Кома аберрация: Оптические аберрации — Кома и Астигматизм
Оптические аберрации — Кома и Астигматизм
к содержанию ↑
к содержанию ↑
Почему возникает оптическая Кома
Кома возникает из-за того, что лучи приходящие под углом к оптической оси собираются не в одной точке.
Каждая такая «точка» имеет более яркий и центр и будучи наложенными друг на друга образуют объект с ярким центром и хвостом, напоминающим хвост кометы. Отсюда и название «Coma».
к содержанию ↑
Как выглядит оптическая Кома
как выглядит идеальная точка (без аберраций)
Все аберрационные эффекты Комы повернуты яркими центрами к оптической оси и напоминают раскрытый веер.
чистая Кома
Сложнее визуально определить кому, когда она сложена с другими аберрациями, например, с астигматизмом.
пример Кома + Астигматизм
Хуже всего при пользовании объективами с Комой приходится астрофотографам. Дело в том, что Кома исправляется с диафрагмированием объектива, но астрофотографы часто снимают на открытой диафрагме для того, чтобы уменьшить выдержку (ISO итак бывает очень высоким) и звезды не превратились бы в шлейф.
Слева, на Canon 24/1.4 II видна сильная Кома.
к содержанию ↑
Как исправляется оптическая Кома
Оптическая Кома исправляется диафрагмированием т.к. связана с лучами, попадающими под углом на линзу объектива. Объективы с исправленной Комой называются Апланаты.
к содержанию ↑
к содержанию ↑
Почему возникает
Астигматизмом называется явление при котором преломляющая поверхность имеет форму не сферы, а, например, овала. Таким образом саггитальные и тангенциальные лучи имеют различные фокусы, образуя овалы вместо кружков/точек.
к содержанию ↑
Как выглядит
точка в случае астигматизма
к содержанию ↑
Как исправляется
Астигматизм исправляется сложно т.к. влияет не только на края изображения, но по сути почти на всё изображение, кроме самого центра (маленького пятна в центре линз). Чтобы исправить астигматизм нужны дополнительные линзы и потому простым диафрагмированием это явление не «лечится».
Коматическая аберрация | [ПРО]ФОТО
Коматическая аберрация или кома — это когда лучи света, приходящие под углом к оптической оси системы линз собираются не в одной точке. Иными словами, — одна из пяти аберраций Зейделя оптических систем, приводящая к нарушению гомоцентричности широких световых пучков, входящих в систему под углом к оптической оси.
Каждый участок линзы, удалённый от её оси на определенное расстояние (кольцевая зона), даёт изображение светящейся точки в виде кольца, радиус которого тем больше, чем больше расстояние. Может рассматриваться как сферическая аберрация лучей, проходящих не через оптическую ось системы.
Так как падающие лучи не совпадают центрами, то в результате их наложения, изображение точки, даваемое системой линз в целом, принимает вид несимметричного пятна рассеяния, похожего на комету. Этим сходством и обусловлено название аберрации.
Кома и Ко:
Объективы с исправленными коматической и сферической аберрацией называются апланатами (почти все современные).
Если при изготовлении или в следствии эксплуатации объектива допущена децентровка одной из поверхностей (неправильная установка, удар, повреждения корпуса различного рода), то кома проявляется в большей мере, как и другие типы аберраций, ввиду (не)значительного изменения угла прохождения света.
Устраняются аберрации у поврежденных или отремонтированных объективов методом юстировки, на специальных стендах в нормальных сервисных мастерских.
Курсы для фотографа:
——
Я хочу попросить Вас о нескольких вещах. Об обмене опытом в комментариях к записям, например, или может быть, альтернативным мнением, которое тоже имеет место быть, ведь так? Или может, у Вас есть крутые референсы, которые Вы можете предоставить для размещения, сопроводив их своим опытом и переживаниями? Отлично, это то, что необходимо мне. Нам. Всем посетителям сайта. Это поможет новичкам сориентироваться, а тем, кто это уже все прошел — лишний раз побрюзжать про фото .)
Все, кто помогают, так или иначе, даже такой мелочью, как образцы изображений, объективов, куски текстов со своим развернутым мнением — в раздел благодарности. Здесь не хватает и Вас. Спасибо за внимание.
Алексей Гвоздев, главвред портала.
——
Оптические аберрации в микроскопе | Микроскопия — Микросистемы
Аберрации – это искажения изображения, вызванные отклонением луча от идеальной траектории движения в реальной оптической системе. Идеальная траектория оптического луча показана на всех рисунках, представленных выше, иными словами – это математическая модель распространения света и построения стигматического изображения.
Аберрации делятся на два класса: монохроматические и хроматические. Монохроматические аберрации обусловлены геометрией линзы или зеркала и возникают, как при отражении света, так и при его преломлении. Они появляются даже при использовании монохроматического (узкого участка спектра) света, отсюда и название.
Хроматические аберрации вызваны дисперсией (расщепление света на спектр), изменение линзы по показателю преломления с длиной волны. Из-за дисперсии различные длины волн света фокусируются в разных точках. Хроматическая аберрация не появляется, когда используется монохроматический свет.
Рисунок 1. Глубина резкости. Глубина фокуса
Простейшие монохроматические аберрации – расфокусировку и искажение на наклонной плоскости, исправляются смещением объектива вдоль оптической оси, чтобы совместить фокусную плоскость линзы с плоскостью изображения. Чем больше глубина резкости объектива, тем легче сфокусироваться на объекте. В быту люди очень часто путают понятия глубины резкости изображения в пространстве (ГРИП) и глубину фокуса, рисунок 1. Чтобы объект был чётко виден, необходимо, что он располагался между дальней и ближней точками глубины резкости. Посмотрите на рисунок 9, две маленькие вертикальные стрелочки на рисунке справа – это размер светового пятна, то есть изображение объекта, который мы рассматриваем под микроскопом. Оптика Olympus скорректирована на бесконечность, это значит, что лучи получаемого изображения параллельны, рисунок 2. Параллельные лучи преломляются линзами Вашего глаза (роговицей, хрусталиком, стекловидным телом) и фокусируется на светочувствительной сетчатка, регистрирующей изображение.
Рисунок 2. Увеличение в микроскопе
Сферическая аберрация (Аберрация осевых точек в контексте монохроматических аберраций) – это искажение изображения, из-за несовпадения фокусов (мест пересечения) световых пучков. Происходит, когда периферийные части линзы преломляют лучи сильнее, чем центральные. Из-за этих искажений изображение размыто, как бы не фокусировали объектив, например, если сфокусироваться на центре изображения, то края будут размыты, если сфокусироваться на краях изображения, то центр будет размыт. Есть очень простой опыт, чтобы увидеть эти аберрации: Для проведения опыта: поставьте два листа плотного черного картона параллельно друг другу. В одном из листов проделайте два миллиметровых отверстия по центру на расстоянии 1 см друг от друга. Закройте отверстия кусочком матового стекла, как показано на рисунке 3а, и установите перед матовым стеклом лампу. между двумя листами картона пометите собирающую линзу, включите лампу и попытайтесь получить изображение точек на поверхности картона. Как бы вы не двигали линзу, чёткого изображения не получится, потому что пучки света, проходящие через периферию линзы, буду сфокусированы на более близком расстоянии, чем пучки, прошедшие через центральную часть.
Рисунок 3. Сферическая аберрация. Опыт. 1- линза,
2 – перфорированный картон, 3 – матовое стекло,
4 – картон без отверстий, б – картонный круг с отверстием по центру
А теперь закроем периферию линзы толстым картоном с вырезом по центру, как показано на рисунке 3б, и тогда мы получим изображение нескольких точек, рисунок 4 (если используется лампа накаливания, то мы увидим наиболее яркие точки на раскалённой нити) или одного пятна. Устройство, ограничивающее поток света через линзу, называется – диафрагма.
Рисунок 4. Полученное изображение
Эту аберрацию устраняют добавлением линз с обратной кривизной в оптическую систему.
Рисунок 5. а) ход лучей в собирающей линзе. б) ход лучей в рассеивающей линзе
Коматическая аберрация (кома) – это частный случай сферической аберрации при преломлении боковых лучей. Боковые лучи, преломляясь, не собираются в одной точке, поэтому на изображении эти искажения видны в виде точек с размытым «хвостом», похожие на «кометы», рисунок 8. Исправляются эти аберрации, как и сферические. Дополнительно могут быть подточены края рассеивающей линзы.
Рисунок 6 Коматическая аберрация
Рисунок 7. исправление сферической аберрации
Рисунок 8. Коматические аберрации на изображении.
Астигматизм – это искажение, при котором лучи, распространяющиеся в одном направлении и по одной прямой, в перпендикулярных плоскостях, имеют разное фокусное расстояние, из-за чего изображение будет размыто в одной из плоскостей (горизонтально или вертикально). Это одна из немногих аберраций, у которой есть определённая польза, а именно возможность точной фокусировки. Например, астигматизм используют для STORM микроскопии. Цилиндрическая линза может быть введена в систему визуализации для создания астигматизма, который позволяет измерять положение источника света с ограниченной дифракцией по вертикали (оси Z). Для фокусировки астигматизм используется в оптических головках проигрывателей компакт-дисков. Линза с астигматизмом проецирует овальную точку на диск, и по ориентации овала датчики дисковода определяют на каком расстоянии находится головка считывателя, не позволяя ей поцарапать диск. В лазерах астигматизм используется для проецирования точки в линию. Исправляется астигматизм – точной выточкой линзы. Линза должна быть круглой, чтобы фокус двух перпендикулярных лучей в одной точке.
Рисунок 9. Астигматизм. S
Рисунок 10. Астигматические аберрации
Кривизна поля изображения – это аберрация при которой изображение объекта не плоское, а выгнутое или вогнутое. Для устранения этого явления используют: диафрагму, астигматизм, промежуточные изогнутые линзы, которые корректируют его по краям (с каждой следующей линзой сферизация уменьшается). Обратите внимание, линза окуляров всех хороших микроскопов немного вогнута, а проецируемое объективом искривлённое изображение, выглядит плоским для наблюдателя.
Рисунок 11. Кривизна поля
Дисторсия – искажение при котором линейное увеличение, в поле зрения объектива, неравномерно. Эту аберрацию используют в оптике для специальных фотографических объективов типа «рыбий глаз», калейдоскопах и других оптических приборах. Для микроскопии это явление неприемлемо и его исправляют при помощи диафрагмы, линзы френеля и использования линз с разной кривизной.
Рисунок 12. Дисторсия: Сверху: дисторсия «подушка», посередине «бочка» или «рыбий глаз»
Хроматические аберрации – искажения, возникающие из-за того, что волны разной длины (разного цвета) не сфокусированы в одной точке. Из-за этих аберраций вы можете видеть дисперсию света по краям объектов на изображении, как показано на рисунке 13. Любая линза преломляет свет с разными длинами волн по-разному, из-за дисперсии оптических сред. Именно на эти аберрации обращают внимание в первую очередь, при выборе объектива, потому что их обнаружить легче всего, рисунок 13. Существует два типа хроматических аберраций: осевая (продольная) и поперечная (боковая). Осевая аберрация возникает, когда световые волны различной длины фокусируются на разных расстояниях от линзы (смещение фокуса). Поперечная аберрация возникает, когда разные длины волн фокусируются в разных положениях в фокальной плоскости, поскольку увеличение и/или искажение линзы также зависит от длины волны. Боковая аберрация характерна для коротких фокусных расстояний.
Рисунок 13. Хроматические аберрации на нижнем изображении
Полностью компенсировать хроматические аберрации практически невозможно, поэтому их компенсируют только для определённой части спектра. Минимизировать эти аберрации можно с помощью линз Френеля, дифракционных оптических элементов и ахроматического дублета. Ахроматический дублет – это система, состоящая из двух отдельных линз, с разной дисперсией. Как правило, один элемент представляет собой отрицательный (вогнутый) элемент, изготовленный из кремневого стекла, имеющего относительно высокую дисперсию, а другой представляет собой положительный (выпуклый) элемент, изготовленный из стекла с более низкой дисперсией. Эти линзы, установленные рядом друг с другом, компенсируют хроматическую аберрацию друг друга, рисунок 15.
Рисунок 14. Не скорректированные хроматические аберрации
Рисунок 15. Ахроматический дублет
Вышеперечисленные монохроматические аберрации относятся к так называемым аберрациям третьего порядка и рассчитываются для параксиальной области т.е. области лежащей вблизи оптической оси. Разность между аберрациями, рассчитанными по реальному ходу луча и формулам теории третьего порядка называется аберрациями высших порядков.
В теории аберраций высших порядков выделяют следующие дополнительные аберрации, не имеющие аналогов в третьем порядке:
Аберрации 5-го порядка:
— Птера – крыловидная аберрация
— Сагитта – стреловидная аберрация
Аберрации 7-го порядка – еще две дополнительных:
— Моноптера
— Бисагитта
В более высоких порядках новых аберраций не выделяется.
Следует отметить, что в реальной оптической системе сочетаются все типы аберраций одновременно, а на рисунках представлены лишь схематические модели отдельных аберраций. Выделение отдельных видов аберрация при исследовании сложной аберрационной фигуры рассеяния — искусственный прием для исследования и анализа данного явления.
По вопросам консультации и поставки — свяжитесь с нами любым удобным способом:
+7 (495) 234-23-32
Форма обратной связи
Кома (оптика) — это… Что такое Кома (оптика)?
Схема образования комы: лучи, приходящие под углом к оптической оси собираются не в одной точке
Ко́матическая аберрация или Ко́ма (от др.-греч. κόμη — волосы) — одна из пяти аберраций Зейделя оптических систем; проявляется в том, что каждый участок оптической системы, удалённый от её оси на расстояние d (кольцевая зона), даёт изображение светящейся точки в виде кольца, радиус которого тем больше, чем больше d; может рассматриваться как сферическая аберрация лучей, проходящих не через оптическую ось системы[1]. Центры колец не совпадают, в результате чего их наложение, то есть изображение точки, даваемое системой в целом, принимает вид несимметричного пятна рассеяния. Размеры этого пятна пропорциональны квадрату угловой апертуры системы и удалению точки-объекта от оси оптической системы.
Кома очень велика в параболических рефлекторах и является основным фактором, ограничивающим их поле зрения. В сложных оптических системах кому обычно исправляют совместно со сферической аберрацией подбором линз. Оптические системы с исправленными коматической и сферической аберрацией называются апланатами. Если при изготовлении системы допущена децентрировка одной из поверхностей, то кома искажает изображения и тех точек, которые расположены на оси оптической системы.
Вертикальная кома является наиболее выраженной из аберраций высокого порядка у пациентов с кератоконусом, заболеванием роговицы.[2][3]
Источники
- ↑ Выбор объектива. Часть V «Недостатки объективов» (рус.). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 9 января 2011.
- ↑ Pantanelli S, MacRae S, Jeong TM, Yoon G (November 2007). «Characterizing the wave aberration in eyes with keratoconus or penetrating keratoplasty using a high-dynamic range wavefront sensor». Ophthalmology 114 (11): 2013–21. DOI:10.1016/j.ophtha.2007.01.008. PMID 17553566.
- ↑ Nakagawa T, Maeda N, Kosaki R, Hori Y, Inoue T, Saika M, Mihashi T, Fujikado T, Tano Y (June 2009). «Higher-order aberrations due to the posterior corneal surface in patients with keratoconus». Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 50 (6): 2660–5. DOI:10.1167/iovs.08-2754. PMID 19029032.
Ссылки
Оптические аберрации (искажения) зрительной системы человека
Как и любой «неидеальной» оптической системе, человеческому глазу свойственны оптические дефекты — аберрации, которые снижают качество зрения, искажая изображение на сетчатке. Аберрация — это любое угловое отклонение узкого параллельного пучка света от точки идеального пересечения с сетчаткой при его прохождении через всю оптическую систему глаза.
В технической оптике качество оптической системы определяется аберрациями плоского или сферического фронта световой волны при прохождении через эту систему. Так, глаз без аберраций имеет плоский волновой фронт и дает наиболее полноценное изображение на сетчатке точечного источника (так называемый «диск Эйри», размер которого зависит только от диаметра зрачка). Но в норме, даже при остроте зрения 100%, оптические дефекты преломляющих свет поверхностей глаза искажают ход лучей и формируют неправильный волновой фронт, в результате чего изображение на сетчатке получается более крупным и асимметричным.
Порядки полиномов Зернике
Количественной характеристикой оптического качества изображения является среднеквадратичное значение ошибок отклонения реального волнового фронта от идеального. Немецкий математик Зернике (Zernike) ввел математический формализм, использующий серии полиномов для описания аберраций волнового фронта. Полиномы первого и второго, т. е. низших порядков, описывают привычные для офтальмологов оптические аберрации — близорукости, дальнозоркости и астигматизма. Менее известны полиномы высших порядков: третий соответствует коме — это сферическая аберрация косых пучков света, падающих под углом к оптической оси глаза. В ее основе лежит асимметрия оптических элементов глаза, в результате которой центр роговицы не совпадает с центром хрусталика. К аберрациям четвертого порядка относится сферическая аберрация, которая в основном обусловлена неравномерностью преломляемой силы хрусталика в различных его точках. Более высокие порядки известны как нерегулярные аберрации.
Как измеряется волновой фронт
Оптическая система считается хорошей, если коэффициенты Зернике близки к нулю и, следовательно, среднеквадратичное значение ошибок волнового фронта меньше 1/14 длины световой волны (критерий Марешаля). Исходя из данных этого коэффициента можно прогнозировать остроту зрения, моделируя изображение любых оптотипов на сетчатке. Для определения аберраметрии зрительной системы человека используется специальный прибор — аберрометр. В клиниках «Эксимер» использует аберрометр Wave Scan компании «VISX Inc» (США).
Методы определения аберрации глаза
В настоящее время известно несколько методов определения аберраций глаза, основанных на разных принципах.
Первый из них — это анализ ретинального изображения мишени (retinal imaging aberrometry). На сетчатку проецируются два параллельных лазерных луча с длиной волны 650 нм и диаметром 0,3 мм, один из которых падает строго по зрительной оси и является опорным, а другой расположен на заданном расстоянии от него. Далее регистрируется степень отклонения второго луча от точки фиксации опорного луча, и таким образом последовательно анализируется каждая точка в пределах зрачка.
Второй принцип — анализ вышедшего из глаза отраженного луча (outgoing refraction aberrometry). Широко применялся в астрономии для компенсации аберраций в телескопах при прохождении через атмосферу и космическое пространство. С помощью диодного лазера с длиной волны 850 нм в глаз направляется коллимированный пучок излучения, который, пройдя через все среды глаза, отражается от сетчатки с учетом аберраций и на выходе попадает на матрицу, состоящую из 1089 микролинз. Каждая микролинза собирает неискаженные лучи в своей фокальной точке, а подверженные аберрации лучи фокусируются на некотором расстоянии от нее. Полученная информация обрабатывается компьютером и представляется в виде карты аберраций. На этом принципе построена работа Wave Scan.
Третий принцип основан на компенсаторной юстировке падающего на фовеолу светового пучка. В настоящее время этот способ применяется в качестве субъективного аберрометра, требующего активного участия пациента. В ходе исследования через вращающийся диск с отверстиями 1 мм, расположенный на одной оптической оси со зрачком, в глаз направляется пучок света. При вращении диска узкие параллельные пучки света проходят через каждую точку зрачка и при отсутствии аберраций проецируются на фовеолу, куда направлен другой луч с контрольной меткой в виде крестика. Если у пациента имеется близорукость, дальнозоркость, астигматизм или другие аберрации более высоких порядков, то он заметит несовпадение этих точек с крестиком и с помощью специального устройства должен будет их сопоставить. Угол, на который он смещает точку, отражает степень аберраций.
Разнообразие офтальмологических приборов, созданных с учетом новейших технологий и основанных на различных принципах действия, делает реальным не только качественную, но и количественную оценку аберрации низших и высших порядков, а также влияющих на них факторов.
Основные причины появления аберраций в оптической системе глаза
- Формы и прозрачность роговицы и хрусталика; состояние сетчатки; прозрачность внутриглазной жидкости и стекловидного тела.
- Увеличение диаметра зрачка. Если при диаметре зрачка равном 5,0 мм превалируют аберрации 3—го порядка, то при его увеличении до 8,0 мм возрастает доля аберраций 4 —го порядка. Рассчитано, что критический размер зрачка, при котором аберрации высших порядков оказывают наименьшее влияние, составляет 3,22 мм.
- Аккомодация. Отмечено, что с возрастом аберрации увеличиваются, и в период от 30 до 60 лет аберрации высшего порядка удваиваются. Возможно, это связано с тем, что со временем эластичность и прозрачность хрусталика уменьшается, и он перестает компенсировать роговичные аберрации. Аналогично происходит и при спазме аккомодации.
- Спазм аккомодации встречается достаточно часто у людей разного возраста. В офтальмологии под спазмом аккомодации понимается излишне стойкое напряжение аккомодации, обусловленное таким сокращением ресничной мышцы, которое не исчезает под влиянием условий, когда аккомодация не требуется. Проще говоря, спазм аккомодации — это длительное статичное перенапряжение, глазной мышцы, например, из-за длительной работы за компьютером и возникновение вследствие этого компьютерного синдрома. Спазмы аккомодации могут развиваться при всех рефракциях (включая астигматизм). Спазм аккомодации вызывает ложную близорукость или усиливает близорукость истинную.
- Состояние слезной пленки. Была обнаружено, что при разрушении слезной пленки аберрации высших порядков увеличиваются в 1,44 раза. Одна из разновидностей нарушения слезной пленки — синдром сухого глаза.
Синдром сухого глаза возникает в связи с пересыханием поверхности роговицы от редкого моргания и непрерывного смотрения на объект работы. Исследования показали, что при работе на компьютере, а также при чтении человек моргает в три раза реже, чем обычно. В результате чего слезная пленка высыхает и не успевает восстанавливаться. Причинами возникновения синдрома сухого глаза могут быть: большие нагрузки на глаза при чтении и работе за компьютером, сухой воздух в помещениях, неправильное питание с недостаточным количеством витаминов, большая загрязненность воздуха, прием некоторых медикаментов. - Ношение контактных линз. Выявлено, что мягкие контактные линзы могут вызывать волновые монохроматические аберрации высокого порядка, тогда как жесткие контактные линзы значительно уменьшают аберрации 2-го порядка. Однако асферичность поверхности жестких контактных линз может быть причиной сферических аберраций. Асферические контактные линзы могут вызывать большую нестабильность остроты зрения, чем сферические контактные линзы. Мультифокальные контактные линзы могут индуцировать аберрации по типу комы и 5—го порядка.
В настоящее время разработана методика проведения индивидуализированной коррекции зрения (Super Lasik, Custom Vue) на основе аберрометрии, которая позволяет, максимальным образом компенсируя все возможные искажения в зрительной системе, добиваться отличных результатов в практически любых сложных случаях.
Super LASIK — цены на индивидуальную лазерную коррекцию зрения в Екатеринбурге
Давайте разберемся, в чем отличие методики Super Lasik от Lasik.
Lasik (Лэйзик, Ласик, Лазик) – технология рефракционной хирургии, позволяющая скорригировать близорукость, дальнозоркость и астигматизм.
| Методика LASIK | Методика SUPERLASIK | |
| Ход операции | Ничем не отличаются друг от друга. С помощью микрокератома формируется лоскут, который на время операции отгибается в сторону. После воздействия лазера укладывается на место без наложения швов | |
| Воздействия эксимерного лазера | По стандартному алгоритму для близорукости, дальнозоркости, астигматизма | По индивидуальной программе с учетом особенностей роговицы каждого пациента |
| Оборудование | Операция проводится с использованием микрокератома, эксимер-лазерной установки |
Дополнительное исследование на диагностическом комплексе: Анализатор волнового фронта. Операция проводится с использованием микрокератома, эксимер-лазерной установки |
| Результат после операции | Высокая острота зрения — такая же, как в очках или линзах до операции | За счет устранения имеющихся аберраций высшего порядка достигается острота зрения более 100% |
| Кому рекомендуется | Пациентам, которым требуется коррекция аберраций низшего порядка — близорукось, дальнозоркость, астигматизм | Тем, кто нуждается в коррекции аберраций высшего порядка (определяется во время диагностики). Пациентам, которым важны качество и комфорт зрения в условиях недостаточной освещенности: в сумерки, ночью. Специфические виды деятельности (профессиональные показания или хобби) |
| Диагностика | Проводятся визометрия, авторефрактометрия, тонометрия, периметрия, биометрия, биомикроскопия, офтальмоскопия, кератотопография, кератопахиметрия |
Кроме визометрии, авторефрактометрии, тонометрии, периметрии, биометрии, биомикроскопии, офтальмоскопии, кератотопографии, кератопахиметрии требует дополнительного диагностическогоисследования — анализ волнового фронта |
| Преимущества |
Зрение, близкое или равное единице. Стабильность зрения после операции. Вероятность осложнений менее 0,01%. Безболезненность. Легко переносима. Восстановление зрения в первые 2-3 часа. |
Дополнительно к преимуществам методики LASIK: Исключительная точность проведения коррекции. Возможность обеспечения остроты зрения более 100%. Высочайшее качество зрения (четкость, яркость, контрастность). Хорошее сумеречное и ночное зрение, отсутствие двоений и засветов от ярких объектов. Возможность исправления погрешностей оперативного вмешательства на других эксимерных лазерах. Высокая зрительная работоспособность. Меньшая зрительная утомляемость |
Super Lasik (СуперЛэйзик, СуперЛасик, СуперЛазик) – технология рефракционной хирургии, позволяющая не только исправить близорукость, дальнозоркость и астигматизм, но и устранить имеющиеся аберрации высшего порядка оптической системы глаза, получив в результате более высокую остроту и качество зрения по индивидуальной программе, основанной на данных абберометрии глаз.
Если проще, то оптика человеческого глаза несовершенна. Роговица и хрусталик – это две основные линзы человеческого глаза, определяющие качество прохождения лучей к сетчатке. Поскольку и роговица, и хрусталик – это линзы биологического «происхождения», то поверхности их часто далеки от совершенства. А от идеальности/не идеальности хода лучей к сетчатке зависит острота и качество зрения человека.
Несовершенство передней и задней поверхностей роговицы и хрусталика, неоднородность белковой структуры хрусталика и стекловидного тела, несоответствие рефракции роговицы и хрусталика длине глаза, несовпадение анатомической и оптической осей роговицы, хрусталика и глаза – все эти и некоторые другие причины приводят к тому, что изображение на сетчатке конкретного глаза бывает не чётким.
Все эти причины изменяют ход лучей, идущих к сетчатке, искажают изображение предметов (т.е. создают аберрации). В итоге чёткого изображения на сетчатке не получается. У людей с аберрациями высшего порядка оптической системы глаз даже в очках или контактных линзах не удается получить 100% зрение.
Такие пациенты видят предметы не идеально чётко, особенно при недостатке освещения.
Итак, аберрации – это «неправильные», искажённые лучи, достигающие сетчатки. Глаз любого человека имеет аберрации. Но все дело в степени их выраженности. Если аберраций оптической системы конкретного глаза мало – у человека хорошее зрение. Если же много – зрение слабое.
Какие аберрации бывают?
Аберрации бывают низших и высших порядков, монохроматические и хроматические, дифракционные. Разные виды аберраций неодинаково влияют на зрение человека.
Рассмотрим для начала те монохроматические аберрации низших порядков, которые имеют максимальное влияние на остроту и качество зрения человека:
Аберрации низших порядков. Самое большое влияние на остроту зрения оказывает так называемый дефокус — сферический компонент рефракции (т.е. величина сферы в очках/контактных линзах).
Чем больше сферический компонент, тем дальше фокус от сетчатки, тем хуже зрение. Т.е. если у вас рефракция глаз -1,0 диоптрия, то в этом случае вдаль вы видит лучше человека, рефракция глаз которого, к примеру -4,0 диоптрии, так как фокус лучей у человека с рефракцией глаз в -4,0 диоптрии дальше от сетчатки, чем фокус лучей у вас при -1,0. Проявляется данная аберрация в виде нечеткости предметов. Чем выше степень близорукости или дальнозоркости, тем больший дефокус изображения на сетчатке.
Астигматизм — следующий по важности влияния на остроту зрения вид аберраций.
Причина астигматизма в несферичности поверхностей преломляющих сред глаза (различности кривизны оптической поверхности по разным плоскостям). У людей с роговичным астигматизмом передняя поверхность роговицы представляет собой неправильную полусферу (поверхность роговицы отчасти похожа на поверхность мяча для регби: по вертикали одна кривизна, а по горизонтали — другая).
Как проявляется астигатизм? Человек с астигматизмом, например, видит круглый предмет как нечеткий овал. Или при чтении у него вертикальные линии букв будут отличаться от горизонтальных по четкости.
Примерно 8%5 процентов всех геометрических монохроматических аберрации низших порядков – это близорукость, дальнозоркость и астигматизм:
- оказывают самое большое влияние на остроту зрения человека
- обычно корригируются очками или контактными линзами.
- а также с помощью метода Lasik.
Но на качество зрения оказывают влияние и аберрации высших порядков, коррекция которых возможна по методике SuperLasik.
Или, если главные плоскости астигматичного глаза вертикальная и горизонтальная, вертикальные линии букв в таблице по проверке зрения отличаются по четкости от горизонтальных линий.
Примерно 85 % всех геометрических монохроматических аберраций низших порядков – это близорукость, дальнозоркость и астигматизм. Они оказывают самое большое влияние на остроту зрения человека и обычно корригируются очками или контактными линзами. А также с помощью лазерной коррекции зрения методом Лэйзик.
Но на качество зрения оказывают влияние и аберрации высших порядков. Скоординировать их можно по методике СуперЛэйзик.
КомаКома возникает, когда световые лучи попадают в глаз под небольшим углом к оптической оси глаза. Тогда изображение светового пятна, к примеру, на сетчатке выглядит, как комета: несимметричное пятно, с максимальной освещенностью у вершины, со «шлейфом», постепенно уменьшающейся яркости и расширяющегося с удалением от «головы кометы». Причина комы чаще всего в несовпадении оптической оси роговицы с оптической осью хрусталика глаза.
Сферические аберрации — ещё один важный вид геометрических монохроматических аберраций.
Как проявляются сферические аберрации?
Лучи, проходящие через центральную зону линзы (хрусталика, роговицы) фокусируются дальше, а лучи, проходящие через периферическую часть, — ближе к плоскости сетчатки. Это приводит к неравномерности четкости и освещенности предмета на сетчатке: четкий равномерно освещенный круг проецируется на сетчатку как частично нечеткий с различной освещенностью в центре и на периферии. Максимально сферические аберрации влияют на зрение в условиях сумерек и в темноте.
Астигматизм наклонных пучков
— следующий вид геометрических монохроматических аберраций (похожих на кому). Он возникает при больших углах наклона световых лучей к оптической оси глаза.Нерегулярные аберрации
относятся к аберрациям 6-8 порядков (трилистник, четырехлистник, пятилистник, шестилистник и др ). Они описывают аберрации отдельных секторов оптической системы глаза. Причина нерегулярных аберраций в разнонаправленности коллагеновых фибрилл стромы роговицы и неодинаковой толщины стромы роговицы в центральных и периферических отделах, а также в неравномерности строения хрусталика.
Аберрации высших порядков могут значительно влиять на зрение в условиях плохой освещенности. Чем темнее, тем шире зрачок и тем хуже зрение людей с таким типом аберраций. И это несмотря на то, что миопия, дальнозоркость и астигматизм могут быть хорошо скорригированы очками или контактными линзами.
Аберрации высших порядков у некоторых людей влияют на зрение и при хорошем освещении (узком зрачке). Не идеальные поверхности роговицы и хрусталика приводят к искажениям изображения на сетчатке, которые невозможно исправить очками или контактными линзами.
Как диагностируют аберрации высшего порядка?
Диагностика наличия аберраций высших порядков производится с помощью аберрометров – аппаратов, анализирующих так называемый отраженный волновой фронт. Аберрометрия — это компьютерный анализ отклонения световых лучей, направленных аберрометром на сетчатку (волновой фронт) с последующим компьютерным анализом отраженных лучей. Аберрометр с высочайшей точностью выявляет все погрешности оптической системы конкретного глаза, степень их влияния на качество зрения и позволяет сформировать индивидуальную программу устранения аметропии, астигматизма и аберраций высших порядков.
Именно технология рефракционной хирургии Super Lasik позволит не только скорригировать близорукость, дальнозоркость и астигматизм, но и, устранив аберрации высшего порядка оптической системы глаза, получить остроту зрения в 120-200%.
Представителям ряда профессий нередко бывает просто необходимо такое высокое качество зрения. Например, для тех, чья деятельность связана с управлением автомобилем, особенно в темное время суток, со спортом, с оперированием мелкими деталями (допустим, рукоделие) и т.д., и т.п.
Методы Лэйзик и СуперЛэйзик не конкурируют между собой, они дополняют друг друга. Дело в том, что аберрации высшего порядка есть не у всех.
Поэтому при их отсутствии достаточным будет исправление зрения по традиционной программе Лэйзик, т.е. коррекция аберраций только низшего порядка: близорукости, дальнозоркости и астигматизма. В случае обнаружения оптических аберраций высшего порядка, коррекция может быть при желании пациента проведена по программе СуперЛэйзик.
Аберрации в оптической системе глаза | Певко
1. Аветисов С.Э., Шелудченко В.М. Нужно ли нам суперзрение? Аберрации глаза // Клиническая физиология зрения: очерки. — 2-е изд., перераб. и доп. — М., 2002. -С. 488-501.
2. Балашевич Л.И. Диагностика и коррекция оптических аберраций глаза // Международный медицинский журнал. — 2003. — Т. 9. — № 3. — С. 62-69.
3. Вит В.В. Строение зрительной системы человека. -Одесса: Астропринт, 2003.
4. Герман И. Физика организма человека /Пер. с англ. -Долгопрудный, 2011.
5. Ландсберг Г.С. Оптика. — Изд. 5-е, перераб. и испр. -М.: Наука, 1976.
6. Луизов А.В. Глаз и свет. — Л., 1983.
7. Можаров Г.А. Основы геометрической оптики: Учеб. пособие. — М., 2006.
8. Офтальмология: национальное руководство /Под ред. С.Э. Аветисова, Е.А. Егорова, Л.К. Мошетовой, В.В. Нероева, Х.П. Тахчиди. — М., 2008.
9. Розенблюм Ю.З. Оптометрия (подбор средств коррекции зрения). — Изд. 2-е, испр. и доп. — СПб., 1996.
10. Справочник медицинского оптика, часть первая. Основы физической оптики. Физиология зрения. Контактная коррекция. Очковые линзы / Певко Д.В., Кушель Т.К., под ред. В.Г. Бахтина. — СПб., 2016.
Оптические аберрации — Коматические аберрации — Учебное пособие по Java
Оптические аберрации — Коматические аберрации — Учебное пособие по Java
Коматические аберрации похожи на сферические аберрации, но они в основном встречаются при внеосевых световых потоках и наиболее серьезны, когда микроскоп находится вне зоны действия микроскопа. выравнивание. Когда возникают эти аберрации, изображение точки фокусируется на последовательно различающихся высотах, образуя серию асимметричных пятен увеличивающегося размера, которые приводят к форме кометы (отсюда и термин кома; рис. 1) узору Эйри.
При инициализации учебного пособия в центре окна апплета появляется наклонный вид трехмерной дифракционной картины Эйри без аберраций (называемой функцией рассеяния точки) вместе с поперечным сечением рисунка, как он появляется на изображении. самолет. Слева от шаблона Эйри находится изображение, сформированное микроскопом и ползунком, обозначенным Off-Axis Distance . В правой части окна апплета находится диаграмма трассировки лучей, которая отображает изменения размера и положения фокальной точки изображения в зависимости от расстояния вне оси.По мере того, как ползунок медленно перемещается вправо, изображение микроскопа приобретает увеличивающуюся степень коматической аберрации, а форма рисунка Эйри трансформируется в распределение интенсивности, обычно встречающееся при этом типе аберраций. Одновременно на диаграмме трассировки лучей сначала отображаются осевые световые лучи, которые перемещаются к ряду внеосевых фокальных точек, имеющих разное поперечное увеличение.
Кома часто считается наиболее проблемной аберрацией из-за асимметрии изображений.Это также одна из самых простых аберраций для демонстрации. В яркий солнечный день используйте увеличительное стекло, чтобы сфокусировать изображение солнца на тротуаре, и слегка наклоните стекло по отношению к основным солнечным лучам. Изображение Солнца при проецировании на бетон затем вырастает в кометоподобную форму, которая характерна для коматической аберрации.
Четкая форма, отображаемая изображениями с коматической аберрацией, является результатом различий в преломлении световых лучей, проходящих через различные зоны линзы при увеличении угла падения.Тяжесть коматической аберрации зависит от формы тонкой линзы, которая в крайнем случае приводит к тому, что меридиональные лучи, проходящие через периферию линзы, попадают в плоскость изображения ближе к оси, чем лучи, проходящие ближе к оси и ближе к главной оси. луч (см. рисунок 1). В этом случае периферийные лучи дают наименьшее изображение (наименьшее увеличение; Рисунок 1), а знак аберрации комы считается отрицательным . Напротив, когда периферийные лучи фокусируются дальше по оси и создают гораздо большее изображение (большее увеличение; рис. 1), аберрация называется положительной .Форма «кометы» может иметь «хвост», направленный к центру поля зрения или в сторону, в зависимости от того, имеет ли коматическая аберрация положительное или отрицательное значение.
Когда ползунок Off-Axis Distance перемещается в крайнее правое положение, диаграмма трассировки лучей в учебном пособии показывает несколько наклонных траекторий световых лучей, представляющих те лучи, которые участвуют в аберрации. Внеосевые световые лучи часто интерферируют друг с другом около фокальной плоскости, создавая искаженные изображения, видимые в микроскоп.Точка изображения, созданная коматической аберрацией (см. Апплет), на самом деле представляет собой сложную трехмерную асимметричную дифракционную картину, которая отличается от классической картины Эйри. Образуется удлиненная структура, состоящая из дуг и эллипсоидальных напряжений, которые лишь отдаленно напоминают диск-кольцо, из которого возникла функция рассеяния точки.
Тяжесть комы, как и сферической аберрации, во многом зависит от формы хрусталика. Линза с сильно вогнутым положительным мениском будет демонстрировать значительную отрицательную коматическую аберрацию, тогда как плосковыпуклые и двояковыпуклые линзы вызывают кому, варьирующуюся от слегка отрицательной до нулевой.Объекты, отображаемые через выпуклую сторону плосковыпуклой линзы или линзу с выпуклым мениском, будут иметь положительную кому.
Кома может быть исправлена с помощью комбинации линз, расположенных симметрично относительно центрального упора. Чтобы полностью исключить кому, должно быть выполнено условие синуса Аббе :
d ‘× n (sinβ’) = d × n (sinβ ‘)
, где d’ и d — расстояния от оптической оси в пространстве изображения ( простых значений ) и пространстве объекта, n — показатель преломления, а β — угол обзора.Система линз, такая как конденсор микроскопа или объектив, в которой отсутствует коматическая аберрация, обозначается как апланатическая . Все факторы, способные увеличить сферическую аберрацию, также особенно важны для комы.
Соавторы
H. Ernst Keller — Carl Zeiss Inc., One Zeiss Dr., Thornwood, NY, 10594.
Kenneth R. Spring — научный консультант, Lusby, Maryland, 20657.
John C.Long и Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 Ист. Пол Дирак, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.
Что такое кома в фотографии и как ее уменьшить
Кома , также известная как «коматическая аберрация», представляет собой тип оптической аберрации, которая приводит к тому, что внеосевые точки света выглядят как кометы. Когда световые лучи от краев кадра проходят через различные части сферической поверхности, они различаются по увеличению, создавая серию асимметричных круглых форм увеличивающихся размеров.Вместе они образуют конусообразную форму, как показано ниже:
Линзы, отображающие сильную кому, могут показывать яркие, резкие световые точки в центре кадра, которые становятся значительно более размытыми по направлению к краям кадра. Это можно отчетливо наблюдать при фотографировании ночного неба, когда звезды выглядят как точки в центре, но принимают форму кометы в углах:
Изображение точки света в центре кадра по сравнению с крайним углом. Световые точки были увеличены на 400% в иллюстративных целях.Коматическая аберрация может быть как положительной, так и отрицательной, в зависимости от того, простирается она от оптической оси или к ней.
Кома в линзах
Кома — довольно распространенная проблема телескопов, микроскопов и фотографических объективов, и она часто наиболее заметна при широкой диафрагме объектива. В отличие от хроматической аберрации, кома навсегда повреждает изображение, и ее нельзя исправить с помощью программного обеспечения для постобработки. Поэтому важно выбирать линзы, которые были сконструированы таким образом, чтобы минимизировать коматозное состояние.
Также важно проверить линзы и убедиться, что они не децентрализованы. Децентрализация линзы может привести к более выраженным аберрациям на изображениях, включая кому.
Хотя известно, что некоторые линзы демонстрируют коматическую аберрацию, большинство современных фотографических объективов больше страдают от других форм аберраций, таких как астигматизм, или имеют комбинацию различных аберраций. В результате многие фотографы ошибочно маркируют все некруглые формы по краям кадра из-за плохой обработки объективом «комы».На самом деле кома в современных линзах встречается редко, потому что многие из них имеют корректирующие элементы, уменьшающие кому.
Коматные характеристики объектива становятся все более важными при съемке ночного неба. Поскольку все звезды при правильной фокусировке являются маленькими световыми точками, они могут быть визуализированы как конусы / кометы по направлению к краям кадра, особенно при широкой диафрагме, такой как f / 1,4 или f / 2,8.
Как уменьшить кому
Помимо замены объектива на объектив с лучшими характеристиками комы, единственное, что можно сделать в полевых условиях для уменьшения комы, — это остановить объектив до меньшей диафрагмы.Остановка линзы позволяет лепесткам диафрагмы блокировать световые лучи, исходящие от внешних краев сферических линз, что существенно снижает коматическую аберрацию.
Например, если объектив показывает сильную кому при f / 1,4, установка объектива на что-то вроде f / 2,0 или f / 2,8 может значительно улучшить его характеристики комы. Это может быть не всегда практично в полевых условиях, поскольку также увеличивает время экспозиции (что не идеально для астрофотографии), но это работает.
Если вам интересно узнать больше, ниже приведен список статей о других типах аберраций и проблем, которые мы ранее публиковали на сайте Photography Life:
телескоп Ѳ шт.нетто ▪ ▪
▪ ▪
▪▪▪▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪ СОДЕРЖАНИЕ ◄ 4.1.3. Более высокого порядка сферическая аберрация ▐ 4.3. Астигматизм ►Как правило, кома аберрация волнового фронта возникает либо из-за фронт падающей волны либо наклонен, либо децентрализован относительно оптическая поверхность.Следовательно, это либо аберрация, влияющая на внеосевое изображение точки или результат бокового смещения оптических поверхностей, соответственно. Важное различие между ними заключается в том, что бывшая кома принимает форму внеосевой аберрации, увеличивающейся с увеличением угол поля зрения, а в последнем он даже по величине поле, включая центр поля. Форма комы чаще всего в любительских телескопах преобладает нижний (4-й) порядок или первичная кома .Как показано на фиг. , фиг. 39 , г. его отклонение волнового фронта имеет обратную симметрию вдоль оси аберрации, одна сторона более плоская, а другая более изогнутая по отношению к идеальная эталонная сфера. РИСУНОК 39 : ВЕРХНИЙ —
Волновой фронт первичной комы
аберрация. СПРАВА: фронт падающей волны W i,
наклонен относительно оптической поверхности, теряет необходимую симметрию
становиться сферическим после отражения; в результате лучи, исходящие
при фактическом разбросе волнового фронта, образуя кому
размытие.Отраженный волновой фронт Вт а
отклоняется от эталонной сферы Вт G
с центром в точке гауссовского изображения G ;
после корректировки наклона, лучшая эталонная сфера W P
находится с центром в лучшем (дифракционном) фокусе F b.
СЛЕВА: преувеличенное изображение фронта волны комы.
деформация, и как она заставляет лучи распространяться в размытие комы (для
четкость, размытие повернуто на 90 °).Сечение середины
(сплошной синий) и край
боковая проекция (пунктирная синяя)
коматического волнового фронта указывают на форму его отклонения от идеального
эталонная сфера (красные точки). Имеет элемент наклона в сочетании с
лепестковые деформации на противоположных сторонах волнового фронта. Только центральное пятно волнового фронта
почти сферический, с фокусировкой в точке максимальной интенсивности F b (лучше всего, или дифракционный фокус
расположение), которая располагается на 2/3 сагиттальной комы по оси
аберрации.Радиус пятна RMS является наименьшим при вычислении на центроиде PSF C ,
когда она составляет 0,29 тангенциальной комы. Очевидно, что как ошибка волнового фронта — так и размер размытия
относительно диска Эйри — увеличение, смещение места наилучшего фокуса
дальше от точки гауссовского изображения. Картирование лучей, рассеянных комой Деформация волнового фронта следует простой элегантной симметрии.Как показано на РИС. 40 , г. каждая зона в зрачке фокусируется не в точке, а в круге диаметр R = hz 2 / 2f 2 (11) с ч — линейная высота в плоскости изображения, z = ρd = ρD / 2 — зональная высота в зрачке. ( D — диаметр зрачка или апертуры и ρ высота зоны, нормированная на 1), и f фокусное расстояние.Круг образован каждой парой диаметрально противоположные точки в данной зоне зрачка, фокусирующиеся в один круг точка. Центр каждый круг также смещены по оси аберрации, от точки гауссовского изображения на длину, равную окружности диаметр. Волновой фронт функция аберрации при первичной коме в Точка гауссовского изображения приведен в таблице 4. Но лучше всего расположение фокуса смещено в сторону от этой точки, т.е. требует поправка на наклон волнового фронта. Функция аберрации (т.е. ошибка волнового фронта как разность оптического пути относительно эталонной сферы) для комы в лучшем случае фокус дает: с участием C — пик комы коэффициент аберрации, ρ радиус зрачка, нормированный на 1 и θ угол зрачка.Обратите внимание, что Вт в на максимуме представляет 1/2 ошибки волнового фронта P-V, поскольку дает идентичные значение противоположного знака для отрицательных ρ (т.е. для противоположной половины радиуса зрачка). Как показано слева, пики аберрации при ρ = 1 и θ = 0 ° и 180 ° — т.е. вдоль оси аберрации — при этом знак аберрации меняется симметрично на обе стороны волнового фронта (кроме θ = 0, когда отклонение равно нулю по радиусу зрачка).Второй фактор в скобках — эффективно коррекция наклона волнового фронта — делает ошибку комы P-V при лучшем фокусе («сбалансированная» кома, показана слева) в три раза меньше в максимуме, чем ошибка P-V на параксиальный (Гауссовский) фокус. Последнюю называют «классической», или комой Зейделя, где ошибка волнового фронта P-V определяется выражением W = Cρ3cosθ ( ФИГ. 42 , средний). The RMS ошибка волнового фронта для комы при лучшем фокусе, с точки зрения максимальной аберрации коэффициент C составляет: ω с = С / 72 0.5 (16) С точки зрения ошибки волнового фронта P-V это ωc = 2Wc / √ 32, с Вт c как указано выше, ошибка волнового фронта пика комы (половина от P-V ошибка). На РИС. 39 , пиковая погрешность на верхнем радиусе (крайняя точка) положительный, находясь дальше от центра идеальной эталонной сферы чем его идеальная опорная точка, в то время как пиковая ошибка на нижнем радиусе отрицательна.Это так называется «положительной» комой, с уплощенной верхней частью волнового фронта относительно эталонной сферы, а нижняя часть больше изогнутый. Его коматический хвост ориентирован наружу, от центра поля. Наличие фактора угла зрачка ( cosθ ) указывает, что аберрация несимметрична относительно вращения. пиковый коэффициент аберрации определяется как: С = cαd 3 (13) с c — аберрация комы коэффициент (упрощенное обозначение для 1 Вт 31 из таблицы 4), α угол поля зрения (в радианах) и d радиус зрачка. Для общего оптическая поверхность, кома коэффициент аберрации составляет выдает: c = 0,5n2 [(1 / O) — (1 / R)] [(1 / n’I) — (1 / nO)] где I , O — расстояние до изображения и объекта, а n , n ‘ — это показатели преломления падения и преломления или отражение соответственно. Коэффициент аберрации комы c для рефракции или отражающая поверхность для объекта, находящегося на бесконечности, и диафрагма на поверхности определяется по формуле: с фокусным расстоянием f , а n и n индекс падения и преломления / отражения соответственно. Для одиночной тонкой линзы при остановке на поверхности коэффициент комы составляет: с p , q и f является линза фактор позиции, коэффициент формы и фокусное длина соответственно. Тонкая линза не подвержена коме, если ее коэффициент формы q и фактор положения p связаны как q = — (2n + 1) (n-1) p / (n + 1).Дублирование линз может иметь как кому, так и сферическую аберрацию. Для данной формы p и q знак комы не зависит от оптической силы линзы, т. е. одинаково для положительных и отрицательная линза. Однако, если разместить их один за другим, их соответствующие p значения — и, возможно, знак — будут другими, и так будет кома, вызванная каждым элементом. С участием Что касается положения остановки диафрагмы, это влияет на кому только с объективы без коррекции сферической аберрации.С апланатическим (с поправкой на сферическую аберрацию и кому на бесконечность) система линз, положение остановки не влияет ни на кому, ни на астигматизм, ни на кривизну поля. Для зеркальная поверхность, коэффициент комы для любого расстояния до объекта равен:
где м — увеличение поперечного изображения (определено следующий Уравнение 9.). Для удаленных объектов m = 0, n = 1 для зеркала в воздухе, ориентированного влево, и коэффициент уменьшается до: Как показывает функция аберрации, отклонение от идеального опорного волнового фронта наибольшее при ρ = 1 и либо cosθ = 1, либо cosθ = -1 (т.е. θ = 0 или θ = π радиан соответственно). С θ позиционный угол в зрачке, измеренный до плоскости оси аберрация, максимальная отклонение происходит в краевых точках волнового фронта в плоскости аберрация ( РИС. . 25 , г. левый). В отклонение равно нулю при cosθ = 0 (т.е. θ = π / 2 или θ = 3π / 2), который представляет собой диаметр волнового фронта, ортогональный плоскости аберрации.Для ρ меньше | ~ 0,8 | отклонение меняет знак, в результате двух лепестковых деформаций, показанных на ФИГ. 39 , слева. Как уже упоминалось, Вышеупомянутые соотношения для аберрации комы относятся к зеркалу с диафрагмой на поверхности. Для смещенного упора коэффициент аберрации комы c изменяется с коэффициентом Δ [ c ‘ = 1- (1 + K) σ] / σR; , г. где Δ — высота главного луча на зеркале (определяется как произведение расстояния от зеркала до упора и угла падения), K, — коническая форма зеркала, а σ расстояние от зеркала до упора в единицах радиуса зеркала кривизна, численно положительная.Таким образом, для смещенного упора коэффициент аберрации объекта при бесконечность: Так как Δ и σ изменяются пропорционально отрыву упора, положение упора не влияет на кому параболоида (K = -1), в то время как отменяет кому любой коники K> -1 для остановки отрыва σ = 1 / (1 + K) . С другой стороны, смещенный упор увеличивает кому при K <-1 (гиперболоид). Это применимо к объектам, находящимся на бесконечности; для близких объектов , для которых увеличение зеркального объекта-изображения м существенно отличается от нуля, коэффициент изменения коэффициента комы вызвал по упору диафрагмы смещение получается заменой обеих единичных фигур в «бесконечности» коэффициент расстояния до объекта c ‘ с (м + 1) / (м-1), или (1 Ом), Ом величина, обратная расстоянию до объекта в единицах радиуса кривизна, численно положительная.Это дает коэффициент как: Обратите внимание, что (1-Ω) просто другая форма параметра (1-2ψ), используемого в Уравнение 9.1, ψ — величина, обратная расстоянию до объекта. О в единицах фокусного расстояния ψ = f / O. Ошибка волнового фронта изменяется с коэффициентом. Учитывая, что увеличение м составляет отрицательный, кома уменьшается с расстоянием до объекта, опускается до нуля на m = -1 (для объекта в центре кривизны зеркала) и остановиться в поверхность (σ = 0) независимо от конический. Из-за пика отклонения волнового фронта с комой на относительно небольшой площади, усредненная по всему волновому фронту ошибка для комы меньше, чем для сферическая аберрация для любой данной ошибки волнового фронта P-V (, фиг. 41, ). РИСУНОК 41 : Лучевая аберрация комы в виде лучевого пятна (внизу) и фактическая дифракционная картина (вверху). Сверху : слева направо, идеально дифракционная картина относительно яркой звезды, дифракционная картина затронутый 0.Ошибка 42 волнового фронта P-V волны комы (соответствует 0,074 среднеквадратичного значения волны, для 0,80 Штреля, таким образом, сравнимо с 1/4 волны P-V первичной сферической формы. аберрация), и дифракционная картина под влиянием 0,84 волны P-V ошибка волнового фронта комы (~ 0,15 среднеквадратичная ошибка волнового фронта, сопоставимая до 1/2 волны P-V сферической аберрации). Как ошибка увеличивается, лучшее место фокусировки смещается от середины Диск Эйри в сторону изменения интенсивности. В отличие от сферических аберрации, нет никакого выигрыша от осевой дефокусировки, что довольно это очевидно из формы деформации волнового фронта. Низ : соответствующие графики лучевых пятен для одинаковых величин аберрации. V-образный форма, очевидная в лучевом пятне, не проявляется на самом деле дифракционная картина до тех пор, пока ошибка не превысит ~ 1 волна P-V, при условии есть достаточное увеличение, чтобы сделать его видимым для глаза. Для малых уровней аберрации сдвиг от гауссовского изображения точки наилучшего фокуса поперек, в плоскости изображения и вдоль ось аберрации, заданная как 4FC / 3 = 8FW c /9 .Лучше всего сосредоточиться на 1 / 4.5 длины размытия от точки гауссова изображения (острия). Сдвиг эффективно корректирует элемент наклона волнового фронта. В отличие от сферической аберрации, пиковый коэффициент аберрации C для комы не равен p-v ошибка волнового фронта. В месте наилучшего фокуса ошибка волнового фронта P-V составляет 2C / 3, при этом пиковая ошибка волнового фронта составляет ± С / 3. Погрешность в 3 раза меньше, чем при расположении гауссова точка изображения, для которой не исправлен наклон. Следует отметить, что при коме, как и при аберрациях в целом, самая низкая среднеквадратичная ошибка волнового фронта дает самый высокий пик PSF только при пока величина аберрации остается относительно небольшой. В основном, под среднеквадратичным отклонением 0,15 волны. Специально для комы пик PSF смещается от наилучшего фокуса (по величине ошибки волнового фронта), как определено выше, поскольку аберрация превышает 0,76 волны P-V (0,134 волны RMS). Для больших ошибок пик PSF обычно расположен ближе к Гауссов фокус, но его точное местоположение зависит от величины ошибки. (левый). Моделирование фактического PSF справа показывает сдвиг в 2-D. Это происходит по оси аберрации (или, в терминах геометрическое пятно луча вдоль его оси симметрии), следовательно, величина сдвиг уменьшается от максимума для линии обзора, перпендикулярной ось, к нулю, если луч зрения совпадает с осью аберрации. Кома поперечный аберрация также может быть выражена через пиковую аберрацию коэффициент C .Тангенциальная кома равна T = 6f C / n’D , f — фокусное расстояние, а D — диаметр апертуры. Для зеркала ориентирован влево, n ‘= — 1, и T = 6FC , где F — число фокусного отношения, F = f / D. С пиковая аберрационная кома коэффициент C = α D / 32F2 для удаленных объектов тангенциальная кома может быть выражена напрямую как: как поперечная аберрация (h = αf, линейная высота в плоскости изображения), и т а = T / f = 3h / 16fF 2 = 3 часа / 16DF 3 = 3α / 16F2 (17.1) как угловая тангенциальная кома (в радианах). По пиковому волновому фронту комы ошибка Wc , Т = 18FW c (пиковая погрешность волнового фронта, как уже упоминалось, составляет 1/2 от P-V ошибка). Из ур. 11 , тангенциальный кома изменяется пропорционально квадрату высоты зрачка (зональной), или с участием ρ 2 для радиуса зрачка, нормированного на 1.Как уже было сказано, сагиттальная кома S = T / 3 ; она в 3F больше, чем ошибка волнового фронта P-V. Размытие геометрической комы (тангенциальная кома) также может быть выражено через RMS. ошибка волнового фронта ω , как t = ω √2592 /2,44 , в диаметрах диска Эйри; также с точки зрения пикового коэффициента аберрации как t = 6C / 2,44 (в диаметрах диска Эйри), для среднеквадратичной ошибки волнового фронта ω и пикового коэффициента аберрации C в единицах длины волны.Для любого данного RMS ошибка волнового фронта, тангенциальная кома меньше сферической аберрации размытость при наилучшем фокусе с коэффициентом (81/360) 1/2. Наконец, RMS радиус луча для сбалансированной комы определяется как rRMS = 2 √ 7 / 9FC, что в терминах тангенциальной комы становится √ 7 / 9T / 3. Другими словами, оно в раз меньше тангенциального размытия комы. 0,294. RMS-радиус размытия комы наименьший при измерении вокруг PSF комы. центроид (на 1/3 тангенциальной комы по оси аберрации; C по Инжир.39 осталось). Наименьший среднеквадратичный радиус размытия равен r’RMS = √ 8 / 3FC, или меньше в 0,926 раза, чем среднеквадратичный радиус размытия с центром в дифракционный фокус. Однако из-за увеличения ошибки наклона волнового фронта составляющая, P-V ошибка комы для волнового фронта с центром в PSF центроид находится на минимальном уровне для ρ = 1/ √ 3, а для функции аберрации Wc = C (ρ3-ρ) cosθ. Это дает пиковую ошибку волнового фронта Wc = -0.3849C, в 1,15 раза больше, чем пиковая ошибка волнового фронта — и RMS ошибка волнового фронта — при лучшем фокусе. В единицах диаметра диска Эйри среднеквадратичное значение
диаметр размытия в лучшем фокусе составляет RRMS = 2 √ 7 / 9C / 1,22,
с пиковым коэффициентом аберрации C в единицах
длина волны. Поскольку ошибка волнового фронта P-V комы W = 2Wc = 2C / 3,
его также можно записать как RRMSW √ 7 / 1.22.
По среднеквадратичной ошибке волнового фронта комы ω c,
это RRMS = 4 √ 14ωc / 1.22. ПРИМЕР : Для параболоида 200 мм f / 5 таким образом, d = 100 и R = -2000, пиковая ошибка волнового фронта комы на 1,4 мм внеосевой (с углом поля α = 1,4 / 1000 = 0,0014), полагая ρ = 1 и θ = 0 в Ур. 12 , доходит до C / 3. При максимальном коэффициенте аберрации C = cαd3 = αd3 / R2 = 0,00035 мм, ошибка пикового волнового фронта комы составляет Вт c = 0,0001167 мм. Ошибка P-V волнового фронта равна вдвое больше, или 0.000233мм. В единицах длины волны 550 нм (0,00055 мм) это 0,424 (волна 1 / 2,36). Среднеквадратичный волновой фронт ошибка составляет ω = C / √ 72 = 0,000041 мм или, в единицах длины волны 550 нм, 0,075 (волна 1 / 13,33). RMS Ошибка волнового фронта также может быть получена из ошибки волнового фронта P-V как ω = 2Wc / √ 32. В любом случае аберрация находится на обычном «дифракционно-ограниченный» уровень. Поперечно-тангенциальная кома Т = 6FC = 0.0105 мм или 1,56 Эйри диаметры дисков. Следовательно, угловая тангенциальная кома T a = T / f равно 0,0000105 в радианах, или 206,265×0,0000105 = 2,17 угловых секунд. Поскольку и ошибка волнового фронта, и геометрическая (луч) аберрации прямо пропорциональны коэффициенту аберрации, это означает, что они сами находятся в постоянной пропорции. В другими словами, удвоение ошибки волнового фронта также удваивает геометрическое аберрация. Среднеквадратичное размытие радиус rRMS = 2 √ 7 / 9FC = 0,000617 мм, и среднеквадратичный диаметр размытия в единицах диаметра диска Эйри. RRMS = 2 √ 7 / 9C / 1,22 = 0,92, для C в единицах длины волны. Аналогично сферической аберрации более высокого порядка, сильно искривленные поверхности создают высшая (вторичная) кома , внешне похожая на его форма более низкого порядка, но не идентична.В отличие от первичной комы, где кружки зональных лучей увеличиваются с увеличением квадрат зональной высоты, а центр круга находится на расстоянии его диаметра от гауссова фокуса, с вторичной комой — диаметр окружности зонального луча увеличивается с четвертой степенью высоты зоны, а ее центр смещается на 1,5 радиуса круга от гауссова фокуса. Как следствие, конус образованный этими кругами шире, очерчивая угол 90 °. угол ( РИС. 42 ). Геометрия луча указывает на то, что вторичная кома смещается относительно меньше энергии во внешней части размытия, с сагиттальная кома составляет только 1/4 тангенциальной комы (длина размытия).Соответственно, полученное дифракционное изображение будет иметь менее заметный коматический хвост и более короткое и компактное сагиттальное изображение, чем первичное. кома. РИСУНОК 42 : Пятно луча при вторичной коме шире, чем для первичной комы, с отношением длины к ширине 1,25 по сравнению с 1,5 (слева; z — высота зоны). Однако поскольку его отклонение увеличивается более быстрыми темпами (5-я по сравнению с 3-й степенью зонального высота), его неуравновешенная форма имеет меньшее общее отклонение для данного P-V ошибка волнового фронта, при этом среднеквадратичная ошибка волнового фронта меньше в раз 0.78 (посередине). Кроме того, поскольку его можно уравновесить не только наклоном, например первичная кома, но также и с первичной комой, ее сбалансированная форма имеет погрешность P-V и RMS волнового фронта уменьшилась в 0,1 и 0,21 раза, соответственно. Согласно Wcs = Csρ5cosθ (индекс с для «вторичного»), для данного значения пика коэффициент аберрации, волновой фронт P-V вторичной комы на Гауссов фокус идентичен ошибке волнового фронта P-V первичной комы, но среднеквадратичная ошибка волнового фронта равна меньше в 0 раз.78. При уравновешивании с наклоном волнового фронта P-V погрешность Wcst = Cs (ρ5-0,5ρ) cosθ уменьшается в 0,5 раза. Но это еще больше уменьшается за счет уравновешивания. с первичной комой, к Wcstp = Cs (ρ5-1,2ρ3 + 0,3ρ) cosθ, при ρ = 1 (обе точки разворота при радиусе ρ = 0,31 и ρ = 0,79 имеют меньшую отклонение), или 1/10 его величины в гауссовом фокусе. В трассировке лучей балансировка вторичной комы, если
значительный, является частью оптимизации. После отмены низшей комы в 3-м
приближения порядка (для поперечного луча, 4-го порядка по волновому фронту), остаточные высшие порядки
(5-я поперечная, 6-я на волновом фронте или вторичная ) кома минимизируется
вводя младшую кому противоположного знака с коэффициентом
(абсолютное значение) больше в раз
1.2. Как уже упоминалось, объединенная среднеквадратичная ошибка волнового фронта меньше в 0,21 раза.
чем при несбалансированной вторичной коме. Это означает, что, как и
вторичная сферическая аберрация, вторичная кома не может быть полностью
удален путем уравновешивания его с формой более низкого порядка, только минимизирован.
Однако, поскольку степень несбалансированной вторичной комы обычно составляет
относительно низкий, и как первичная, так и вторичная кома имеют одинаковую частоту
увеличения (с квадратом угла поля зрения), уровень сбалансированной комы
обычно незначительна. Дом | Комментарии |
Шесть оптических аберраций, которые могут повлиять на вашу систему зрения Teledyne Lumenera
Что такое оптическая аберрация?
Для получения наилучшего качества изображения объектив должен корректировать оптические аберрации.Без надлежащих исправлений изображения могут стать каким-то образом размытыми и потерять важные данные изображения. В этом блоге основное внимание уделяется шести оптическим аберрациям, их возникновению и способам их предотвращения / уменьшения негативного воздействия.
Под оптической аберрацией понимается дефект в конструкции линзы, из-за которого свет рассеивается вместо фокусировки для формирования резкого изображения. Это варьируется от всего света на изображении до только определенных пятен или краев, находящихся не в фокусе. Есть несколько типов оптических аберраций, которые могут возникнуть при визуализации.Построение идеальной системы зрения, в которой исправлены все возможные аберрации, значительно увеличило бы стоимость линзы. На практике всегда есть какая-то форма аберрации, которая может быть обнаружена в линзе, но минимизация эффектов аберрации имеет решающее значение. Поэтому при изготовлении любого объектива обычно идут на некоторые компромиссы.
Чтобы объяснить, как аберрации размывают изображение, полезно сначала объяснить: что такое круг нерезкости? Когда точка света от цели достигает линзы, а затем сходится к датчику, она становится резкой.В противном случае, если он сходится до или после датчика, свет на датчике будет распространяться шире. Это можно увидеть на Рисунке 1, где видно, что точечный источник света сходится к датчику, но по мере изменения положения датчика также изменяется и количество света, распространяющегося вдоль датчика.
Чем больше рассеивается свет, тем меньше будет резкость изображения. Если диафрагма не мала, цели, находящиеся на большом расстоянии друг от друга на изображении, часто будут иметь не в фокусе фон или передний план.Это связано с тем, что свет, сходящийся на переднем плане, будет сходиться в другой точке, чем свет от цели, находящейся дальше на заднем плане. Для получения дополнительной информации о преимуществах использования апертуры в системах технического зрения прочтите блог Teledyne Lumenera «Повышение производительности системы визуализации с помощью оптимизации апертуры объектива». и превращает его в конус света. Это связано с тем, что при коме свет, попадающий в разные части объектива, будет фокусироваться все дальше и дальше по плоскости изображения, где расположен датчик.
Свет, попадающий в линзу под углом, может вызвать образование следа из расширяющихся кругов нерезкости на плоскости изображения. Это может привести к тому, что след расширяющегося света повлияет на любой точечный источник света, пытающийся отобразить, как показано на рисунке 2. В верхней части рисунка 2 изображение аберрации комы можно увидеть как точечный источник с расширяющимися вниз кружками нерезкости. , создавая изображение в форме конуса. Часто это является результатом смещения оптики.
Кома случается с точечными источниками света, такими как звезды, поэтому это особенно важная аберрация для астрофотографии.Уменьшая диафрагму, можно удалить некоторые световые лучи, вызывающие эффект, но для чего-то вроде астрофотографии удаляется большая часть объекта, который необходимо отобразить. В таких случаях требуются линзы, разработанные специально для коррекции комы.
Астигматизм
Лучи, распространяющиеся в двух перпендикулярных плоскостях, могут иметь астигматизм, когда они фокусируются в разных точках. Это можно увидеть на рисунке 3, где две точки фокуса представлены красной горизонтальной и синей вертикальной плоскостями.Точка оптимальной резкости изображения будет между этими двумя точками, где кружок нерезкости для любой из плоскостей не слишком широк. Астигматизм вызывает искажения по сторонам и краям изображения при смещении оптики. Это часто описывается как отсутствие резкости при просмотре линии на изображении. Кома и астигматизм обычно являются результатом схожего смещения внутренней оптики линзовой системы. Когда астигматизм ухудшается, можно с уверенностью сказать, что наступит кома.
Эту форму аберрации можно исправить, используя правильную конструкцию линз, которую можно найти в самой качественной оптике. Первоначальные конструкции оптики, фиксирующей астигматизм, были разработаны компанией Carl Zeiss и разрабатывались более ста лет. На данный момент он обычно встречается только в линзах очень низкого качества или в тех случаях, когда внутренняя оптика была повреждена или сместилась через каплю линзы.
(Petzval) Кривизна поля
Многие линзы имеют округлое поле фокусировки.Это может привести к появлению мягких углов изображения и, прежде всего, к удержанию центра изображения в фокусе. Однако большинство объективов имеют округлое поле фокусировки и не могут сфокусировать все изображение без некоторой обрезки. Это связано с изогнутой поверхностью большей части линзовой оптики. Кривизна поля — это результат того, что плоскость изображения не является плоской из-за наличия нескольких точек фокусировки. На рисунке 4 плоскость изображения показана изогнутой, потому что каждая точка фокусировки находится в другой плоскости, перпендикулярной оптической оси. Когда линия используется для соединения этих точек, она показывает изогнутую плоскость.Благодаря тому, что свет попадает в линзу вне оптической оси, в результате точка фокусировки не фокусируется на датчике.
Объективы фотоаппаратов в значительной степени исправили это, но некоторая кривизна поля, вероятно, будет обнаружена на многих объективах. Некоторые производители датчиков фактически работают над изогнутыми датчиками, которые корректируют искривленное поле фокусировки. Такая конструкция позволила бы датчику корректировать аберрацию вместо того, чтобы требовать изготовления дорогостоящих линз с такой точностью.Используя этот тип сенсора, можно использовать более недорогие линзы для получения высококачественных результатов. Примеры из реальной жизни можно увидеть в космической обсерватории Кеплера, где изогнутая матрица датчиков используется для коррекции большой сферической оптики телескопа. Для получения дополнительной информации о телескопе Кеплера см. Https://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/main/index.html.
Искажение
Искажение — это способ искажения изображения по направлению к краям и сторонам кадра изображения.Для камер с очень большим или очень низким фокусным расстоянием эффекты искажения могут быть наиболее заметными. Две наиболее распространенные формы искажения — это бочкообразный и подушкообразный искажения.
Бочкообразное искажение
Изображения с бочкообразным искажением имеют края и стороны, изогнутые от центра. Визуально кажется, что на изображении есть выпуклость, поскольку оно отражает появление искривленного поля зрения (FoV). Например, при использовании объектива с меньшим фокусным расстоянием (также называемого широкоугольным объективом) с высоты в высоком здании можно получить гораздо более широкое поле зрения.Это наиболее преувеличено при использовании объектива типа «рыбий глаз», который дает очень искаженное и широкое поле зрения, как показано на рисунке 5. На этом изображении линии сетки используются, чтобы помочь проиллюстрировать, как эффект искажения создает более растянутое изображение наружу ближе к сторонам и края.
Свет, попадающий в линзу, отклоняется от оптической оси и вызывает бочкообразное искажение. В случае широкоугольного объектива дополнительное преимущество гораздо более широкого поля зрения может быть более значительным, чем аберрация на концах изображений, поскольку обеспечивает большую площадь изображения.Следует отметить, что существуют прямолинейные линзы, которые компенсируют бочкообразное искажение и выравнивают поле зрения. Это может быть важно для анализа изображений, поскольку требует использования короткого фокусного расстояния.
Для аэрофотосъемки, требующей широкого поля зрения для лучшего захвата ландшафта, альтернативой использованию очень малых фокусных расстояний является использование нескольких расположенных рядом камер. Поскольку наиболее важной частью изображения большой площади является ширина пикселя сенсора, а не полное разрешение камеры, одновременная съемка изображений несколькими камерами может быть весьма полезной.Более подробно этот вопрос рассматривается в официальном документе Teledyne Lumenera «Использование одной и нескольких камер в аэрофотосъемке».
Однако это возможно на определенных высотах, но в большинстве случаев на определенной высоте камере потребуется большее фокусное расстояние, чтобы иметь возможность четко отображать цели, которые находятся дальше. Следовательно, широкоугольные объективы могут обеспечивать детализацию для аэрофотосъемки или других приложений, таких как точное сельское хозяйство, но необходимо учитывать требования к высоте. Ключевым фактором является расстояние от земли (GSD), которое потребуется системе технического зрения.В условиях, когда камера фиксируется, а высота камеры остается постоянной, например в теплице, использование широкоугольного объектива может помочь получить изображение большей части целевой среды. Чтобы узнать больше о GSD и о том, как настроить систему аэрофотосъемки, прочтите блог Teledyne Lumenera «Задача аэрофотосъемки: получение четкого и резкого изображения».
Подушкообразное искажение
По оптической оси из-за подушкообразного искажения изображение кажется растянутым внутрь.Следовательно, края и стороны изображения будут казаться изогнутыми к центру изображения, как показано на рисунке 6, где линии сетки изгибаются к центру, чем дальше они уходят.
Эта форма аберрации чаще всего встречается у телеобъективов с большим фокусным расстоянием. Телеобъектив увеличит цель на изображении, и чем больше фокусное расстояние, тем более обрезанным и увеличенным будет полученное изображение. Как и в случае с другими аберрациями, это в основном влияет на края и стороны изображения.Таким образом, самый простой способ сохранить изображение в фокусе — это установить на объектив меньшую диафрагму. На рисунке 6 центр изображения остается неискаженным, поэтому при использовании диафрагмы меньшего размера искаженный свет, проникающий с края, оказывается заблокированным.
Искажение усов
Искажение усов — это комбинация подушкообразного и цилиндрического искажений. Это приводит к тому, что внутренняя часть изображения изгибается, а внешняя часть изображения изгибается внутрь.Искажение усов — довольно редкая аберрация, когда на изображение влияет более одного шаблона искажения. Искажение усов обычно является признаком того, что объектив очень плохо сконструирован, поскольку это кульминация оптических ошибок, вызывающих слияние аберраций.
Расфокусировка
Практически любой, кто использовал какую-либо камеру, знаком с аберрацией расфокусировки. Когда изображение просто не в фокусе, оно испытывает аберрацию расфокусировки. Уменьшение резкости и контрастности изображения приведет к тому, что детали станут более размытыми с постепенными переходами.
Обычно это происходит из-за того, что ни одна из целей на изображении не находится в месте, где излучаемый или отражающийся от них свет сходится к датчику. Это означает, что свет будет фокусироваться на другой плоскости изображения, достаточно далеко от датчика, что приведет к полному размытию изображения. Весь свет будет иметь достаточно большой круг нерезкости, чтобы казаться полностью не в фокусе, как показано на рисунке 7.
Чтобы исправить расфокусировку, просто отрегулируйте фокусировку на объективе или положение камеры, пока цель не окажется в фокус.Однако в определенных условиях камера не может сфокусироваться на конкретной цели. Это часто зависит от расстояния: объект находится слишком близко или слишком далеко от объектива. В случае, когда невозможно добиться фокусировки, может потребоваться другой объектив камеры, чтобы изменить фокусное расстояние и минимальное расстояние фокусировки. В качестве альтернативы, уменьшение диафрагмы может позволить объективу сфокусироваться на дополнительных целях, которые находятся дальше, эффективно увеличивая глубину резкости, которая представляет собой расстояние между самой близкой и самой дальней целью, которые остаются в фокусе.Чтобы понять, какое фокусное расстояние требуется для системы зрения, прочтите информационный документ TeledyneLumenera «Правильное решение: выбор линзы для системы зрения».
Хроматический
Продольная / осевая аберрация
Цвет света представляет собой определенную длину волны света. Цветное изображение будет иметь несколько длин волн, попадающих в линзу и фокусирующихся в разных точках из-за преломления. Продольная или осевая хроматическая аберрация возникает из-за того, что разные длины волн фокусируются в разных точках вдоль оптической оси.Чем короче длина волны, тем ближе точка фокусировки к линзе, в то время как противоположное верно для длин волн, фокусирующихся дальше от линзы, как показано на рисунке 8. При уменьшении диафрагмы входящий свет может все еще фокусироваться на разных участках. точек, но ширина (диаметр) «кружков нерезкости» будет намного меньше, что приведет к менее резкому размытию.
Поперечная / боковая аберрация
Внеосевой свет, который приводит к разным длинам волн, распределяемым по плоскости изображения, является поперечной или боковой хроматической аберрацией.Это приводит к появлению цветной окантовки по краям объектов на изображении. Это труднее исправить, чем продольную хроматическую аберрацию.
Его можно зафиксировать с помощью ахроматического дублета, вводящего разные показатели преломления. Смещая два конца видимого спектра к одной точке фокусировки, можно удалить цветную окантовку. Как для поперечной, так и для продольной хроматической аберрации также может помочь уменьшение размера апертуры. Кроме того, может быть полезно не отображать объекты изображения в высококонтрастных средах (т.е.е. изображения с очень светлым фоном). В микроскопии линза может использовать апохромат (APO) вместо ахроматной линзы, которая использует три линзы для коррекции всех длин волн входящего света. Когда цвет имеет первостепенное значение, уменьшение хроматической аберрации даст наилучшие результаты.
Итог
По мере того, как количество пикселей сенсора продолжает увеличиваться, слабость конструкции объектива может стать более очевидной, а аберрации станут заметнее.Существует несколько типов аберраций, но постоянная тенденция состоит в том, что они размывают изображение по бокам и по краям.
Самый простой способ улучшить фокусировку на изображении, чтобы большая часть поля зрения оставалась в фокусе, — это применить меньшую диафрагму к объективу. Это общее решение в ситуациях, когда аберрации незначительны. Это обеспечит большую глубину резкости, но также снизит яркость изображения. Следовательно, это жизнеспособное решение только при наличии достаточного освещения.
Однако оптика в системе линз может смещаться. В тех случаях, когда аберрация очень сильна, единственным решением может быть более пристальный взгляд на внутреннюю оптику объектива камеры. Чтобы избежать этого, всегда следует обращаться с линзами осторожно и закреплять их, чтобы избежать чрезмерных ударов или вибрации. Некоторые аберрации можно исправить, отрегулировав внутреннюю оптику объектива, но для этого требуется много точной работы, и ее рекомендуется выполнять только обученным профессионалам.
Следует отметить, что еще одна распространенная аберрация — сферическая аберрация.Из-за формы сферических линз, имеющих изогнутую поверхность, свет будет отклоняться под более крутым углом по мере приближения к краю, заставляя его фокусироваться в разных точках вдоль оптической оси. Чтобы узнать больше о сферической аберрации, прочтите специальный блог «Минимизация сферической аберрации: сделайте правильный выбор линзы для вашей системы визуализации».
За дополнительной информацией обращайтесь к экспертам Teledyne Lumenera по визуализации. Они также могут помочь с выбором камер, которые наилучшим образом соответствуют вашим требованиям.Обратитесь по адресу [email protected].
И подпишитесь на нашу рассылку, чтобы автоматически получать регулярные обновления от Teledyne Lumenera.
Аренда линз | Блог
Эта статья предназначена для увлеченных людей, тех, кто хочет узнать больше о том, как все работает. Чтение его не улучшит ваши фотографии даже на микроскопические степени. С другой стороны, это могло бы, по крайней мере, немного. Но для тех, кто интересуется подобными вещами, это забавное чтение.
И для многих из вас найдутся интересные термины, которые вы сможете подобрать и использовать в различных спорах на онлайн-форуме.Нет ничего веселее, чем сказать что-то вроде: «Учитывая, что Wangmeister 12-600 f / 2.8 представляет собой несимметричный дизайн с сильной кривизной поля, вы должны ожидать, что вы увидите некоторый сферохроматизм в расфокусированных светлых участках с астигматизмом. и кома на внешней трети изображения ». Возможно, вы захотите скопировать и вставить это предложение прямо сейчас, потому что здесь, друзья мои, есть ограничитель потока, и нет ничего лучше, чем завершить четырехстраничную цепочку, ударив что-то вроде этого.Возможно, это не соответствует теме, но 99% людей, читающих это, не знают, соответствует ли это теме. Игра, сет, матч.
С практической точки зрения (во всяком случае насколько практично, насколько я могу здесь растянуть) небольшое понимание различных оптических аберраций объяснит, почему многие объективы не справляются с широкой диафрагмой и далеко от центра изображения, и в то время как почти любой объектив резкий в центр на f / 8. И иногда это может помочь вам выбрать лучший объектив для вашей работы.
Введение
Рис. 1. Элементы типичного объектива.
Вы когда-нибудь задумывались, почему в современном объективе может быть дюжина или более элементов в нескольких группах (рис. 1)? Для минимизации аберраций требуется большое количество элементов. (Аберрация определяется как любое несовершенство изображения, сформированного линзой). Если бы объектив был идеальным, то каждая точка света от фотографируемого объекта формировала бы единую точку света на датчике изображения. В действительности (даже теоретически) это невозможно, но цель каждого дизайнера линз — максимально приблизиться к совершенству.
Это не новая цель, которая началась в последние дни компьютерной усовершенствованной оптической конструкции, флюоритовых элементов и лазерных измерений. Это было целью разработчиков объективов еще задолго до того, как Нипс произвел первую успешную фотографию в 1827 году. (Да, раньше. Были микроскопы, телескопы и очки с линзами задолго до появления фотоаппаратов.) Фактически, Филипп фон Зайдель идентифицировал и математически описал 5 монохроматических аберраций (сферическая аберрация, кома, искажение, кривизна поля и астигматизм) к 1857 году.Две другие основные аберрации, продольная и поперечная хроматические аберрации, были известны задолго до этого.
Большинство из нас знает, что такое некоторые из этих аберраций, по крайней мере, в целом. Но, как и в случае с термином «резкость», люди часто используют эти термины неточно, поэтому я подумал, что, возможно, стоит дать определение им и кратко описать их причины, а также на нескольких примерах, как их можно предотвратить.
Хроматические аберрации
Есть два типа хроматических (цветных) аберраций.С одним из них вы, вероятно, хорошо знакомы, потому что он остается проблемой для многих объективов даже сегодня. Другой, который на самом деле вызывает более серьезные проблемы, менее известен, потому что конструкторы линз в основном научились исправлять его в 1800-х годах.
Продольная хроматическая аберрация
Все мы знаем, что стеклянные линзы изгибают световые лучи, и большинство из нас знает, что синие лучи изгибаются больше, чем красные лучи: тот же эффект, который разделяет белый свет на радугу цветов, когда он проходит через призму, возникает при прохождении света. через линзу.При использовании простой линзы красный свет фокусируется за зеленым светом, а синий свет — перед зеленым (рис. 2). Поскольку он продольный, затрагивается все изображение, как центр, так и края.
Рисунок 2: Продольная хроматическая аберрация. (С любезного разрешения Wikepedia Commons)
Даже на заре черно-белой фотографии это вызывало серьезную проблему, потому что люди, которые лучше всего видят зеленый свет, фокусировали изображение на матовом стеклянном экране своей камеры обзора, но используемые пластины были наиболее чувствительны к синему свету. который немного фокусировался перед зеленым светом.К счастью, эта проблема была решена до некоторой степени с изобретением ахроматического дублета (рис. 3) для использования в телескопах до появления фотографии. В дублете используются два разных типа стекла с разными преломляющими и рассеивающими свойствами, чтобы в значительной степени исправить продольную хроматическую аберрацию — достаточно, чтобы две разные длины волн света (например, зеленый и синий) фактически воздействовали на датчик в одной и той же точке. Если вы посмотрите на современный объектив, показанный на рисунке 1 (и почти на любой другой объектив в этом отношении), вы увидите один или несколько ахроматических дублетов.В современных линзах одним из элементов дублета обычно является стекло со сверхнизкой дисперсией.
Рисунок 3: Ахроматический дублет. (С любезного разрешения Wikepedia Commons)
Об изобретении ахроматического дублета есть интересная история. Честер Холл, около 1730 года, придумал эту идею, пытаясь создать лучший телескоп. Не желая раскрывать секрет никому, он пошел к двум разным оптикам, Эдварду Скарлетту и Джеймсу Манну, с каждым из которых был заключен контракт на изготовление только одного из элементов, которые Холл планировал сам собрать.Затем каждый из оптиков нанял одного и того же производителя линз Джорджа Басса для производства линз, которые они согласились поставить. Басс отметил ахроматические свойства пары, но годами держал их при себе. Холл сделал несколько ахроматических телескопов, но так и не запатентовал свое изобретение. Басс рассказал о свойствах пары линз другому покупателю, Джону Доллонду, который представил документ, в котором утверждал, что обнаружил эффект и запатентовал технологию в 1758 году. За этим последовало 30 лет судебных баталий.(Холл скончался, но оптики подали в суд от его имени, пытаясь нарушить патент).
Улучшение, апохроматическая линза (рис. 4), может корректировать 3 различных длины волны света, улучшая ситуацию еще больше. Интересно, что изобретателем апохромата был Питер Долланд, сын Джона Доллонда.
Рис. 4. Апохроматная линза. (С любезного разрешения Wikepedia Commons)
Боковая хроматическая аберрация
Боковая хроматическая аберрация сильно отличается от продольной хроматической аберрации, хотя и является следствием того же принципа: стекло преломляет разные длины волн света в разной степени.Боковая хроматическая аберрация (то, что мы часто называем пурпурной окантовкой) возникает, когда световые лучи смещены от оси в разной степени. Поскольку лучи входят в линзу под углом, стандартный ахроматический дублет, который лучше всего работает с параллельными лучами, входящими непосредственно в линзу, не корректирует их.
Боковая хроматическая аберрация вообще не влияет на центр изображения, но усиливается по мере удаления от центра, на который вы смотрите. Хотя фактическая фиолетовая окантовка видна только в областях с высокой контрастностью (обычно это темный объект на светлом фоне), эффект все равно смягчает изображение по краям и углам, даже если фактическая фиолетовая окантовка не замечается (или если она заметна). исправлено при постобработке).
Лучший способ избежать боковой хроматической аберрации — это проектировать линзу «симметрично относительно упора (кольца диафрагмы)». Такие конструкции были впервые использованы в линзах Rapid Rectilinear в 1866 году и продолжены сегодня в линзах, таких как Planar (рис. 5). Следовательно, естественно, что боковая хроматическая аберрация будет наиболее очевидной в очень несимметричных объективах, таких как телеобъектив и перевернутый телеобъектив (рис. 6).
Рис. 5 и 6: Быстрый прямолинейный объектив (вверху) и обратный телеобъектив (внизу)
Монохроматические аберрации (фон Зайделя)
Сферическая аберрация
Сферическая аберрация возникает из-за того, что сферическая линза преломляет свет, попадающий около края, больше, чем свет, попадающий около центра (рис. 7).В результате изображение не может быть сфокусировано до резкой точки. Световая точка, видимая через линзу со сферической аберрацией, будет иметь довольно однородный ореол, и эффект будет виден в центре, а также по краям изображения.
Отличительной чертой сферической аберрации является то, что эффект уменьшается при уменьшении диафрагмы, поскольку края линзы заблокированы. Сферическая аберрация также может способствовать «смещению фокуса». Хотя это чрезмерное упрощение, если вы посмотрите на рисунок 7, вы можете представить, что если мы закроем диафрагму, исключив самые боковые лучи света, область наилучшего фокуса, казалось бы, сместится от объектива.Уменьшение сферической аберрации может быть достигнуто с помощью комбинации выпуклых и вогнутых линз, менисковых линз и асферических линз.
Рис. 7. Идеальная линза (вверху) и линза со сферическим аберратоном (внизу). (С любезного разрешения Wikepedia Commons)
Сферические аберрации можно минимизировать несколькими способами. Изгиб элементов линзы (Рисунок 8) позволяет линзе иметь такую же величину преломления, но изменяет количество вызываемой ею сферической аберрации. Использование нескольких различных элементов для преломления изображения на заданную величину вместо одного сильного элемента также может минимизировать количество сферической аберрации.
Рис. 8: Обе линзы имеют одинаковое преломление, но правая линза «изогнута».
Существует одна форма сферической аберрации, которую вы могли заметить, если пользовались линзами с очень широкой диафрагмой: сферохроматизм. Как и хроматическая аберрация, некоторые линзы исправляют сферическую аберрацию на одних длинах волн лучше, чем другие. Это может привести к появлению пурпурного оттенка в областях вне фокуса на переднем плане и к зеленоватому оттенку в области вне фокуса фона (или наоборот).
Кома
Кома — это сложная аберрация, которая влияет только на световые лучи из точки, проходящие через линзу под углом. В коме лучи не перефокусируются в точку, а выходят из нее (рис. 9). Это делает точки света похожими на комету с размытым хвостом, отсюда и название. Обычно вспышка находится дальше от центра (положительная кома), но в некоторых случаях она может быть ближе к центру (отрицательная кома). Кома асимметрична: чем дальше от центра изображения, тем заметнее эффект.Световые лучи, проходящие прямо через центр линзы, не подвержены влиянию.
Рисунок 9: Кома линзы (любезно предоставлено Wikepedia Commons)
Поскольку уменьшение диафрагмы уменьшает количество лучей, попадающих с бокового края линзы, это уменьшает кому. Многие из тех же методов линз, которые минимизируют сферическую аберрацию, также уменьшают кому, особенно конструкция линз, симметричная относительно центра. Линза без сферической аберрации и комы называется апланатом .
Кривизна поля
Кривизна поля некоторыми считается отклонением от нормы, поскольку она вызывает всевозможные проблемы. Другие считают, что это естественный эффект линзы, потому что он неизбежен: изогнутые поверхности линз не проецируют изображение на плоский датчик естественным образом, а, скорее, естественным образом формируют изображение на изогнутой поверхности (рис. 10). Сумма Петцваля — это математическая формула (и Петцваль — это отдельная история), которая описывает кривизну изображения, создаваемого каждой линзой.Очевидно, что кривизна поля влияет на края изображения, а не на центр.
Рисунок 10: Кривизна поля. (С любезного разрешения Wikepedia Commons)
Кривизна поля может быть уменьшена за счет комбинации выпуклых, вогнутых линз и менисковых линз, часто в виде дублетов или триплетов. В некоторых линзах выравниватель поля , слабоотрицательная линза, часто помещаемая ближе всего к изображающей поверхности, используется для коррекции любой остаточной кривизны поля. Как и большинство аберраций, уменьшение диафрагмы также снижает кривизну поля.
Плавающие элементы и изменение эффективного фокусного расстояния
Объективычасто конструируются таким образом, что аберрации, особенно кривизна поля, хорошо корректируются, когда объектив сфокусирован на бесконечность, но хуже корректируются, когда объектив фокусируется на более близком объекте. Использование плавающего элемента , группы линз, которая регулирует свое положение при фокусировке на более близких объектах, иногда используется в лучших объективах для исправления аберраций, когда объектив фокусируется на близких объектах.В качестве альтернативы линза может быть спроектирована так, чтобы другие элементы внутри линзы перемещались при фокусировке на близлежащие объекты, в результате чего эффективное фокусное расстояние линзы уменьшается при фокусировке поблизости. Когда этот метод использовался на недавно выпущенном зум-объективе 70-200 f / 2.8, возник большой шум. Люди почему-то чувствовали себя обманутыми, потому что максимальное эффективное фокусное расстояние объектива упало до 145 мм или около того при фокусировке на близких объектах, но это был просто метод, используемый для сохранения резкости объектива в ближнем фокусе, как и в фокусе на бесконечность.
Астигматизм
Астигматизм на самом деле является разновидностью кривизны поля, но его еще труднее исправить (и понять). Это происходит, когда световые лучи, входящие в линзу в сагиттальной плоскости, фокусируются в другом месте, чем световые лучи, входящие в тангенциальную плоскость. Таким образом, светящаяся точка в некоторой степени растягивается в линию (рис. 11).
Рис. 11: Астигматизм — фокус тангенциальных лучей (T1) и сагиттальных лучей (S1) находится в разных точках.Точечный источник света будет линейно искажен.
Для коррекции астигматизма требуется как минимум 3 линзы, обычно две выпуклые и одна вогнутая. В некоторых линзах для уменьшения астигматизма добавлен слабый элемент мениска (Рисунок 12). Даже в лучших объективах это невозможно исправить полностью, хотя коррекция может быть довольно близкой. Для тех из вас, кто смотрит на графики MTF, кривая, показывающая разницу в сагиттальной и тангенциальной MTF, часто дает намек на степень астигматизма линзы.
Рис. 12. Типы линз (любезно предоставлено Wikipedia Commons)
Астигматизм не влияет на центр изображения. Он становится более выраженным при удалении от центра изображения и наиболее резким по краям и углам изображения. Он уменьшается, как и большинство внеосевых аберраций, за счет остановки объектива для уменьшения диафрагмы.
Сильный астигматизм может возникнуть, когда элемент в объективе децентрализован или не параллелен другим элементам в объективе.Иногда во время обычных тестов кажется, что линза функционирует должным образом, и только специальный тест на повышенный астигматизм покажет, что линза действительно неисправна.
Искажения
Искажение — это когда изображение отклоняется от прямолинейного. Это не обязательно влияет на резкость, но может тонко или сильно повлиять на то, как прямые линии появляются на изображении. Два наиболее распространенных типа искажений — это бочкообразный и подушкообразный искажения (см. Рисунок 13). Менее часто наблюдаемое искажение, искажение усов, на самом деле представляет собой комбинацию двух других, имеющую вид бочкообразного искажения вблизи центра изображения и подушкообразного искажения по краям.
Рисунок 13: Три распространенных типа искажения
Искажение чаще всего наблюдается в зум-объективах, особенно при увеличении в широком диапазоне вблизи крайних значений их диапазона. Тем не менее, это происходит в некоторых фикс-объективах. Широкоугольные и ретрофокусные линзы с большей вероятностью будут демонстрировать бочкообразное искажение, в то время как телеобъективы могут демонстрировать подушкообразное искажение. Зум-объективы могут иметь бочкообразное искажение на широком конце и подушкообразное искажение на телефото. Искажение также может изменяться в зависимости от фокусного расстояния: некоторые линзы демонстрируют искажение при фокусировке на близлежащих объектах, но не имеют искажений при фокусировке на объектах, близких к бесконечности.
Положение ограничителя (кольца диафрагмы) в объективе может сильно повлиять на величину искажения. В простом объективе, если упор находится рядом с объективом, искажения мало, но если он расположен далеко перед или за объективом, искажение более вероятно. Изменение положения различных элементов при масштабировании или фокусировке объектива относительно упора может увеличить или уменьшить степень искажения в этом объективе.
Смысл всего этого?
Создание линз без аберраций — действительно невозможное предложение.Исправление одного типа аберрации может ухудшить другой, исправление может потребовать добавления дополнительных элементов и т. Д. Движение элементов внутри зум-объектива усугубляет различные проблемы с аберрацией, и большинство зумов будут демонстрировать, по крайней мере, некоторую легко обнаруживаемую аберрацию. Даже некоторые объективы с постоянным фокусным расстоянием, самые лучшие объективы с постоянным фокусным расстоянием, имеют проблемы. Например, Zeiss 21mm f / 2.8, возможно, самый резкий широкоугольный объектив из всех, имеет значительные искажения усов. Nikon 28 f / 1.4, один из классических объективов, попал в значительную кому.У Canon 50 f / 1.2 есть кривизна поля.
Моя цель при обсуждении различных аберраций состоит не в том, чтобы предоставить боеприпасы для разбивания той или иной линзы. Скорее дело в том, что хороший фотограф должен знать слабые стороны своих объективов, а также их сильные стороны. Ни один объектив не идеален, у каждого есть свои слабые места. И каждый должен использоваться таким образом, чтобы свести к минимуму его слабые стороны и использовать его сильные стороны.
В то время как современные линзы в значительной степени корректируют кривизну поля, ранние линзы, использовавшиеся в середине 1800-х годов, имели сильно искривленные поля.Если вы когда-нибудь увидите групповой портрет 1850-х годов, то заметите, что группа обычно расположена по дуге: фотограф, осознавая кривизну, размещает своих объектов по дуге, чтобы все они находились в фокальной плоскости. Художественное виньетирование (затемнение) углов было популярно, потому что углы и так обычно были просто размытыми. И овальные рамки для портретов там норма по той же причине.
Хорошие фотографы сегодня тоже знают слабые стороны своих объективов. Они не меняют фокусировку с Canon 50 f / 1.2, потому что изменение кривизны поля может привести к расфокусировке объекта. Они понимают, что если они используют боковые точки автофокусировки, центр изображения может быть мягким. Sigma 50 f / 1.4 лучше всего подходит для съемки на открытой диафрагме или при f / 2.8 или выше. Сдвиг фокуса между f / 1,4 и f / 2,8 может привести к тому, что изображение будет не в фокусе. Zeiss 21mm f / 2.8 может сделать прямую верхнюю часть забора или линию крыши волнистой из-за искажения усов. Я не выбираю эти линзы ни по какой причине, кроме как они приходят в голову.В хороших руках все они — прекрасные объективы, но некоторые фотографы, не понимая их слабых сторон, горько жалуются на каждый из них (ладно, может быть, не Zeiss 21mm).
Я стараюсь держать в уме связанный с каждым объективом контрольный список «старайся не делать этого». Как я составил этот список? Ну, читая и обсуждая линзы на онлайн-форумах и узнавая, какие у них аберрации. И, сделав плохие фотографии, изучив, что было не так, и добавив к моему мысленному списку «у этого есть кривизна поля, у этого телеобъектива с зум-подушечками после 300 мм, у другого плохой астигматизм, но он прекрасно резкий в центре».Понимая общие типы аберраций (и делая много плохих фотографий), подобные вещи становятся второй натурой:
Не снимайте здания с широким концом зум-объектива, поскольку бочкообразное искажение сделает вертикальные линии изогнутыми. Даже нахождение всего в нескольких миллиметрах от самого широкого угла очень помогает.
Если ваш объектив показывает кому или астигматизм при ярком свете при съемке ночного изображения, уменьшите диафрагму и сделайте более длительную экспозицию.
Если у вашего объектива мягкие углы и края, остановка объектива вниз может творить чудеса.
К сожалению, производители не собираются афишировать, какие аберрации есть у их линз. Рецензенты лабораторных стендов обычно хорошо описывают искажения и боковые хроматические аберрации. Кривизна поля и астигматизм иногда описываются обозревателями, которые используют линзы в полевых условиях. Но самостоятельное использование объектива, изучение его недостатков и сильных сторон, чтобы вы могли извлечь максимальную пользу из того инструмента, которым он является, вместо того, чтобы заострять внимание на том факте, что он несовершенен, — это большая часть того, что делает хорошего фотографа.
Список литературы
- Ceragioli, Роджер: Учебник по аберрациям изображений и их графическому представлению. В обзоре рефракционных систем для астрономических телескопов
- Фишер, Роберт и др.: Обзор конкретных геометрических аберраций и способы их устранения. В: Фишер, Роберт: Дизайн оптических систем, 2-е изд. McGraw-Hill, 2002. .
- http://en.wikipedia.org/wiki/John_Dollond
- http://en.wikipedia.org/wiki/Achromatic_lens
- http: // ru.wikipedia.org/wiki/Wide-angle_lens
- http://en.wikipedia.org/wiki/Aberration_in_optical_systems
- http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_aberration
- Керр, Дуглас: астигматизм в объективах фотоаппаратов — меридиональный и сагиттальный ответ MTF. http://dougkerr.net/Pumpkin/
- Кингслейк, Рудольф: История фотографического объектива. Academic Press, 2004. .
- Рэй, Сидней: Аберрации — дефекты в системах визуализации. В: Рэй, Сидней: Прикладная фотографическая оптика.Focal Press, 2004. .
- Смит, Грегори: Объективы от коробчатой камеры до цифровых. SPIE Press, 2006. .
- ван Валри, Пол: Искажение. http://toothwalker.org/optics/distortion.html
- ван Валри, Пол: астигматизм и кривизна поля: http://toothwalker.org/optics/astigmatism.html
- ван Валри, Пол: хроматические аберрации http://toothwalker.org/optics/chromatic.html
Автор: Роджер Чикала
Я Роджер и основатель Lensrentals.com. Меня называют здесь одним из оптических ботаников, и в свободное время я с удовольствием снимаю коллимированный свет через объективы микроскопа с 30-кратным увеличением. Когда я делаю реальные снимки, мне нравится использовать что-то другое: средний формат, или Pentax K1, или Sony RX1R.
Аберрации в оптических системах — Основы оптической инженерии
«Аберрации» — это общая категория, включающая основные факторы, которые заставляют оптическую систему работать не так, как в идеальном случае. Есть ряд факторов, которые не позволяют объективу достичь своих теоретических характеристик.
Физические аберрации
Однородность оптических материалов и поверхностей — первое требование для достижения оптимальной фокусировки световых лучей и правильного формирования изображения. Очевидно, что однородность реальных материалов имеет верхний предел, определяемый различными факторами (например, включениями материала), некоторые из которых невозможно устранить. Пыль и грязь являются внешними факторами, которые, безусловно, ухудшают характеристики объектива, поэтому их следует избегать в максимально возможной степени.
Сферические аберрации
Сферические линзы очень распространены, поскольку их относительно легко изготовить.Однако сферическая форма не идеальна для получения идеального изображения — фактически, коллимированные лучи, попадающие в линзу на разном расстоянии от оптической оси, сходятся в разных точках, вызывая общую потерю фокуса. Как и многие оптические аберрации, эффект размытия увеличивается по направлению к краю линзы.
Чтобы уменьшить проблему, часто используются асферические линзы (рис. 16) — их профиль поверхности не является частью сферы или цилиндра, а представляет собой более сложный профиль, позволяющий минимизировать сферические аберрации.Альтернативным решением является работа при высоких значениях F / #, чтобы лучи, попадающие в линзу далеко от оптической оси и вызывающие сферическую аберрацию, не могли достичь датчика.
Линза со сферической аберрацией.
Асферическая линза.
Хроматическая аберрация
Показатель преломления материала — это число, которое описывает угол рассеяния проходящего через него света — по сути, насколько лучи изгибаются или преломляются — и это функция от длины волны света.Когда белый свет попадает в линзу, каждая длина волны проходит по своему пути. Это явление называется дисперсией и вызывает расщепление белого света на его спектральные составляющие, вызывая хроматическую аберрацию. Эффект минимален в центре оптики, увеличиваясь к краям.
Хроматическая аберрация приводит к появлению цветных полос по всему изображению, что приводит к размытым краям, что делает невозможным правильное отображение характеристик объекта. Хотя ахроматический дублет можно использовать для уменьшения аберрации такого рода, простое решение, когда информация о цвете не требуется, — это использование монохромного света.Хроматическая аберрация бывает двух типов: продольная (рис. 17) и боковая (рис. 18), в зависимости от направления падающих параллельных лучей.
Продольная / осевая хроматическая аберрация.
Боковая / поперечная хроматическая аберрация.
Астигматизм
Астигматизм — это оптическая аберрация, которая возникает, когда лучи, лежащие в двух перпендикулярных плоскостях на оптической оси, имеют разные фокусы. Это вызывает размытие в одном направлении, которое отсутствует в другом направлении.Если сфокусировать датчик в сагиттальной плоскости, мы увидим, что круги превращаются в эллипсы в тангенциальном направлении и наоборот.
Аберрация астигматизма.
Кома
Аберрация комы возникает, когда параллельные лучи, попадающие в линзу под определенным углом, фокусируются в разных положениях в зависимости от их расстояния от оптической оси. Круг в плоскости объекта появится на изображении как элемент в форме кометы, что и дало название этому конкретному эффекту аберрации.
Кома аберрация
Кривизна поля
Аберрация кривизны поля описывает тот факт, что параллельные лучи, достигающие линзы с разных направлений, фокусируются не на плоскости, а на изогнутой поверхности.
Это вызывает радиальную расфокусировку, т.е. для данного положения датчика в фокусе будет только круглая коронка.
Аберрация кривизны поля.
Искажение
При идеальном объективе квадратный элемент трансформируется только в размере, не влияя на его геометрические свойства.И наоборот, настоящий объектив всегда вносит некоторые геометрические искажения, в основном радиально-симметричные (как отражение радиальной симметрии оптики). Это радиальное искажение может быть двух видов: бочкообразное и подушкообразное. При бочкообразном искажении увеличение изображения уменьшается по мере удаления от оптической оси, создавая видимый эффект изображения, обернутого вокруг сферы. При подушкообразном искажении увеличение изображения увеличивается с удалением от оптической оси. 2 + b * R_a + a`
, где a, b и c — постоянные значения, которые определяют поведение кривой искажения; обратите внимание, что «a» обычно равно нулю, так как искажение обычно равно нулю в центре изображения.В некоторых случаях может потребоваться полином третьего порядка, чтобы получить точную подгонку кривой.
Помимо радиального искажения необходимо учитывать также и трапециевидное искажение. Этот эффект можно рассматривать как ошибку перспективы из-за несовпадения оптических и механических компонентов, следствием чего является преобразование параллельных линий в пространстве объекта в сходящиеся (или расходящиеся) линии в пространстве изображения.
Такой эффект, также известный как «трапеция» или «тонкая призма», можно легко исправить с помощью довольно распространенных алгоритмов, которые вычисляют точку, в которой сходящиеся пучки линий пересекаются друг с другом.
Интересный аспект заключается в том, что радиальное и трапециевидное искажения — это два совершенно разных физических явления, поэтому их можно математически скорректировать с помощью двух независимых функций пространственного преобразования, которые также могут применяться впоследствии.
Альтернативный (или дополнительный) подход — исправить оба искажения локально и сразу: изображение сетки используется для определения величины ошибки искажения и зоны его ориентации по зонам. Конечным результатом является векторное поле, в котором каждый вектор, связанный с определенной зоной изображения, определяет, какая коррекция должна быть применена к измерениям координат x, y в пределах диапазона изображения.
Почему для телецентрических объективов рекомендуется зеленый свет?
Все линзы, работающие в видимом диапазоне, включая телецентрические линзы Opto Engineering®, имеют ахроматизацию во всем видимом диапазоне. Однако параметры, относящиеся к искажению объектива и телецентричности, обычно оптимизируются для длин волн в центре диапазона VIS, то есть зеленого света. Более того, разрешение обычно лучше в диапазоне зеленого света, где ахроматизация почти идеальна.«Зеленый» также лучше, чем «Красный», потому что более короткий диапазон длин волн увеличивает дифракционный предел линзы и максимально достижимое разрешение.
Sagittal Coma — обзор
A Concentric Lens Field Flattener
Предыдущий выравниватель поля имеет несколько присущих проблем, которые могут затруднить или сделать невозможным его использование. Бывают ситуации, когда выравниватель поля должен быть удален от плоскости изображения — например, матрица инфракрасных детекторов, расположенная внутри вакуумного дьюара.Канифоль 13 описывает использование концентрической линзы с центром в фокусе расходящихся или сходящихся осевых лучей, как показано на рисунке 11.9. Поскольку любые из этих осевых лучей падают перпендикулярно поверхностям линз, положение изображения не меняется с введением этой линзы и не меняет размер изображения.
Рисунок 11.9. Концентрическая линза используется для выравнивания тангенциального поля.
Можно показать, что вклад аберраций этого объектива имеет следующие характеристики.
- •
Нулевая сферическая аберрация
- •
Нулевая тангенциальная и сагиттальная кома
- •
Нулевой аксиальный цвет
- боковой цвет
52
0000 латеральный цвет0000 не меняется- •
Кривизна сагиттального поля не изменяется
- •
Кривизна тангенциального поля может контролироваться независимо
52
Вклад тангенциального поля пропорционален (R2 − 1N) ( Это означает, что причина эффекта зависит от толщины линзы и расстояния до центра ее кривизны.Аберрации высшего порядка, как правило, остаются исправленными для сферической аберрации, осевого цвета, искажения, сагиттальной комы, кривизны сагиттального поля, сферохроматизма, зональной сферической аберрации и сагиттальной косой сферической аберрации. В случаях, когда упор находится на значительном удалении от линзы, некоторые аберрации более высокого порядка могут стать неприятными, а именно тангенциальная кома, боковой цвет, кривизна тангенциального поля и касательная косая сферическая аберрация. В дополнение к этим возможным ограничениям, кривизна линзы в направлении плоскости изображения может ограничивать размер поля из-за геометрического размера линзы выравнивания поля.Следует отметить, что, поскольку все эти аберрации линзы примерно равны нулю, пространственное позиционирование этой линзы не должно быть почти таким же точным, как линза, вносящая большое количество аберраций.
Линза выравнивания концентрического поля была обнаружена независимо 14 и успешно использовалась, начиная с 1968 года, для улучшения характеристик различных тепловых инфракрасных оптических систем с малыми числами f и умеренным полем зрения. Однако точная концентричность и расположение линз были отклонены от указанных выше спецификаций линз, чтобы уменьшить потенциальные ложные изображения, которые могли образоваться в плоскости изображения из-за отражений от поверхностей R 1 и R 2 при центрировании на аксиальной точке изображения.В некоторых случаях этот почти концентрический стабилизатор поля использовался в качестве окна Дьюара. Количество аберраций, вызванных нарушением точной соосности и позиционирования, может быть достаточно небольшим, в то же время обеспечивая преимущественный контроль кривизны тангенциального поля.
Манн использовал концентрический выравниватель поля в инфракрасном зум-объективе 3: 1 и значительно уменьшил кривизну поля во всем диапазоне зуммирования и в целом достиг сбалансированных астигматических полей (см. Раздел 11.2.1). 15 Его методика конструирования выравнивателя поля заключалась в том, чтобы сначала спроектировать зум-объектив, а затем разместить плоскую пластину там, где должно было быть расположено окно Дьюара.Затем он позволил компьютерной программе изменять кривизну и в некоторой степени толщину выравнивателя, которая, естественно, становилась почти концентрической относительно осевого изображения. Окончательная система была почти дифракционно ограниченной.
Рисунок 11.10 иллюстрирует типичную конфигурацию, показанную Rosin, где концентрический выравниватель поля расположен в пространстве изображения линзы типа Petzval. В этом случае он следовал процедуре проектирования по уменьшению кривизны поля Пецваля и сагиттального поля, скорее игнорируя кривизну тангенциального поля, как показано на рисунке 11.11а. С введением линзы выравнивания концентрического поля тангенциальная (T) кривизна поля была приведена в соответствие с кривизной поля Пецваля (P) и сагиттальной (S) кривизны поля, как показано на рисунке 11.11b. Было получено существенное улучшение однородности разрешения и контраста по полю зрения. Альтернативным расположением концентрической линзы является размещение ее между передним и задним элементами. В этом случае радиусы концентрической линзы центрируются в месте фокусировки переднего элемента.
Рисунок 11.10. Концентрическая линза за линзой Пецваля.
Рисунок 11.11. Сглаживание тангенциального поля с помощью концентрической линзы, в которой линза была спроектирована так, чтобы иметь плоское сагиттальное поле. (а) Исходный дизайн с плоским сагиттальным полем; (b) Тангенциальное поле совпадает с сагиттальной кривизной и кривизной Пецваля с использованием выравнивателя концентрического поля.
Линза выравнивания концентрического поля может быть введена не в пространство изображения линзы; однако это может сместить пространственное положение плоскости изображения.Другая форма выравнивания концентрического поля может быть реализована, если рассмотреть сплошную стеклянную пластину, помещенную в пространство изображения, как показано на рисунке 11.12a, который был показан в разделах 3.4.4 и 6.4 для смещения местоположения изображения и внесения аберраций. 16 Концентрическая воздушная линза 17 теперь образуется путем удаления средней части стеклянной пластины, то есть плоско-вогнутой линзы, за которой следует выпукло-плоская линза, как показано на рисунке 11.12b. Кривизна внутренней поверхности центрируется на месте изображения, которое могло бы появиться, если бы стеклянная пластина содержала изображение.Конструкция линзы, объединенной с этим элементом выравнивания концентрического поля, должна включать аберрации, возникающие из-за стеклянной пластины, имеющей толщину, равную расстоянию между плоскими поверхностями линзы выравнивания концентрического поля. Линза выравнивания концентрического поля в воздухе имеет производственное преимущество по сравнению с формой, показанной на рис. 11.9, поскольку на ней труднее совместить центры поверхностей концентрической линзы.
Рисунок 11.12. (а) Сдвиг изображения, вызванный стеклянной пластиной.(б) Создание концентрической воздушной линзы из стеклянной пластины.
Другой подход к выравниванию поля 18 использует концентрическую оболочку с центром вокруг упора (выпуклость по направлению к изображению). Луч, проходящий через эту линзу, имеет главный луч, всегда перпендикулярный поверхностям оболочки, поэтому его индуцированные аберрации постоянны как функция угла поля.
