точки приобретают форму эллипса, круга или отрезка. Отметим, что астигматическая линза – это линза, которая преднамеренно формирует положение фокальных линий, но это не является астигматической аберрацией. Астигматические линзы предназначены для коррекции астигматизма, и их название не означает наличия в них астигматических аберраций. Астигматические аберрации очковых линз – это аберрации, возникающие при определенных условиях, когда взгляд проходит через периферические зоны линз большой оптической силы Асферические и прогрессивные линзы контролируют аберрации астигматизма косых пучков.

Недостатки линз — Оптика

Распространение приближенной теории линз на случаи, где ею пользоваться не следует, приводит к расхождению между опытом и теорией. Такие расхождения несправедливо называют недостатками линз.

Это прежде всего хроматическая (цветная) аберрация т. е. фокусировка в разных точках лучей разного цвета. Причина ясна: показатель преломления зависит от длины волны. Поэтому изображение белых предметов оказывается окрашенным (см. рис. 5.15, где сплошными линиями показан ход красных (длинноволновых) лучей, пунктиром — синих (коротковолновых)): на экране Э1 получается красное изображение, окруженное синим венчиком; на экране Э2 синее изображение окружено красным ореолом. Борьба с хроматической аберрацией сложна, так как изменение формы преломляющей поверхности не может уничтожить хроматическую аберрацию; поэтому приходится пользоваться системой линз, сделанных из стекол с разной дисперсией и разной мерой дисперсии (ахроматические линзы).

Другой недостаток, наблюдающийся при освещении линзы широким пучком света,— сферическая аберрация (рис. 5.16, а). Так как края линзы преломляют сильнее, чем ее середина (см. рис. 5.16, б, где для наглядности линза сопоставлена с призмами, соответствующими ее средней и крайней частям), то изображение светящейся точки S получается нечетким. Борьба с этим явлением проще: можно поставить достаточно узкую диафрагму (см. рис. 5,16, а).

Рис. 5.16

Рис. 5.17

Но, конечно, при этом уменьшится освещенность. Другой способ борьбы — переход от сферических поверхностей к поверхностям более сложной формы — применяется в высококачественных дорогих оптических приборах.

Наконец, заслуживает упоминания недостаток, особенно ярко проявляющийся при освещении линзы пучками, идущими под большими углами к главной оптической оси (косые пучки). При этом оказывается, что фокусные расстояния для лучей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях отличаются друг от друга. Так, при отображении проволочной решетки, поставленной косо (относительно оптической оси линзы), при одном положении экрана наблюдаются изображения только вертикальных, при другом — только горизонтальных проволок. Эта неточечность (астигматизм) также может быть устранена усложнением формы преломляющей поверхности.

Существует еще ряд искажений, вносимых линзой, если она работает в условиях, отличных от требований нашей весьма упрощенной теории.

Помимо ослабления влияния сферической аберрации, диафрагмирование позволяет получать четкие изображения точек, лежащих на разных расстояниях от линзы. На рисунке 5.17 показан ход лучей от двух светящихся точек S1 и S2. При использовании светового конуса, опирающегося на линзу, одно из изображений может быть получено точечным, но другое окажется размытым. Если же сильно сузить пучок при помощи диафрагмы D, то оба изображения в одной и той же плоскости Э получаются достаточно близкими к точечным. Расстояние между двумя крайними точками (в пространстве предметов), отображаемыми удовлетворительно, носит название «глубина резкости». Очевидно, она существенно зависит от степени диафрагмирования — этим отчасти и объясняется широкое распространение диафрагм в фотографических аппаратах.

Рис. 5.18

Для характеристики изображения, создаваемого линзой, кроме его положения, определяемого уравнением (5.13), существенно также задание размера изображения (увеличения).

Как видно из построения (рис. 5.18), поперечное увеличение

(5.15)

отрицательный знак означает перевернутость изображения. Доказательство того, что предмет, перпендикулярный оси, отображается также перпендикулярно оси, предоставляется читателю.

Иногда вводят также продольное увеличение

связывающее небольшое смещение изображения с вызвавшим его перемещением предмета. Для его нахождения продифференцируем уравнение (5.13) по f1:

Тогда получится:

Отсюда следует, что наименьшее расстояние между предметом и экраном, при котором возможно получение действительного изображения, есть

причем увеличение получится равным единице.

Узнайте много нового о линзах от офтальмолога | Материал линз с высоким индексом преломления MR™

Урок №1Число Аббе: число, определяющее комфорт обзора при ношении очков

Когда свет проходит через линзу (призму), он рассеивается на составляющие спектральные цвета по причине зависимости индексов преломления от длины волны. Мы иногда замечаем это явление как цветную окантовку (хроматическую аберрацию) синего или красного цвета в поле обзора, видимого через линзу. Аберрация особенно заметна в периферических областях линзы, где больший угол падения приводит к большей дисперсии.
Число Аббе указывает на степень рассеивания света. Более высокие числа Аббе означают более низкую дисперсию, пониженную хроматическую аберрацию и более высокое качество обзора.

Цветовая окантовка приводит к размытости изображения

Обычно число Аббе ниже в материалах для пластиковых линз с более высокими индексами преломления. Это означает, что перед окулистами стоит непростой выбор: выбрать линзы с более высоким индексом преломления для уменьшения толщины, что приведет к более явной хроматической аберрации.
Но этого выбора можно полностью избежать, выбирая материалы с высоким ИП и числом Аббе, такие как MR-8™. Это позволяет создавать тонкие линзы без риска возникновения хроматической аберрации.

Соотношение между индексами преломления и числами Аббе материалов линз для очков
MR-8™ Поликарбонат Акрил ADC Кронстекло
Индекс преломления (ne) 1.60 1.59 1.60 1.50 1.52
число Аббе (νe) 41 28~30 32 58 59
Высокий ИП и высокое число Аббе Высокий ИП, но низкое число Аббе Низкий ИП, но высокое число Аббе
Индекс преломления (ne) число Аббе (νe)
MR-8™ 1.60 41 Высокий ИП и высокое число Аббе
Поликарбонат 1.59 28~30 Высокий ИП, но низкое число Аббе
Акрил 1.60 32
ADC 1.50 58 Низкий ИП, но высокое число Аббе
Кронстекло 1.52 59

*ADC: аллилдигликолькарбонат


Урок №2Выбор линз с учетом силы

Чтобы линзы для очков оставались в идеальном состоянии как можно дольше, необходимо сосредоточиться на прочности линз. Слово «прочность», как оно используется здесь, относится к общему сопротивлению деформации и поломке и охватывает широкий спектр различных свойств, таких как стойкость к растрескиванию или износостойкость. Это означает, что нужно хорошо понимать разницу свойств различных материалов для линз.

Выбор основан на устойчивости к растрескиванию

Чтобы измерить устойчивость к трещинам, в дополнение к простой прочности объекта нужно понимать, что такое «ударная вязкость».
Под ударной вязкостью понимают сопротивление поломке при воздействии удара или давления. Мы также можем сослаться на прочность материала. Например, в то время как фарфор и стекло имеют определенную прочность и сопротивляются деформации, ни один из этих материалов не является особо прочным: оба могут потрескаться и на них могут появиться сколы.
В случае пластиковых линз ударная вязкость различна для разных пластиковых материалов. Линзы со средним ИП и акриловые линзы имеют относительно низкую ударную вязкость и склонны к поломкам. Напротив, тиоуретановые материалы MR™ не только обладают высокой ударопрочностью, но и высокой ударной вязкостью. Материал с большей вероятностью деформируется без поломки при применении силы, а не трескается или скалывается.

Линза со средним индексом преломления / акриловая линзаЛинза MR™

Выбор основан на износостойкости или сопротивлении царапинам

Даже если линза устойчива к растрескиванию, она не будет идеальной для длительного использования, если она не устойчива к царапинам. Тиоуретановый материал часто достигает лучших результатов сцепления с покрытием, что позволяет использовать его в суровых условиях, в том числе при высоких температурах. Покрытие повышает устойчивость к трещинам, даже когда линза царапается о поверхность.

физики решили оптическую проблему 2000-летней давности

Пользователи фотоаппаратов знают, что ближе к краям даже на очень хорошем объективе фотографии могут страдать от существенного снижения резкости. Всё дело в законах оптики — ещё древнегреческий математик Диокл в своей работе «О зажигательных зеркалах» сформулировал проблему, которую человечество не могло полностью преодолеть более двух тысяч лет.

Дело в том, что линзы сделаны из сферических поверхностей и чем дальше световые лучи отклоняются от оптической оси линзы или падают на неё под углом, тем сильнее не совпадает фокус таких лучей из-за разницы в преломлении света. В результате центр получаемой картинки получается резче, чем края — это называется «сферическая аберрация».

В своей работе 1690 года «Трактат о свете» астроном Кристиан Гюйгенс отметил, что Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц пытались решить эту проблему созданием особых линз для фиксированного расстояния фокусировки, но не смогли. Стоит упомянуть, что Ньютон изобрёл телескоп, который был избавлен от проблемы хроматической аберрации, но не сферической.

В своей статье 1949 года Г. Д. Вассерман и Э. Вольф предложили апланатическую линзу, основанную на интеграле, который они нашли численными методами. Их решение было приближением с помощью подбора на компьютере, а не окончательным, и включало использование асферических элементов, которые сложнее изготовить достаточно точно. Заодно была сформулирована проблема Вассермана-Вольфа. Благодаря этому многие современные объективы включают асферические линзы для коррекции сферической аберрации, создавая сложные оптические группы. Полноценное решение этой проблемы помогло бы улучшить оптические системы везде: от очков и камер в смартфонах до телескопов и микроскопов.

Наконец, в 2018 году докторант Национального автономного университета Мексики (НАУ) Гектор Чапарро-Ромо (Héctor Chaparro-Romo), пытавшийся решить проблему в течение 3 лет, привлёк себе на помощь докторанта Рафаэля Гонсалеса-Акунью (Rafael González-Acuña) из Монтеррейского технологического института.

Поначалу Гонсалес не хотел тратить силы на проблему, которую не могли решить тысячелетиями. Но по настоянию Гектора Чапарро решил принять вызов. Как вспоминал затем Рафаэль Гонсалес, после нескольких месяцев работы, произошёл прорыв: «Я помню, как однажды утром готовил себе кусочек хлеба с Нутеллой и внезапно произнёс вслух: „Эврика! Вот и решение!“». Затем он побежал к компьютеру и начал вводить программный код идеи. Когда исследователь выполнил симуляцию и увидел, что та работает, он буквально пустился вскачь. После этого дуэт провёл ещё ряд симуляций и рассчитал эффективность метода с 500 лучами — в результате средний результат для всех примеров составил 99,99999999999 %. То есть разница в резкости на всей плоскости кадра составила ничтожные 0,0000000001 %.

Рафаэль Гонсалес

Результаты работы были опубликованы в статье «Общая формула дизайна биасферических синглетных линз без сферической аберрации» в научном журнале «Прикладная оптика». Приведённое изображение показывает полученное учёными общее алгебраическое уравнение замкнутой формы для конструкции сферической линзы без аберраций. Она описывает зависимость формы второй асферической поверхности конкретной линзы от первой поверхности и фокусного расстояния. Вторая асферическая поверхность призвана устранить все аберрации, создаваемые первой поверхностью. Формула решает проблему Вассермана-Вольфа, сформулированную аналитически в 1949 году, но известную учёным около двух тысяч лет.

В рамках того же исследования Рафаэль Г. Гонсалес-Акунья, Гектор А. Чапарро-Ромо и Хулио Гутьеррес Вега (Julio Gutiérrez Vega) также опубликовали в журнале «Прикладная оптика» статью «Общая формула для создания синглетной линзы произвольной формы без сферической аберрации и астигматизма», в которой они дают аналитическое решение Проблемы Леви-Чивиты, сформулированной в 1900 году.

В результате мы можем надеяться, что в скором времени появятся объективы, избавленные от проблемы сферической аберрации. Причём производство новых линз в теории должно быть дешевле. Впрочем, вряд ли стоит ожидать, что первые такие объективы будут стоить меньше.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Аберрация

Аберрации оптических систем (лат. — отклонение) — искажения, погрешности изображения, вызванные несовершенством оптической системы. Аберрациям, в разной степени, подвержены любые объективы, даже самые дорогие. Считается, что чем больше диапазон фокусных расстояний объектива, тем выше уровень его аберраций.

Наиболее распространённые виды аберраций ниже.

Сферическая аберрация

Большинство объективов сконструировано с использованием линз со сферическими поверхностями. Такие линзы просты в изготовлении, но сферическая форма линз не идеальна для получения резких снимков. Эффект сферической аберрации проявляется в смягчении контраста и размытии деталей, так называемое «мыло».

Как это происходит? Параллельно идущие лучи света, при прохождении через сферическую линзу преломляется, лучи проходящие через край линзы, сливаются в фокальной точке ближе к линзе, чем световые лучи, проходящие через центр линзы. Другими словами, края линзы имеют более короткое фокусное расстояние, чем центр.

На изображении ниже наглядно видно как проходит пучок света через сферическую линзу и из-за чего появляются сферические аберрации.

Световые лучи, проходящие сквозь линзу вблизи оптической оси (ближе к центру), фокусируется в области В, дальше от линзы. Световые лучи, проходящие сквозь краевые зоны линзы, фокусируются в области А, ближе к линзе. Таким образом, получается, что края линзы имеют более короткое фокусное расстояние, чем центр.

Хроматическая аберрация

Хроматические аберрации (ХА) — явление вызванное дисперсией света проходящего через объектив, т.е. разложением луча света на составляющие. Лучи с разной длиной волны (разного цвета) преломляются под разными углами, поэтому из белого пучка образуется радуга.

Хроматические аберрации приводят к снижению чёткости изображения и появлению цветной «бахромы», особенно на контрастных объектах.

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

Коматическая аберрация (кома)

Кома или коматическая аберрация это явление, видимое на периферии изображения, которое создается объективом, скорректированным на сферическую аберрацию, и вызывает сведение световых лучей, поступающих на край объектива под каким-то углом, в форме кометы, а не в форме желаемой точки. Отсюда и ее название.

Форма кометы ориентирована радиально, причем ее хвост направлен либо к центру, либо от центра изображения. Вызываемая этим размытость по краям изображения называется коматической засветкой. Кома, которая может иметь место даже в объективах, точно воспроизводящих точку как точку на оптической оси, вызывается разницей преломления между световыми лучами из точки, расположенной вне оптической оси, и проходящими через края объектива, и главным световым лучом от той же точки, проходящим через центр объектива.

Кома увеличивается по мере увеличения угла главного луча и ведет к снижению контрастности по краям изображения. Определенной степени улучшения можно добиться диафрагмированием объектива. Кома также может привести к засвечиванию размытых участков изображения, создавая неприятный эффект.

Ликвидация как сферической аберрации, так и комы для объекта, расположенного на определенном съемочном расстоянии, называется апланатизмом, а объектив, скорректированный таким образом, называется апланатом.

Астигматизм

По этому типу аббераций мало что известно, по крайней мере я искал, всю сеть перерыл, ничего человеко-понятного не нашёл, научное объяснение ниже, нашёл на одном из сайтов.

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

Можно наблюдать это явление по краям изображения, если слегка сместить фокус объектива в положение, в котором точка объекта резко изображена как линия, ориентированная в радиальном направлении от центра изображения, и опять сместить фокус в другое положение, в котором точка объекта резко изображена в виде линии, ориентированной в направлении концентрического круга. (Расстояние между этими двумя положениями фокуса называется астигматической разницей.)

Другими словами, 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. Когда объектив установлен в оптимальное фокусное положение для меридиональной плоскости, световые лучи в сагиттальной плоскости сведены в линию в направлении концентрического круга (это положение называется меридиональным фокусом).

Аналогичным образом, когда объектив установлен в оптимальном фокусном положении для сагиттальной плоскости, световые лучи в меридиональной плоскости образуют линию, ориентированную в радиальном направлении (это положение называется сагиттальным фокусом).

При этом виде искажения предметы на фотографии выглядят искривленными, местами размытыми, прямые линии выглядят изогнутыми, возможны затемнения. Если линза страдает астигматизмом, то её пускают на запчасти, так как это явление не излечимо.

Кривизна поля изображения

При этом виде аберраций плоскость изображения становится изогнутой, таким образом если центр изображения в фокусе, то края изображения не в фокусе и наоборот, если края в фокусе, то центр не в фокусе.

Дисторсия (искажение)

Этот вид аберрации проявляется в искажении прямых линий. Если прямые линии вогнутые дисторсию называют подушкообразной, если выпуклыми — бочкообразной. Объективы с переменным фокусным расстоянием обычно создают бочкообразную дисторсию на «широком угле» (минимальное значение «зума») и подушкообразную — в режиме «телефото» (максимальное значение «зума»).

 

аберраций линз: как избежать дефектов изображения | оптика | Справочник по фотонике

Идеальный объектив может создать идеальное изображение. Но вместо этого семь основных аберраций линз могут размыть или исказить изображение, и их следует учитывать при создании оптической системы.

Брюс Х. Уокер, Walker Associates


Линза собирает свет из точки на объекте и фокусирует его в соответствующей сопряженной точке на изображении. В большинстве случаев объектив не справляется с этой задачей из-за некоторой ошибки в точности, с которой он фокусирует этот свет.Вместо точного точечного изображения объектив создает размытый круг. Задача разработчика оптики — убедиться, что этот круг размытия достаточно мал, чтобы обеспечить требуемое разрешение или качество изображения. Неспособность линзы формировать идеальное изображение вызвана аберрациями линз. Следующие параграфы описывают семь отклонений и обсуждают некоторые из основных моментов каждого из них.

Сферическая аберрация

Сферическая аберрация — это ошибка изображения, обнаруживаемая, когда линза фокусирует осевой пучок монохроматического света.При наличии сферической аберрации каждая зона или кольцо апертуры линзы имеет немного другое фокусное расстояние.


Рис. 1. Сферическая аберрация в плосковыпуклой линзе.



Результат можно увидеть на Рисунке 1. Увеличенный вид показывает фактическое пересечение сфокусированных лучей с поверхностью изображения. В параксиальном фокусе A все лучи, близкие к оси линзы, точно фокусируются. Лучи из более удаленных от оси зон фокусируются за пределами параксиального фокуса.Чем дальше лучи от оси, тем больше ошибка фокусировки. Отсутствие единого фокуса для всех зон линзы — сферическая аберрация.


Рисунок 2.
Функции рассеяния точки для линзы на Рисунке 1 в параксиальном фокусе ( a ) и фокусе для минимального размера пятна ( b ).


На Рисунке 1 есть точка B, сразу после параксиального фокуса, где круг размытия или размер пятна, вызванный сферической аберрацией, минимизирован.На рис. 2 показана функция разброса интенсивности для параксиального положения фокуса и положения фокуса с минимальным размером пятна. Анализ этих функций рассеяния показывает, что в параксиальном фокусе имеется яркое пятно диаметром около 0,02 мм, окруженное кругом вспышки диаметром около 0,08 мм. В случае фокусировки для минимального размера пятна центральное пятно немного больше, примерно 0,025 мм в диаметре, в то время как видимый диаметр бликов уменьшился до менее 0,04 мм. Почти во всех приложениях, где присутствует сферическая аберрация, общее качество изображения будет наилучшим, когда объектив сфокусирован близко к точке минимального размера пятна.

Кома

Кома — это аберрация, которая воздействует на световые пучки вне оси аналогично тому, как сферическая аберрация влияет на осевые пучки. Как показано на рисунке 3, когда внеосевой пучок падает на линзу, находящуюся в коме, каждое кольцо фокусируется на плоскости изображения на немного другой высоте и с другим размером пятна. В результате получается общее пятно коматической формы с ярким центральным ядром с треугольным бликом, простирающимся к оптической оси линзы.


Рисунок 3. Иллюстрация внеосевой аберрации, кома.

Для пары простых линз, расположенных симметрично, как в системе ретрансляционных линз, или сложных линз, обладающих некоторой степенью симметрии, обнаружено значительное снижение степени комы. Эта важная характеристика используется в конструкции многих линз и инструментов, таких как бороскопы и перископы подводных лодок. Остаточная кома в системе линз обычно сочетается с другими внеосевыми аберрациями, что затрудняет оценку ее индивидуального вклада в конечное качество изображения.

Кривизна поля

В большинстве оптических систем окончательное изображение должно быть сформировано на плоской или плоской поверхности. К сожалению, большинство оптических систем имеют тенденцию формировать это изображение на искривленной поверхности. Номинальная кривизна (1 / радиус) этой поверхности называется Petzval, или кривизной поля линзы. Для простых линз эта кривизна равна примерно 2/3 оптической силы линзы. Когда линза свободна от других внеосевых аберраций, изображение формируется на поверхности Petzval.Когда присутствует астигматизм (что чаще всего имеет место), поверхность Пецваля не имеет реального значения с точки зрения реального изображения системы линз.


Рисунок 4. Иллюстрация астигматизма.



Астигматизм

Когда астигматизм присутствует в системе линз, вееры лучей разной ориентации на диафрагме линзы имеют тенденцию фокусироваться на разных изогнутых поверхностях. На рисунке 4 показаны два веера лучей, проходящие через простую линзу, и показано, как они сфокусированы.Точечная диаграмма на рисунке 4 показывает, что наличие астигматизма приводит к тому, что изображение идеальной круглой точки размывается и превращается в эллиптическое пятно.

Кривые поля, показанные на рисунке 5, представляют другой метод иллюстрации аберраций кривизны поля и астигматизма. Эти кривые представляют собой поперечное сечение половины поверхности изображения от оптической оси до края поля. На рис. 5а показан набор кривых поля для линзы, страдающей как кривизной поля, так и астигматизмом.Если мы думаем об изображении как о колесе со спицами, центрированном на оптической оси, обод колеса находится в фокусе на поверхности тангенциального изображения, в то время как спицы находятся в фокусе на сагиттальной поверхности.


Рисунок 5а. Иллюстрация кривизны поля и астигматизма в простой линзе.



Астигматизм — это по определению разница между тангенциальной и сагиттальной кривыми поля. Если тангенциальная и сагиттальная поверхности совпадают, линза считается свободной от астигматизма.В этом случае изображение формируется на поверхности Пецваля. Когда присутствует астигматизм, отклонение тангенциального поля от поверхности Пецваля в три раза превышает отклонение сагиттального поля (рис. 5а). В большинстве случаев невозможно исправить кривизну поля и астигматизм до нуля, но удовлетворительное качество изображения обычно может быть достигнуто путем уравновешивания остаточного астигматизма с собственной кривизной поля, как показано на рисунке 5b.


Рисунок 5b. Иллюстрация введения отрицательного астигматизма для уравновешивания кривизны поля.



Искажение

Искажение — это уникальная аберрация, которая не влияет на качество изображения с точки зрения резкости или фокуса. Скорее, искажение влияет на форму изображения, заставляя его отклоняться от истинного масштабированного дубликата объекта. На рисунке 6b представлена ​​система линз без искажений, которая обеспечивает точное воспроизведение объекта шахматной доски . Если система страдает от положительных искажений, то внеосевые точки отображаются на расстояниях, превышающих номинальное значение, создавая эффект подушкообразной подушки, наблюдаемый на фиг.6а.С другой стороны, если система демонстрирует отрицательные искажения, результирующее изображение принимает бочкообразную форму, как показано на рисунке 6c. За исключением некоторых метрологических систем, где критические измерения выполняются с изображения, ошибки искажения в диапазоне от 5 до 10 процентов обычно считаются приемлемыми.


Рисунок 6. Иллюстрация искажения: ( a ) примерно 15% положительного (подушкообразного) искажения; ( b ) нулевое искажение; и ( c ) приблизительно 10-процентное отрицательное (бочкообразное) искажение.


Пять аберраций, представленных к этому моменту, были монохроматическими аберрациями, обычно вычисленными на центральной длине волны для системы линз. Если линза будет использоваться в расширенной спектральной полосе, необходимо также учитывать следующие две хроматические аберрации.

Осевой цвет

Для всех оптических очков показатель преломления зависит от длины волны; индекс больше для более коротких (синие) длин волн. Кроме того, скорость изменения индекса выше на более коротких длинах волн.В простом объективе это заставляет каждую длину волны фокусироваться в разных точках вдоль оптической оси. Это хроматическое распространение света известно как дисперсия.


Рис. 7. Осевой цвет в простом объективе ( a ) и в ахромате ( b ) с одинаковым фокусным расстоянием и светосилой (f / #).


На рисунке 7а показана простая линза, фокусирующая пучок белого света, охватывающий спектральный диапазон от 450 до 650 нм.Если фокус установлен на середину полосы, как показано, круг размытия состоит из зеленого центрального ядра с окружающим его пурпурным (красным и синим) ореолом. За исключением очень необычных случаев, таких как лазерные системы или почти монохроматические системы, осевой цвет — это аберрация, с которой необходимо бороться, чтобы добиться приемлемого качества изображения. Это может быть достигнуто путем преобразования простой линзы в ахроматический дублет, как показано на рисунке 7b. Два выбранных типа стекла корректируют основной осевой цвет, сводя две крайние длины волн к общему фокусу.В проиллюстрированном объективе за счет ахроматизации этого простого объектива было реализовано 30-кратное уменьшение размера размытых кругов.


Рис. 8. Простая линза с небольшим преломлением главного луча ( a ) имеет небольшой боковой цвет. Конструкция окуляра ( b ), в которой существует существенная несимметричная рефракция главного луча, будет иметь боковой цвет.



Боковой цвет

Вторая хроматическая аберрация (и последняя из семи основных аберраций линзы) — это боковой цвет.Для осевых световых пучков оптическая ось линзы совпадает с центральным лучом в этом пучке. Для внеосевых пучков соответствующий центральный луч называется главным лучом или главным лучом. Высота главного луча в плоскости изображения определяет размер изображения. Если в системе линз присутствует боковой цвет, этот главный луч рассеивается, в результате чего разные длины волн отображаются на разных высотах в плоскости изображения. В результате получается хроматическое радиальное размытие для точек изображения вне оси.

В случае простой линзы, у которой главный луч проходит через ее центр, этот луч мало преломляется и, следовательно, имеет небольшой боковой цвет.Система, симметричная относительно точки, в которой главный луч пересекает оптическую ось (диафрагма), имеет небольшой или нулевой боковой цвет, потому что аберрация имеет тенденцию нейтрализоваться, когда главный луч пересекает симметричные половины системы.

Окуляр — классический пример формы линзы, которая дает большое количество преломлений главного луча, несимметричного относительно диафрагмы. В результате в большинстве конструкций окуляров боковой цвет является основным фактором ухудшения качества внеосевого изображения.На рисунке 8 показан путь главного луча через простую линзу 8a и окуляр 8b. В каждом конкретном случае показано наличие или отсутствие бокового цвета.

Заключение

На этом обзор семи основных аберраций линзы завершен. Разработчик оптики должен оценить потенциальный вклад каждой аберрации в окончательные характеристики системы и настроить конфигурацию оптической системы для достижения удовлетворительных характеристик.

Благодарность

Эта статья основана на более ранней статье, подготовленной автором для использования в каталоге Optics and Filters , выпущенном Oriel Corp.Мы с благодарностью подтверждаем разрешение компании на использование частей этого произведения.


Аберрации и искажения линз — экспозиционная терапия

Аберрации линз

Оптические аберрации — это недостатки того, как линзы собирают лучи света в точку. Аберрации объектива можно разделить на два типа: несовершенное сведение света к фокусированной точке (что влияет на резкость) и неправильная геометрическая проекция сцены (которая проявляется в виде искажений или деформации).При разработке линз инженер-оптик сталкивается с рядом сложных компромиссов для ограничения аберраций. Поскольку идеального объектива не существует, инженеры должны идти на наилучшие возможные компромиссы с учетом ограничений предполагаемого использования, характеристик, производственных затрат и рыночной цены. Хотя вы мало что можете сделать с аберрациями в ваших линзах (кроме уменьшения диафрагмы), полезно знать, что они собой представляют, когда собираетесь совершить новую покупку.Что еще более важно, как фотограф вы должны знать об ограничениях своих объективов; это позволяет вам использовать их сильные стороны и не подчеркивать их слабые стороны.

Типы аберраций линз

Аберрации — основная причина снижения остроты зрения правильно сфокусированных линз. Вы должны знать пять типов: хроматическая аберрация, сферическая аберрация, кривизна поля, кома и астигматизм.

Хроматические аберрации проявляются в виде цветных полос на высококонтрастных краях.Они вызваны светом разных длин волн (то есть разными цветами), которые претерпевают разную степень преломления и фокусируются в разных положениях при прохождении через линзу. Существует два типа хроматической аберрации: продольная и поперечная. Продольные аберрации вызваны светом различной длины, фокусирующимся на разном расстоянии от линзы. Сине-фиолетовый свет фокусируется ближе к линзе, чем красный, а между ними фокусируется зеленый.Продольные аберрации можно свести к минимуму, уменьшив диафрагму, что приведет к приемлемой фокусировке длин волн. Боковые аберрации возникают, когда световые волны разных длин фокусируются в разных положениях фокальной плоскости (то есть на датчике изображения). Обычно это случается с короткофокусными и особенно сверхширокоугольными объективами. Боковые аберрации не могут быть уменьшены за счет закрытия диафрагмы, но эффективно минимизируются некоторыми программами для редактирования фотографий.

Шесть самых распространенных и раздражающих типов аберрации линз

В идеальном мире линзы наших фотоаппаратов воссоздали бы то, что мы видим, с идеальной точностью. Мы близки, но с физикой не всегда легко работать. Часто мы сталкиваемся с оптическими аберрациями, которые проявляются в виде различных недостатков на наших фотографиях. Некоторые из них можно легко исправить, а другие — просто часть работы фотографа. Вот обзор шести основных аберраций объектива, с которыми вы можете столкнуться.

Хроматическая аберрация

Хроматическая аберрация — одна из самых известных и легко распознаваемых групп. Возможно, вы также слышали, что это называется «окантовка» — название происходит от того, как несовпадающие цвета «окаймляют» контуры объекта. Если ваш объектив чувствителен, вы чаще всего замечаете это на высококонтрастных изображениях. Почему это происходит? Хроматическая аберрация, по сути, является результатом того, что длина волны цвета не достигает правильной фокальной плоскости.У каждой длины волны свой показатель преломления, и они не всегда встречаются там, где должны, когда проходят через ваше стекло.

Хроматическую аберрацию можно разделить на два основных типа: продольную и поперечную. Продольный СА может повлиять на все изображение, и это становится все более проблематичным при использовании сверхбыстрых простых чисел. Это произведение длин волн цветов, фокусирующихся в разных местах вдоль оптической оси. Боковое, с другой стороны, в первую очередь повлияет на ваши углы. Это происходит, когда все цвета фокусируются в одной плоскости, но фокусы смещены от оптической оси.

Производители линз стараются уменьшить хроматическую аберрацию с помощью специальных покрытий, таких как флюорит. К счастью для нас, его можно уменьшить, остановившись или после обработки. Lightroom, например, имеет относительно эффективный инструмент для удаления бахромы.

Кома

Если вы много фотографируете в ночное время, скорее всего, вы уже знакомы с комой. Это по-прежнему серьезная проблема для современного дизайна линз, хотя одни линзы намного лучше других. Кома берет свое название от латыни, где это относится к облаку пыли, окружающему ядро ​​кометы — как это обычно выглядит.Это оптическое явление возникает, когда световые точки вне оси попадают в линзу и искажаются, создавая иллюзию наличия хвостов. Они могут выглядеть так, как будто они вибрируют или медленно падают через рамку изображения.

Фейерверки, городские огни и звезды невероятно подвержены этому типу аберрации. Вы заметите, что это становится все хуже по краям снимков и, как и в случае с большинством аберраций, при более широкой диафрагме. Чтобы уменьшить его, лучше всего попробовать остановиться. Если вы увлекаетесь ночной фотографией, вы можете взять напрокат или взять напрокат несколько объективов, чтобы посмотреть, как они справляются с ночной съемкой.Линзы с асферическими элементами более успешно решают эту проблему.

Сферические аберрации

Сферические аберрации — не такая большая проблема, как раньше. К счастью, современный дизайн линз нашел способы их минимизировать. Когда у вас сферическая линза, проходящие через нее световые лучи преломляются в разной степени в центре и по краям. В конечном итоге они сходятся в разных точках по оптической оси, и, как бы вы ни старались, у вас не получится сфокусировать их резко.В конечном итоге вы видите световые точки по всему кадру изображения, покрытые размытыми ореолами. Как и в случае с комой, линзы с асферическими элементами лучше всего избегают этой проблемы. Их уникальная форма устраняет ошибку преломления, поэтому все лучи должным образом встречаются в одной точке фокусировки. Если вы все еще сталкиваетесь с этим, снимайте с более высоким значением диафрагмы. Меньшая апертура даст значительное улучшение.

Астигматизм

Те из вас, у кого одноименное заболевание глаз, уже знают, как выглядит астигматизм.Проще говоря, это то, что происходит, когда луч света, попадающий в линзу в горизонтальной или вертикальной плоскости, образует эллипс вместо аккуратной точки фокусировки. Это вызывает иллюзию направленного размытия и позволяет легко обнаружить астигматизм. Обратите внимание на горизонтальные и вертикальные линии изображения, особенно по краям. Если вы видите необъяснимое размытие при движении в горизонтальном или вертикальном направлении, ваш объектив имеет астигматизм. Если он достаточно серьезный, это может быть признаком того, что ваш хрусталик (как и астигматический глаз) сильно деформирован или смещен.Чтобы уменьшить его, снимайте с меньшей диафрагмой.

Кривизна поля

Некоторые люди не решаются называть кривизну поля аберрацией, потому что часто с этим ничего не поделаешь. Кривизна поля — еще одна проблема, которую со временем и технологии значительно улучшили, но не устранили. Из-за этого идеально плоский объект размывается по направлению к краям кадра изображения, а не остается равномерно резким. Это означает, что даже когда ваш объектив идеально параллелен плоскому объекту, ваши углы могут казаться мягкими.Оптика линз изогнута, а не плоская, поэтому они изогнутым образом проецируют свет на наши плоские датчики изображения. В то время как центральные лучи идеально сфокусированы, изогнутые лучи теряют резкость к периферии. Остановка может помочь.

Геометрические искажения

Это еще одна из наиболее частых и неприятных оптических проблем, с которыми сталкиваются фотографы. Искажение влияет на то, как прямолинейные линии появляются на наших изображениях. Мы все видели эффект выпуклости искажения ствола при съемке прямых линий под широким углом.Телеобъективы, вероятно, знакомы с противоположным, а именно с изогнутой подушечкой для иголок. Иногда, но не часто, вы можете встретить комбинацию этих двух вещей в явлении, известном как усы .

Искажение обычно более распространено на крайних концах увеличения, хотя простые числа, безусловно, не защищены. Ствол, который максимально используется в объективах типа «рыбий глаз», вызван уменьшением увеличения изображения по мере того, как объект перемещается дальше от оптической оси объектива.И наоборот, подушечка для булавок возникает, когда увеличение изображения увеличивается по мере того, как объект перемещается дальше от оптической оси. Поскольку это очень распространенная проблема, большинство программ для редактирования предлагает полезные инструменты коррекции перспективы.

Чтобы узнать больше, подпишитесь на нас на Facebook , Google+ , Flickr и Twitter .

Объяснение оптических аномалий и исправлений линз

Если вы потратите много времени на просмотр раздела линз на веб-сайте B&H или следите за последними объявлениями о новом стекле, вы, вероятно, столкнетесь с рядом фраз, которые сами по себе неизвестны для тех, у кого недостаточно острого, отточенного понимания фотографических и оптических фанатиков.Научно звучащие слова, такие как асферические элементы, хроматическая аберрация, кома, низкая дисперсия и высокий показатель преломления, для непрофессионала часто приводят к неточным представлениям о том, как работает объектив или что он делает для лучшего качества изображения. Но что именно делает элемент с аномальной частичной дисперсией? А почему вам не нужна сферическая аберрация? Этот глоссарий терминов и объяснений должен помочь разобраться в некоторых лингвистических и концептуальных препятствиях, с которыми сталкиваются при изучении нового объектива.

Аберрация

В самом основном определении аберрация — это то, что отклоняется от нормы, обычно нежелательным образом.Что касается оптики, это описывает неспособность лучей света, проходящих через линзу, сходиться в одной точке. Аберрации делятся на две категории: хроматические и монохроматические, которые затем подразделяются на определенные типы каждой аберрации.

Хроматическая аберрация

Хроматическая аберрация, одна из наиболее часто называемых оптических аномалий и одна из основных причин, по которой продолжают развиваться новые линзы, описывает то, как линза не может сфокусировать цветовые волны различной длины в одной и той же точке.Вспомните свои уроки физики и вспомните цветовой спектр и то, как вы можете использовать призму, чтобы разделить белый свет на радугу; По сути, это то, что происходит, когда свет достигает вашей линзы и рассеивается. Хорошо спроектированные линзы могут реорганизовывать этот свет и фокусировать каждую длину волны в одной и той же точке, обеспечивая высокую точность цветопередачи и совмещения.

Пример хроматической аберрации, когда длины волн красного, зеленого и синего цветов не сходятся в одной точке, вызывая цветную окантовку.

С практической точки зрения, хроматические аберрации обычно называют цветной окантовкой. Это чаще всего наблюдается в высококонтрастных ситуациях, когда темный объект помещается на ярком фоне. Если объектив не может корректировать хроматическую аберрацию, края объекта приобретают цветную дымку, часто пурпурную, но иногда и ряд других цветов, что также снижает четкость и кажущуюся резкость. Вместо того, чтобы ваше изображение было черным объектом на белом фоне, изображение, зараженное хроматической аберрацией, покажет этот черный объект, окруженный размытой «полосой» цвета перед белым фоном.Усовершенствуя эту концепцию, хроматические аберрации обычно делятся на два поджанра:

Сильная хроматическая аберрация присутствует по краям жалюзи, где видна красная, зеленая и синяя окантовка.

Продольная хроматическая аберрация Этот тип аберрации возникает, когда волны разного цвета не сходятся в одной и той же точке, что приводит к появлению цветных полос вокруг объектов по всему изображению от центра к краям.Продольные хроматические аберрации чаще всего возникают при более широких настройках диафрагмы, и их можно контролировать, остановив объектив.

Боковая хроматическая аберрация Этот тип аберрации возникает, когда световые волны разных длин (цветов) фокусируются в одной плоскости, но в разных положениях из-за угла, под которым свет попадает в линзу. Боковые хроматические аберрации видны только по краям кадра, а не в центре, и их нельзя исправить, остановив объектив.Вместо этого вы должны полагаться на пост-продакшн или решения в камере, чтобы уменьшить этот тип аберрации.

Хорошо скорректированные, более сложные оптические конструкции успешно справляются с обоими этими типами аберраций, при этом более низкое качество, а иногда и более экстремальные конструкции линз («рыбий глаз» или сверхбыстрые линзы) подвержены хроматической аберрации.

Монохроматическая аберрация

Монохроматическая аберрация вызывается одной длиной волны, а не разными (окрашенными) длинами волн.Их называют монохроматическими, потому что аберрации возникают из-за несовершенства оптической конструкции линз и не зависят от цвета и фокусировки различных длин волн.

Сферическая аберрация Этот тип аберрации возникает из-за того, что световые лучи входят в линзу, а не сходятся в одной точке. Сферические элементы линз меньше преломляют лучи, когда они входят вдоль горизонтальной оси — перпендикулярно плоскости пленки или сенсора, — чем лучи, которые входят в линзу ближе к периферии.Из-за этой разницы в преломлении световые лучи, попадающие в линзу параллельно, не сходятся в одной и той же точке после прохождения через оптику. Короче говоря, невозможность добиться такой конвергенции может вызвать заметное снижение четкости, резкости и разрешения изображения.

Пример сферической аберрации, когда различные световые лучи не сходятся в одной и той же точке, что приводит к потере четкости и резкости.

Кома (также называемая коматической аберрацией) Кома — это эффект, который возникает, когда световые лучи от точечных источников проходят через линзу под углом, а не прямо.Когда конструкция линзы не может сфокусировать эти угловые световые лучи в одной и той же точке, точечный источник света будет изображен в виде светового пятна в форме капли или кометы, а не круглого светового пятна. Подобно сферической аберрации, кому можно свести к минимуму, опустив линзу.

Пример комы, когда угловые световые лучи приводят к тому, что точечные источники света воспроизводятся в форме капли, а не в виде круглой подсветки.


Каплевидные блики на этом изображении являются примером коматической аберрации.

Астигматизм Одна из наиболее сложных аберраций для описания, астигматизм по своей концепции аналогичен коме и вызван тем, что лучи, попадающие в линзу вдоль сагиттальной плоскости, фокусируются в другой точке, чем лучи вдоль тангенциальной плоскости. Это вызывает искажение по краям и углам изображения. Астигматизм в определенной степени присутствует во всех линзах, но более заметен в тех случаях, когда оптическая конструкция не полностью параллельна или симметрична.Как и другие монохроматические аберрации, эффекты астигматизма можно уменьшить, остановив линзу.

Кривизна поля Связанная с астигматизмом, кривизной поля или кривизной поля является естественная аберрация практически всех линз из-за их изогнутой структуры и того, как они проецируют свет на плоский датчик или плоскость пленки. Поскольку линза естественно излучает свет изогнутым образом, края и углы изображения могут казаться мягкими или искаженными по сравнению с более резкой центральной областью изображения.Чтобы еще больше усложнить проблему, некоторые линзы не проецируют кривизну поля чистой формы и, скорее, имеют более абстрактную, волнообразную кривизну поля из-за различных комбинаций различных элементов объектива. Кривизну поля можно увидеть с помощью диаграммы MTF объектива, где провалы, кривые или наклоны линий указывают относительную резкость от центра кадра к краям. Остановка линзы, опять же, может уменьшить влияние кривизны поля.

Пример сильной кривизны поля, это изображение показывает резкую центральную область с сильным размытием и искажением по углам и краям кадра.

Искажение Наконец, искажение — это форма аберрации, которая описывает, когда изображение, созданное линзой, не сохраняет свою прямолинейность. В зависимости от типа используемого объектива возникают две основные формы искажения: бочкообразное искажение и подушкообразное искажение. Типы искажений, которые они описывают, являются самореферентными: бочкообразное искажение может привести к выпуклости прямых линий по направлению к краям изображения (как деревянная бочка), а искажение в виде подушкообразных подушечек рендерит прямые линии с изгибом к центру (например, подушка).Оба этих искажения чаще всего наблюдаются в зум-объективах, особенно в более широком диапазоне их диапазона фокусных расстояний, но могут также проявляться в некоторых фиксированных объективах, особенно с широким или большим фокусным расстоянием. Широкоугольные объективы чаще всего демонстрируют бочкообразное искажение, а телеобъективы имеют тенденцию демонстрировать некоторую форму подушкообразного искажения. Кроме того, также возможен третий тип искажения — искажение усов. Это комбинация бочкообразного искажения в центре и подушкообразного искажения по краям изображения и названа в честь формы преувеличенных усов (вспомните Капитана Крюка).

Деформация ствола Подушкообразное искажение Искажение усов


На этом фото видно заметное бочкообразное искажение с небольшим искажением усов по краям. На этой фотографии показано подушкообразное искажение.

Последняя оптическая аномалия, связанная со сферической аберрацией, — это смещение фокуса. Технически это не аберрация, эта проблема возникает, когда изображение фокусируется на максимальной диафрагме объектива перед остановкой для создания изображения, что приводит к нечеткой фотографии. Общая для объективов с фиксированным фокусным расстоянием с максимальной светосилой, эта проблема заключается в том, что неисправленный объектив используется самым ошибочным образом для получения фокуса (широко открытый), а затем его сферическая аберрация исправляется путем остановки, несмотря на то, что точка, в которой световые лучи сходятся больше не в плоскости предполагаемого фокуса.Эта проблема не только влияет на более светосильные объективы, но и часто возникает при работе с объектами крупным планом, поскольку потеря фокуса на дюйм на рабочем расстоянии в один фут более значительна, чем потеря фокуса на дюйм на объекте, находящемся на расстоянии тридцати футов.

Сдвиг фокуса может происходить при использовании ручной автофокусировки или автофокусировки (с определением фазы), поскольку в обоих случаях фокусировка достигается при максимальной диафрагме объектива. Несколько способов исправить смещение фокуса включают в себя некую форму компромисса, который обычно влияет на работу вашего объектива или камеры в других ситуациях.Вы можете использовать настройки точной настройки автофокуса, чтобы целенаправленно ввести передний или задний фокус для компенсации смещения фокуса. Вы можете работать с упреждающей фокусировкой или фокусировкой с определением контраста, поскольку эти методы могут работать с объективами с диафрагмой меньше максимальной. Наконец, вы можете просто полагаться на глубину резкости, чтобы компенсировать незначительное смещение фокуса на близком расстоянии.

Теперь, когда мы рассмотрели хороший набор аберраций, с которыми вы обязательно столкнетесь, давайте взглянем на некоторые способы исправления или минимизации этих аберраций.

Корректирующие элементы

Асферический элемент

Одним из наиболее распространенных типов специализированных элементов, выделяемых при описании характеристик линз, является асферический элемент. Это именно то, что звучит: элемент линзы, отшлифованный, отформованный или иным образом приданный в форму, которая не является полностью сферической. Как упоминалось выше в отношении сферических аберраций, простой сферический элемент не способен преломлять световые лучи в одну точку схождения из-за своей изогнутой формы.С другой стороны, асферический элемент может более эффективно фокусировать лучи, входящие с краев и углов, чтобы уменьшить сферическую аберрацию, кому и астигматизм. Асферические элементы, как правило, более полезны при более широких фокусных расстояниях, хотя они присутствуют в некоторых более длинных телеобъективах. Кроме того, в конструкцию линзы добавляются асферические элементы, чтобы заменить множество сферических элементов, тем самым уменьшая вес и сложность конструкции линзы.

Сферическая линза Асферическая линза

Стекло с низкой дисперсией

Часто используется с различной степенью интенсивности, такой как сверхнизкая, сверхнизкая или сверхнизкая дисперсия, а также аномальная дисперсия или аномальная частичная дисперсия, короче говоря, стекло с низкой дисперсией используется для уменьшения или контроля эффектов. хроматической аберрации.Поскольку для коррекции монохроматических аберраций обычно используются асферические элементы, для борьбы с продольными и поперечными хроматическими аберрациями используются различные типы стекла с низкой дисперсией. Этот особый тип стекла обеспечивает одинаковое преломление цветных световых лучей для достижения надлежащей конвергенции и совмещения каждого из них, в результате чего на изображениях отсутствует цветная окантовка. Так же, как асферические элементы чаще встречаются в объективах с широким и нормальным фокусным расстоянием, стекло с низкой дисперсией чаще используется в конструкциях объективов с большим фокусным расстоянием и телеобъективов.

Этот апохроматический дизайн показывает, что длина волн красного, зеленого и синего цветов сходится в одной точке, что приводит к нейтральному цветовому балансу без окаймления.

Флюоритовый элемент

Особый тип элемента с низкой дисперсией, эти элементы, обычно встречающиеся в телеобъективах, состоят из встречающегося в природе, хотя в настоящее время производимого синтетическим путем, типа кристалла, который имеет особенно низкую дисперсию и низкий показатель преломления. По сравнению с другими типами стекла с низкой дисперсией флюоритовые элементы используются для значительного уменьшения хроматических аберраций, а также имеют меньший вес, чем их стеклянные аналоги.Недостатком флюорита является то, что это более дорогой и длительный процесс производства этого материала по сравнению с другими типами стекла с низкой дисперсией и, как таковой, используется для более экзотических и сложных конструкций линз.

Флюорит, представленный в различных формах, используется для уменьшения хроматических аберраций.

Апохромат

Что касается вышеупомянутых тем, апохроматическая линза, также называемая апохроматом или обозначенная включением Apo в название линзы, представляет собой конструкцию линзы с высокой степенью коррекции, которая должна создавать изображения с меньшим количеством хроматических и сферических аберраций, чем другие современные линзы, специально называемые ахроматы (или ахроматические линзы).Все современные линзы попадают в одну из этих двух свободно определенных категорий, хотя исторически простые линзы также относятся к третьей категории. В то время как ахроматы предназначены для фокусировки красных и синих длин волн в одной и той же плоскости, чтобы уменьшить наиболее распространенные типы цветовой окантовки, апохроматы дополнительно исследуют точность цветопередачи, также фокусируя длины волн зеленого цвета в одной и той же точке, чтобы дополнительно минимизировать хроматические аберрации. . Кроме того, апохроматы более искусны в уменьшении сферических аберраций, чем ахроматы.

Дифракционная оптика и фазовые элементы Френеля

Относительно новинка в мире оптики, которую можно увидеть только в нескольких телеобъективах от пары известных производителей. Дифракционная оптика и фазовые элементы Френеля являются еще одним средством уменьшения хроматических аберраций. Вместо того, чтобы полагаться на специальные типы стекла, влияющие на то, как преломляются световые волны различной длины, эти элементы физически регулируют путь света до того, как он будет сфокусирован. Сами элементы состоят из небольших концентрических кругов (а-ля Френель) и соединены с общим преломляющим элементом в конструкции линзы.Затем это сочетание существенно расфокусирует и, точнее, перефокусирует разноцветные волны на одну и ту же точку, чем другие оптические комбинации. И это сделано таким образом, чтобы избежать использования нескольких стеклянных элементов, тем самым снижая вес всей конструкции. Недостатком элементов дифракционной оптики и фазового Френеля является то, что они могут способствовать более интенсивной вспышке при фотографировании сильных точечных источников света, которые можно исправить только во время постобработки.

Дифракционная оптика / фазовая конструкция Френеля, этот тип элемента напоминает линзу Френеля и помогает контролировать аберрации и устраняет необходимость в использовании нескольких стеклянных элементов.

Элемент с высоким показателем преломления

Другой тип элементов, задачей которых является замена нескольких «обычных» стеклянных элементов для уменьшения общего веса, стекло с высоким показателем преломления используется для коррекции кривизны поля и других монохроматических аберраций для повышения четкости и резкости.

Плавающие элементы

Специально разработанный для улучшения качества изображения на более близких дистанциях фокусировки, плавающий элемент или система плавающих элементов представляет собой отдельный элемент или группу оптических элементов, которые регулируют свое положение во время фокусировки для обеспечения стабильной работы во всем диапазоне фокусировки.Многие из вышеупомянутых корректирующих элементов и методов применяются для уменьшения аберраций при фокусировке на бесконечность и больше не так полезны при фокусировке на объектах с близкого расстояния. За счет реализации элемента или группы элементов, которые меняют свое положение во время фокусировки, эффекты корректирующих элементов сохраняются.

Эта конструкция с плавающими элементами показывает, как перемещаются только задние группы для регулировки фокуса, чтобы обеспечить стабильную работу во всем диапазоне фокусировки.

Что такое аберрации объектива? Объяснение дефектов линз

Вы можете подумать, что потратив сотни или даже тысячи с трудом заработанных денег на новый объектив, вы получите гарантию отсутствия дефектов, но оптические дефекты являются неотъемлемой частью физики состава линз. Они есть во всех объективах, и некоторые типы линз, например зум-объективы, более подвержены им, чем другие, например простые.

Однако производители используют сложные методы проектирования и производства, чтобы минимизировать эти проблемы и сделать их настолько незаметными, насколько это возможно — с учетом ограничений по размеру, весу и цене.

Искажение объектива

Объектив «рыбий глаз» дает очень очевидное бочкообразное искажение, но почти все линзы имеют некоторую степень искажения. (Изображение предоставлено: Future)

Первый оптический дефект — и, вероятно, самый очевидный — это искажение. Это проявляется в изгибе линий на изображении, которые на самом деле прямые. Он бывает двух основных форм: бочкообразная деформация — когда линии выпуклые в центре и изгибаются наружу в виде выпуклой формы, и подушкообразная деформация — когда линии изгибаются внутрь вогнутой формы.

Бочкообразное искажение обычно наблюдается в зум-объективах на широкоугольном конце диапазона фокусных расстояний, но оно также может быть замечено в фиксированных объективах — например, когда объектив близок к минимальному расстоянию фокусировки. Подушкообразное искажение часто наблюдается на объективах с большим фокусным расстоянием, таких как телеобъективы, и на суперзумах, которые покрывают огромный диапазон различных фокусных расстояний от широкоугольного до длинного телеобъектива, и вполне возможно увидеть оба типа в одном объективе, в зависимости от того, как далеко вы увеличены (или уменьшены).

Виньетирование, или «угловое затенение»

Этот сверхширокоугольный объектив Laowa 9mm f / 2.8 не имеет бочкообразных искажений, но имеет заметное виньетирование. Дизайнерам линз часто приходится менять одну аберрацию на другую. (Изображение предоставлено Родом Лоутоном / Digital Camera World)

Следующим наиболее очевидным дефектом является затенение углов, когда изображение, создаваемое объективом, темнее по направлению к углам кадра. Это называется виньетированием и возникает в результате того, что свет, захваченный линзой, падает по направлению к краю круга изображения, который он создает.

Это происходит во всех линзах и является результатом того, что периферийный свет блокируется оправой линзы, а также тем фактом, что периферийные световые волны должны распространяться дальше, чем те, которые находятся в центре линзы.

На всякий случай, у цифровых фотоаппаратов есть и третья причина, так как датчики внутри них имеют множество объектов для фотосъемки, обращенных вперед. Это означает, что свет, исходящий из крайнего угла (например, по краям кадра), будет более острым и менее интенсивным, чем свет в центре.

Виньетирование имеет тенденцию быть наиболее экстремальным при использовании максимального фокусного расстояния при увеличении или при использовании больших диафрагм (маленькие числа f). В последнем случае его можно улучшить, остановившись на диафрагме меньшего размера.

Хроматическая аберрация, или «окантовка»

Цветовая окантовка (хроматическая аберрация) — лишь одна из характеристик, которые мы измеряем в наших обзорах объективов. (Изображение предоставлено: Future)

Третий основной тип оптического дефекта — хроматическая аберрация, которая звучит ужасно технически, но обычно описывается как «цветная окантовка».Поскольку красный, зеленый и синий свет, который мы видим, имеют разную длину волны, перед объективом стоит незавидная задача — заставить все они встретиться на определенном фокусном расстоянии по всему полю зрения.

В высококонтрастных областях с четко очерченными краями (например, там, где четкие края объекта встречаются с ярким небом) вы часто будете видеть цветные полосы по направлению к краям изображения, где второй край «размывается» за пределы фактического края. Для борьбы с этим в профессиональных объективах высокого класса используется множество элементов из дорогого исправленного стекла, но это приводит к двум непопулярным побочным продуктам — весу и цене!

Профили линз и коррекция линз

Многие программы теперь могут автоматически корректировать аберрации линз с помощью «профилей линз».Это DxO PhotoLab. (Изображение предоставлено Родом Лоутоном / Digital Camera World)

Что касается оптических дефектов в целом, хорошая новость заключается в том, что большинство из них можно легко вылечить — или, по крайней мере, свести к минимуму — если вы снимаете в необработанном формате. На панели оптики популярных необработанных конвертеров, таких как Lightroom и Adobe Camera Raw, есть два поля, которые вы можете установить, чтобы применить коррекцию объектива. Они обращаются к базе данных в программном обеспечении и вносят поправки в зависимости от характеристик используемого объектива. «Удалить хроматическую аберрацию» сведет к минимуму бахрому, а «Использовать коррекцию профиля» исправит искажение и виньетирование.Это великолепный инструмент, который очень быстро в использовании, и если вы не сделали снимок, на котором оптические дефекты добавляют творческой привлекательности изображения, эти поля стоит отмечать каждый раз, когда вы обрабатываете снимок, независимо от того, сколько стоит ваш объектив. !

Подробнее:

• Лучшие объективы камеры
• Лучшие широкоугольные объективы
• Лучшее программное обеспечение для редактирования фотографий
• Обзор DxO PhotoLab 4

Объяснение аберраций линз — Часть 1

Во многих обзорах объективов мы говорим об определенных видах аберраций, поэтому в этой статье мы дадим вам обзор типичных аберраций линз, расскажем, в каких объективах с ними можно столкнуться и как с ними справиться.
В будущем мы можем опубликовать еще одну статью, в которой будут более подробно описаны не только аберрации, но и их причины.

Описание: Прямые линии на картинке не прямые, а изогнутые или изогнутые.

Общая проблема: зум-объективов и широкоугольных объективов

Решение: «Равномерное» бочкообразное или подушкообразное искажение можно легко исправить. Однако для сложных / волнистых искажений профили коррекции объектива являются обязательными, но не каждый профиль коррекции работает идеально на любом расстоянии фокусировки.

Общая информация: для современной цифровой фотографии, многие производители объективов решили исправить это при постобработке

Описание: При съемке плоской сцены наблюдается провал разрешения / контрастности в части кадра, например область среднего кадра или углы. В приведенном выше примере вы можете увидеть объектив с более высоким угловым разрешением, чем разрешение в середине кадра.

Общая проблема: широкоугольных объективов, некоторых светосильных объективов

Решение: остановка обычно снижает кривизну поля.С некоторыми объективами фокусировка на средней части кадра вместо центра также может улучшить результаты.

Общая информация: обычно большая проблема при использовании небольших широкоугольных объективов дальномера на камере Sony.

Ослабление света

Описание: Более низкая экспозиция в углах по сравнению с центром кадра.

Общая проблема: широкоугольных объективов, светосильных объективов

Решение: с остановкой большинства линз уменьшит спад света (с очень маленькими линзами иногда есть лишь незначительные улучшения)
Угловая экспозиция может быть увеличена при постобработке e.грамм. в Lightroom. Для обычных линз доступны профили. Исправление этого в сообщении может привести к усилению шума в углах!

Общая информация: во времена кино можно было купить центральные фильтры, чтобы уменьшить ослабление света широкоугольных объективов.

Оптическое виньетирование

Слева: в центре, справа: в крайнем углу

Описание: Форма не в фокусе световых кругов смещается в сторону углов кадра, поэтому вместо кругов вы видите формы, напоминающие кошачьи глаза.

Общая проблема: (маленькие) светосильные линзы

Решение: нет (за исключением, возможно, покупки объектива, где он менее выражен)
Остановившись, вы в конечном итоге получите идеальный круг в какой-то момент, но тогда вы снимаете, например, в f / 2.8 вместо f / 1.4.

Общая информация: также часто называют «механическое виньетирование»

Цветное литье

Описание: Углы кадра приобретают другой цвет, чем остальная часть кадра.

Общая проблема: малых широкоугольных объективов, особенно беззеркальных / дальномерных

Решение: исправьте это с помощью стороннего программного обеспечения «исправление углов» или используйте градиенты в Lightroom

.

Общая информация: это не совсем аберрация объектива, а скорее неспособность цифровых датчиков улавливать свет, падающий на них под очень острым углом.

Описание:
недокоррекция: потеря контраста и разрешения («свечение») по всему кадру
избыточная коррекция: резкое боке с резкими контурами

Распространенная проблема: светосильных объективов (особенно старых) при максимальной диафрагме

Решение: остановка объектива на 1 ступень обычно имеет большое значение

Общая информация: для портретов может быть полезно немного недокорректированной сферической аберрации для получения более гладкого изображения

Боковой CA


Обрезка из угловой области рамы

Описание: разные цветовые каналы показывают разные модели искажения.Обычно это приводит к появлению контуров по краям с высокой контрастностью, которые тем сильнее, чем дальше вы удаляетесь от центра.

Распространенная проблема: широкоугольные объективы , старые телеобъективы без элементов ED, большинство зум-объективов.

Решение: в большинстве случаев это можно исправить без потерь по почте. Остановка не влияет на это отклонение.

Общая информация: Некоторые симметричные линзы показывают нулевую боковую СА.

Продольный CA

Описание: Продольные хроматические аберрации бывают разных форм, наиболее распространенными из которых являются пурпурная окантовка (она проявляется близко к плоскости в фокусе) и «боке-CA» или «боке окаймление», которые вы видите в верхней части изображения. области фокусировки.

Общая проблема: светосильных объективов

Решение: остановка объектива вниз уменьшит это. Вы также можете попытаться исправить это в сообщении, но это не всегда будет работать достаточно хорошо.

Общая информация: Некоторые объективы с меткой «APO» отлично скорректированы для этой аберрации и вообще не будут показывать никаких красочных контуров.

Описание: точечных источников света в углах кадра не отображаются как точки, а вместо этого принимают странные формы.

Общая проблема: светосильных широкоугольных объективов

Решение: остановка линзы уменьшит это значение

Общая информация: Если вы увлекаетесь астрофотографией, вам следует позаботиться о хорошей коррекции комы.

Описание: от центра структуры показывают двойные кромки, которые ориентированы либо радиально, либо тангенциально.

Общая проблема: светосильных объективов, широкоугольных объективов

Решение: обычно улучшается после остановки.

Общая информация: бывает трудно отличить астигматизм от комы.

Описание: Когда вы останавливаете объектив вниз, плоскость оптимального фокуса смещается вперед или назад.

Общая проблема: светосильных объективов

Решение: сначала остановите объектив, а затем сфокусируйтесь. Часто также помогает просто использовать от f / 8,0 до f / 11, чтобы это больше не было проблемой.

Общая информация: Классические линзы Sonnar, как известно, демонстрируют печально известную величину смещения фокуса.

Описание: расфокусированных световых кругов показывают узор в виде луковичных колец.

Общая проблема: некоторые светосильные линзы с асферическими элементами

Решение: ничего, кроме покупки объектива без этих проблем.

Призраки

Описание: красочных артефактов (круги, полумесяцы) в кадре

Общая проблема: широкоугольных объективов, зум-объективов, объективов с большим количеством элементов и большими передними элементами

Решение: остановка может изменить форму и размер артефактов.Иногда может помочь небольшой рефрейминг.

Внутреннее отражение

Описание: кольцеобразная аберрация (см. Рисунок)

Общая проблема: несколько очень светосильных широкоугольных и обычных объективов

Решение: иногда может помочь остановка

Вент-клеш

Описание: Почти вся рамка покрыта световой пеленой, которая снимает большую часть контраста

Общая проблема: наиболее серьезная проблема в телеобъективах

Решение: иногда использование вытяжки может немного помочь

Следующие две вкладки изменяют содержимое ниже.

Меня зовут Бастиан, и я ваш эксперт, когда дело доходит до сверхширокоугольных объективов, сверхбыстрых портретных объективов (от 50 мм f / 0,95 до 200 мм f / 1,8), а также я просмотрел слишком много 35-мм объективов. Но не спрашивайте меня о макросъемке или съемке дикой природы.

Аберрация линз; Аберрация; Аберрации (линзы)


аберрация линзы; Аберрация; Аберрации (линзы)

Все линзы имеют аберрации.Идеального объектива не существует. Однако высокая степень инженерии, связанная с линзой, снижает проблемы аберрации линзы до приемлемого уровня.

Производители линз разработали очень высокий уровень технических навыков в области шлифовки и полировки линз. Один производитель делает удивительные заявления. Они говорят, что если бы элементы их фотообъективов были размером с футбольный стадион, поверхность изменилась бы не больше, чем толщина визитной карточки.

Типы аберраций линз
  • Сферическая аберрация: поверхность неидеальной формы и / или неточная.Параллельные лучи не фокусируются в одном месте.
  • Кома: Проявление изображения — круг в форме круга изображения, создающий V-образную световую вспышку.
  • Хроматическая аберрация: разделение цветов линзой в результате использования материалов плохого оптического качества. Он создает цветные полосы по краям объектов, видимых на изображении.
  • Кривизна поля: плоскость изображения имеет форму дуги и отличается от плоскости сенсора, которая является плоской, что приводит к потере фокуса по краям линзы.
  • Бочкообразное искажение, подушечка для булавок и усы: симметрия линзы неидеальна, что немного искажает изображение (каждый тип имеет свое искажение).
  • Астигматизм: когда изображения искажены таким образом, что они кажутся искаженными по сравнению с формой исходного объекта, когда другие линзы не повторяют искажение.
  • Точечная дифракция; Дифракция; : Может вызвать искажение линз, в основном в очень маленьком масштабе. Фотообъективы подвержены дифракции.Эффект — смягчение изображения. Обычно это происходит при использовании диафрагмы с точечным отверстием или при изготовлении линз из специальных материалов. Этот тип аберрации объектива не имеет большого значения для фотографа.
Уменьшение аберрации линз

Как правило, коррекция возможна как с индивидуальной, так и с простой оптической линзой. Улучшения включают более высокий уровень технического производства. Улучшенные материалы (стекло более высокого качества) имеют большое значение. Покрытие линз и дополнительные корректирующие элементы в линзах помогают уменьшить аберрацию линз.Одно или несколько из этих решений могут быть применены к отдельной оптической линзе или к отдельному элементу фотообъектива.

Комбинирование линз для коррекции аберраций является одной из причин создания составных линз (несколько линз, помещенных вместе в группы линз). По сути, аберрация на одном элементе объектива компенсируется другим элементом объектива, чтобы противодействовать ему. См .: Определение: Оптическая линза; Линза (оптическая).

Комментарии, дополнения, поправки или идеи по этой статье? Свяжитесь с нами

[refdef?] [refdef?] [refdef?] # ???? #

Дэймон Гай (Netkonnexion)

Дэймон — писатель-фотограф и редактор этого сайта.У него также есть несколько крупных веб-сайтов, компьютерный отдел и библиотека цифровых изображений.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *