Оптическая аберрация: Аберрация в оптике определение виды и различия

Содержание

Аберрация в оптике определение виды и различия

В данной статье узнаем про аберрации оптических систем, что это такое и какие есть различия между аберрациями.

Что такое аберрации

Аберрации — это ошибки в изображении, возникающие из-за несовершенства оптической системы. Другими словами, аберрации возникают, когда оптическая система неправильно направляет лучи объекта. Оптические компоненты могут создавать ошибки в изображении, даже если они сделаны из лучших материалов и не имеют дефектов. Некоторые типы аберраций могут возникать при отображении электромагнитного излучения одной длины волны (монохроматические аберрации), а другие типы возникают при отображении электромагнитного излучения двух или более длин волн (хроматические аберрации).

Монохроматические аберрации могут быть сгруппированы в несколько различных категорий: сферические, коматические (кома), астигматизм, кривизна поля и искажение. Идея эталонной сферы часто используется при обсуждении аберраций.  Для всех сфер луч, нарисованный перпендикулярно поверхности сферы, будет пересекать центр сферы, независимо от того, какое место на поверхности выбрано.


Сфера с лучами, нарисованными перпендикулярно поверхности, пересекается в центре сферы.

Контрольная сфера не является физической структурой; это просто математическая конструкция, с которой сравнивается волновой фронт электромагнитного излучения. Если электромагнитный волновой фронт имеет форму эталонной сферы, то волновой фронт будет идеально сфокусирован в центре сферы. Помните, что определение луча указывает, что лучи нарисованы перпендикулярно волновому фронту. Все лучи, связанные со сферическим волновым фронтом, будут пересекаться в центре сферы. Если волновой фронт не сферический, некоторые из лучей будут проходить через центр сферы.

Сравнивая волновой фронт электромагнитного излучения с эталонной сферой, можно определить, какие аберрации присутствуют на изображении и насколько они серьезны.

Сферическая аберрация

Сферические аберрации возникают для линз, которые имеют сферические поверхности.  Лучи, проходящие через точки на линзе дальше от оси, преломляются больше, чем те, которые ближе к оси. Это приводит к распределению очагов вдоль оптической оси.


Сферические аберрации приводят к тому, что параксиальные и периферические лучи имеют разные фокусы.

Лучи, которые образуют небольшой угол с оптической осью и проходят близко к оси, называются параксиальными лучами. Периферийные лучи взаимодействуют с краями компонентов в оптической системе. Когда волновой фронт сферически аберрируется, периферические лучи фокусируются ближе к линзе, чем параксиальные лучи. Разница между фокусировкой этих двух типов лучей является способом измерения степени сферической аберрации в системе.

Можно конструировать оптические компоненты с асферическими поверхностями, которые не имеют сферической аберрации. Линзы с градиентным индексом, которые имеют показатели преломления, которые являются самыми высокими в центре линзы и постепенно уменьшаются ближе к краю линзы, также могут устранить сферическую аберрацию.  Однако оптические компоненты со сферическими поверхностями гораздо проще и дешевле в производстве, чем компоненты с асферическими поверхностями или характеристиками индекса градиента. Из-за этого большинство разработчиков оптических систем используют готовые компоненты со сферическими поверхностями.

Мера сферической аберрации оптической системы — это физическое расстояние между фокусами эталонной сферы и периферийных лучей аберрированного волнового фронта (между R и W).

При проектировании систем с несколькими объективами разработчики оптических систем используют взаимодействия всех компонентов системы для минимизации сферических и других аберраций. Недостаточная коррекция одной линзы может использоваться для компенсации чрезмерной коррекции другой линзы. Если оптическая система должна содержать только одну сферическую линзу, сферическая аберрация может быть сведена к минимуму, если обе поверхности линзы вносят одинаковый вклад в мощность линзы. Изготовление линзы с большим радиусом кривизны также поможет минимизировать сферическую аберрацию.

Коматическая аберрация (Кома)

Сферические аберрации описывают, где различные точки фокусируются вдоль оптической оси. Изображение точки объекта, которая лежит вне оптической оси, сформирует изображение в форме капли. Расклешенный хвост изображения обычно направлен в сторону от оси, но он также может быть ориентирован в направлении оси.


Кома размывает изображение внеосевой точки в форме слезы.

Когда объект изображается линзой, которая страдает от комы, лучи, которые проходят через периферию линзы, формируют изображение большего размера, чем лучи, которые проходят через линзу ближе к оси. Исправление комы требует, чтобы различные изображения были сделаны с перекрытием. В действительности, изображения, сформированные параксиальным и периферическим лучами, должны испытывать различные степени увеличения.

Кому можно свести к минимуму, тщательно указав радиусы кривизны двух сторон одной линзы или используя комбинацию оптических элементов. Когда оптическая система не имеет сферической аберрации или комы, она называется апланатической.

Астигматизм

Лучи, которые испускаются из точки объекта, формируют правильный круглый конус, когда они движутся к линзе. Когда точка объекта расположена вне оси, этот конус лучей образует эллипс на поверхности линзы. (Если бы конус лучей был испущен из точки объекта на оси, они бы образовали круг на поверхности линзы.) Тангенциальная плоскость пересекает большую ось эллипса и содержит как оптическую ось, так и точку объекта. Сагиттальный план ориентирован перпендикулярно тангенциальной плоскости.

Из-за различных путей пересечения линзы лучи в тангенциальной плоскости и лучи в сагиттальной плоскости эффективно испытывают линзы с разными фокусными расстояниями. Эффективная линза, которую испытывают лучи в тангенциальной плоскости, имеет большую мощность. Из-за этой асимметрии лучи в тангенциальной плоскости фокусируются ближе к линзе, чем сагиттальные лучи.

На верхнем рисунке показано, как система, страдающая от астигматизма, фокусирует конус лучей из внеосевой точки на тангенциальную и сагиттальную плоскости.  Нижняя фигура помещает экран просмотра в точку объекта, тангенциальный фокус и сагиттальный фокус.

Расположение точек изображения для тангенциального и сагиттального лучей совпадает на оптической оси, и они расходятся для точек дальше от оптической оси.

Астигматизм вызывает фокусирование лучей в тангенциальной плоскости на поверхность, отличную от лучей в сагиттальной плоскости.

Кривизна поля

Кривизна поля — это аберрация, связанная с астигматизмом, но она может существовать в системе, которая не страдает астигматизмом. В случае искривления поля объект изображается на изогнутой поверхности, а не на плоскости. Изображение не размыто этой аберрацией; оно просто проецируется на изогнутую поверхность. Это проблема для камер и слайд-проекторов, потому что плоскость изображения должна быть плоской для этих применений. Изогнутое поле изображения можно сплющить с помощью комбинации линз. Если используются две линзы, их показатели преломления (n1 и n2) и их фокусные расстояния (f1 и f2) должны соответствовать следующему условию:

n1f1 + n2f2 = 0.

Если система демонстрирует кривизну поля, объекты отображаются на изогнутой плоскости изображения.

Искажение

Как и кривизна поля, изображение, которое страдает от искажений, не размыто. Вместо этого точки изображения смещены в радиальном направлении от положений, предсказанных при прохождении параксиальных лучей через оптическую систему. Точки изображения могут быть смещены либо к оптической оси, либо от нее. Этот эффект предполагает, что различные части объекта испытывают различное увеличение.

При подушкообразном искажении увеличение увеличивается в указанных направлениях. Изображение квадрата, страдающего от подушкообразного искажения, имело бы вытянутые углы.

При бочкообразным искажении увеличение уменьшается по указанным направлениям. Изображение квадрата, страдающего от бочкообразного искажения, будет характеризоваться пересеченными углами.


Подушкообразные искажения сжимают и растягивают изображение квадрата по углам (а). 
Бочкообразное искажение сдвигает углы изображения квадрата к центру (b).

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».
Сильным астигматизмом славились старые объективы и тогда же появилось название «Анастигмат», т.е. объектив с исправленным астигматизмом.

Аберрация оптической системы глаза | Наука

Рис.1,Хроматизм положения (1) и его уменьшение с помощью биологически приспообленных систем изменения кривизны поверхностей, плотности структуры линз и др. оптической сисиемы глаза (2)

Аберрация оптической системы глаза — особенности аберраций (особенно хроматической при цветовом зрении) глаза — способность оптической системы глаза (в основном раговица+хрусталик) реагировать на возможные аберрационные явления в оптических изображениях на сетчатке, возникающих в любых линзах.

Появление аберраций глаза способно привести к тому, что каждая точка предмета может выглядеть в виде пятна с весьма сложным распределением освещенности в нем. При хроматической же аберрации (цветовое зрение) имеет место появления кружков нерезкости в фокальной поверхности (напаример, синего, зелёного, красного цветов)(см. рис.1 (1)).[1]

Различают аберрации в глазу:

  • Хроматическую
  • Сферическую
  • Дифракционную

Хроматическая аберрация в оптической системе глаза имеет сходный характер аберраций систем линз — фокусировка монолучей на разном расстоянии вдоль главной оси линз, что на фокальной поверхности (сетчатки) образует кружки нерезкости (см. рис.1 (1)) (рассеяние лучей), обусловленное неодинаковой сходимостью фокусирующихся на фокальной поверхности лучей различной длины волны , в результате чего получаем на срезе трёх конусов оптическое изображение точек, размытых с окрашенными краями, в итоге изображение получаем с окрашенными краями. (Обычно красная кромка более заметна, так как красные лучи при фокусировке дистанцируются с большей удалённостью от синих и зелёных)

Хроматическая аберрация обычно приводит к тому, что падающий на линзу параллельный пучок основных спектральных лучей («белый» свет) RGB фокусируется в трёх точках: коротковолновые синие лучи сфокусируются ближе к линзе, затем зелёные лучи и затем — красные. (в порядке возрастания длины волны) (см. рис.1 (1)). Что приводит к тому, что оптическое изображение белой точки в любой плоскости получается в виде окрашенного пятна (кружка). В данном случае, если фокус синих лучей ляжет на сетчатку, то изображение точки будет окружено красно-зелёным ореолом.

Хроматическая аберрация зависит от диаметра зрачка глаза (диафрагмы) и увеличивается вместе с ним. В среднем величина хроматической аберрации для крайних длин волн видимого спектра составляет примерно 1,2-1,3 D (диоптрии) (значение было принято Т.Юнгом).[2]

Как правило в условиях нормального освещения белым светом человек не различает цветных каемок вокруг наблюдаемых предметов. Это объясняется целым рядом факторов:

  1. Наличием малых угловых схождений лучей при фокусировках и соответственно наложением цветных ореолов один на другой и малыми угловыми размерами цветных каёмок (более компактное схождение центров фокусировок см.).
  2. Восприятие цвета и света при помощи трёхкомпонентной системы колбочек, рефлекторно воспринимающих раздельно области «синих», «зелёных», «красных» спектральных лучей.
  3. Способность оптической сиситемы рефлекторно менять кривизну роговицы и хрусталика, а также с переменной твёрдостьи биологических линз (роговица+хрусталик, у которых с уменьшением твёрдости к периферии измененяется показатель преломления, при котором, центры преломления (например, RGB) монолучей ложаться на сетчатку с наименьшим разбросом расстояний между центрами фокусипровок — с меньшими кружками нерезкости (см.рис.1 (2)).
  4. 1. Аксон
    2. Нервно-мышечное соединение
    3. Мышечное волокно
    4. Миофибриллы

    Колбочковые, палочковые экстерорецепторы содержат пигмент сокращающихся фибрилл — миоид, который участвует в ретиномоторной реакции при сокращениях с изменением длины колбочки перпендикулярно сетчате, рефлекторно, автоматически настраивает положение мембраны колбочки по высоте, обеспечивая поднастройку точек фокусировки основных дисперсионных лучей, например, RGB трёх колбочек: «красной», «зелёной», «синей». При этом в каждой колбочке предметная точка при фокуровке занимает плавающее положение в мемране. За счёт этого мембрана, перемещаясь, поднастраивается на высоте, создавая дополнительно условия для трансдукции сигнала (с максимальной энергией захватыаемых фотонов). Это обеспечивает получение оптимально более сильного, яркого сигнала предметной точки, каждого из лучей каждой колбочой ячейки RGB — а в итоге максимальную резкость оптического изображения.


При определении остроты зрения в монохроматическом свете, а также при применении специальных средств для исправления хроматической аберрации не привели к существенному повышению остроты зрения. Таким образом, хроматические аберрации не оказывают определяющего влияния на центральное зрение.[3]

Объектив: аберрация, дисперсия и дисторсия

Что такое аберрация? Аберрация – это искажения фотографического изображения, образованные оптической системой. Аберрации могут быть геометрическими и хроматическими, это зависит от природы их происхождения.

Хроматические, или как их ещё называют, цветовые аберрации возникают из-за низкого качества фотографической оптики. Проще говоря, это одно из свойств объектива. Хроматическая аберрация в принципе присуща почти каждому из них. Естественно, чем ниже качество линз и вообще качество объектива, тем заметнее эти цветовые искажения на снимках. Почти на каждом снимке, который сделан недорогим фотоаппаратом, можно видеть яркую разноцветную кайму, которая обрамляет контрастные объекты. Это и есть проявление цветовой аберрации.

Хроматические или цветовые аберрации проявляются на границах контрастных элементов

Для того, чтобы свести хроматическую аберрацию к минимуму, ученые создали специальные линзы, которые называли ахроматическими. Эти линзы состоят из двух разных сортов стекла. Стекло сорта крон имеет низкий коэффициент преломления света, а стекло сорта флинт - высокий. Если правильно подобрать соотношение этих сортов, то от хроматической аберрации можно почти избавиться.

Не нужно забывать и о таком явлении, как дисперсия стекла – преломление световых лучей с различной длиной цветовой волны под разными углами.

Пожалуй, не меньше чем хроматическая аберрация, «достаёт» фотографов аберрация геометрическая. При этом явлении точки объекта, которые находятся за пределами оптической оси, отображаются на фотографии как линии или затемнения. Такое искажение называется астигматизм. При астигматизме объекты на снимке получаются изогнутыми, искривленными и даже чуть нерезкими. Надо заметить, что геометрическая аберрация, так же как и хроматическая, влияют на резкость изображения. Правда, при астигматизме это не так заметно.

Асиметрия в фотографии

Часто можно видеть, что контуры объектов на снимке получаются неестественно выпуклыми или вогнутыми. Это проявление дисторсии, одного из видов геометрической аберрации. Дисторсия бывает подушкообразной – если контуры объектов выпуклы, и бочкообразной, если контуры вогнуты. Кстати, дисторсию можно использовать в работе как один из творческих приемов.

Бочкообразная форма зданий

Дисторсия – это результат изменений линейного увеличения, которое обеспечивается оптикой, по всему полю изображения. Проще говоря, лучи света, которые проходят через центр линзы, сходятся вместе в одну точку дальше от линзы, чем лучи, проходящие через её края. Особенно ярко этот эффект заметен при съемке широкоугольными объективами. При съемке зумами проявление бочкообразной дисторсии более заметно при минимальном значении зума, а подушкообразной. При максимальном.

Для того чтобы снизить дисторсию, нужно применять асферическую оптику. В асферические оптические системы включают специальные линзы, которые имеют эллиптическую или параболическую поверхности. Благодаря этому геометрическая аберрация сводится практически к нулю. Изображение на снимке становится идеально похожим на объект съемки. Правда, стоит заметить, что эти линзы очень сложны в изготовлении и их наличие в объективе серьезно сказывается на его стоимости. Начинающих же мастеров фотографии, не имеющих таких объективов, можно утешить тем, что проявление дисторсии в той или иной степени можно скорректировать в графических редакторах.

Те геометрические аберрации, которые препятствуют созданию объективом плоского изображения, называют кривизной поля изображения. При таком виде аберрации в фокусе могут находиться или края изображения, или его центр. Для того чтобы скорректировать эту кривизну, в сборку объектива вносятся некоторые изменения. Но при этом необходимо соблюдать правило Пацвала, которое определяет качество элементов объектива. С помощью этого правила вычисляют так называемую сумму Пацвала. Если обратная величина произведения показателя преломления одного элемента и фокусного расстояния в сумме с общим числом количества элементов равна нулю, значит это элемент хороший. Стоит заметить, что способы исправления кривизны изображений по краям фотографии не были известны до середины 19 века. Но мастеров художественного фото это совершенно не смущало. Они изобрели множество способов скрыть эти искажения, например, с помощью вычурных виньеток. А портреты вставляли в овальные рамы.

Иногда на снимках возникает достаточно сложная аберрация, которую фотографы в обиходе называют комой. Речь идет о коматической аберрации. Это довольно сложная аберрация, которая влияет только лишь на световые лучи, которые проходят через объектив под углом. На фотографиях коматическая аберрация выглядит как размытость отдельных точек изображения, похожая по форме на комету. Если «хвост» кометы направлен к краю снимка – это позитивная кома, если к центру – это негативная кома. Чем ближе эта точка к краю снимка, тем это явление боле заметно. Те же световые лучи, но проходящие четко через центр объектива, коматической аберрации не подвергаются.

Многие виды геометрических аберраций можно свести к минимуму регулировкой диафрагмы. Уменьшая её отверстие, мы одновременно уменьшаем и количество лучей, которые попадают на края объектива. Однако пользоваться этим нужно с осторожностью, так как излишнее диафрагмирование может привести к росту дифракции.

Что же такое дифракция? Дифракцией называют оптический эффект, который ограничивает детальность снимка вне зависимости от установленного разрешения изображения. Причина дифракции в том, что световой поток при прохождении через диафрагму рассеивается. Чрезмерное диафрагмирование может привести к так называемому дифракционному пределу. При стремлении увеличить глубину резко изображаемого пространства, многие фотографы закрывают диафрагму до такой степени, что достигнутая при помощи этого резкость перекрывается сглаживающим действием дифракции. Это и есть дифракционный предел. И его величину нужно знать, иначе не избежать проблем с детализацией изображения. Для расчета дифракционного предела создан специальный калькулятор, который можно легко скачать на специализированных сайтах.

Дифракция

Ну и в завершении этой статьи стоит заметить, что идеального фотографического объектива без аберраций пока еще не создано. Даже оптика самых известных и уважаемых брэндов в той или иной мере подвержена их действию. Корректировка одного вида искажений неизбежно влечет за собой увеличение действия другого. Но – человеческая мысль не стоит на месте. Возможно, когда-нибудь идеальный объектив и будет создан. Но – пока его нет. Однако, чтобы стать настоящим фотохудожником, совсем не обязательно дожидаться появления такого объектива. Нужно просто хорошо изучить возможности имеющейся у вас оптики и умело ей пользоваться. И тогда успех вам гарантирован.

Copyright by TakeFoto.ru

Центр клиентской поддержки — Meiji Techno (Мейджи Техно)

 


Аберрация — оптический дефект, возникающий, когда лучи, падающие на линзу, не собираются в одной точке. Существует несколько различных типов аберраций, каждый из которых влияет на качество изображения.

Ахромат — оптическая система, исправляющая хроматические аберрации.

Ахроматический конденсор — конденсор, скорректированный для исправления сферических аберраций. Этот тип конденсора чаще всего устанавливается на светлопольных микроскопах.

Ахроматическая линза — система линз, скорректированная для обеспечения одинакового фокусного расстояния для красных и синих лучей света и, соответственно, исправления хроматических аберраций.

Анализатор — часть поляризационной системы для определения характера поляризации света.

Апертура — фиксированное или настраиваемое отверстие, сквозь которое поступает свет.

Апохромат — система линз, у которой исправлены хроматические аберрации для трех или более цветов.

Апохроматическая линза — система апохроматических линз для коррекции по трем цветам вместо двух. Также этот тип линз исправляет сферические аберрации.

НАВЕРХ


Бинокуляр — насадка для микроскопа с двумя окулярами.

Большое рабочее расстояние — характеристика объектива или микроскопа, рабочее расстояние которого больше стандартного.

НАВЕРХ


Вращающийся столик — способен вращаться на 360 градусов или, если это вращающийся механический столик, на 270 градусов.

Видеомикроскоп — позволяет наблюдать препарат на видеоэкране. Получаемое изображение можно анализировать с помощью специального программного обеспечения.

Виртуальное изображение — изображение, которое не проецируется в открытое пространство.

Вынос выходного зрачка — положение глаза, обеспечивающее наилучший обзор изображения.

Выходной зрачок — изображение, проецируемой в конкретную точку пространства за окуляром. Ваш глаз должен располагаться в этой точке, чтобы увидеть полное и хорошо сфокусированное изображение. Размер выходного зрачка обычно выражается в миллиметрах.

НАВЕРХ


Глубина резкости — расстояние вдоль оптической оси, в пределах которого препарат отображается достаточно резко.

Глубина фокуса — расстояние вдоль оптической оси, в пределах которого препарат четко сфокусирован.

Грубая фокусировка — рукоятка быстрого перемещения препарата (или объектива) для грубой фокусировки.

НАВЕРХ


Дисковая диафрагма — вращающийся диск, расположенный под предметным столиком, с отверстиями для регулирования угла света падания света.

Длина волны — свет существует в виде волн различной длины. Расстояние от вершины одной волны до вершины следующей волны обычно измеряется в нанометрах (нм) или ангстремах (А).

Длина тубуса — оптическое расстояние от объектива до окуляра. От длины тубуса зависит взаимозаменяемость оптических компонентов; т. е. объектив, скорректированный для 160-миллиметровой длины тубуса, нельзя использовать на микроскопе, скорректированном на бесконечность.

НАВЕРХ


Зажимы столика — металлические зажимы, расположенные на предметном столике, с помощью которых закрепляется препарат.

НАВЕРХ


Ирисовая диафрагма — приспособление, которое может сужаться и расширяться как радужка глаза.

Источник света — прибор, освещающий объект или препарат для исследования. Может иметь фиксированную или настраиваемую интенсивность.

НАВЕРХ


Конденсор — система линз между источником света и препаратом, собирающая лучи света и направляющая их на препарат.

Контраст — отношение яркостей самой светлой и самой темной частей изображения. Для получения качественного изображение требуется хороший контраст и разрешающая способность.

Крепление фильтра — гнездо для установки фильтра на пути светового потока в микроскопе.

НАВЕРХ


Линза — оптическое стекло с двумя полированными поверхностями для собирания или рассеивания лучей света.

Линза объектива — оптическая система, обращенная к объекту наблюдения, которая собирает свет, идущий от поля зрения, и формирует первичное изображение.

Линза с коррекцией — линза или система линз, исправляющая конкретные аберрации.

НАВЕРХ


Масляная иммерсия — методика нанесения капли масла между объективом с увеличением 100Х и покровным стеклом для улучшения разрешающей силы объектива. Также может наноситься между конденсором и слайдом.

Метод светлого поля — метод освещения, при котором свет отражается от препарата и проходит через объектив к окулярам.

Метод темного поля — метод освещения для изучения образцов, которые невозможно наблюдать методом светлого поля. Для темнопольной микроскопии требуется сухой темнопольный конденсор и объектив с малым увеличением. Конденсор для масляной иммерсии используется при работе с большими увеличениями. Объективы с большим увеличением должны иметь ирисовую диафрагму.

Механический столик — столик, движение которого осуществляется с помощью рукояток (оси X-Y).

Микроманипулятор — устройство, предназначенное для выполнения тонких механических операций над образцами.

Микроскоп — высокоточный оптический инструмент для изучения микроскопических объектов.

Микросъемка — процесс запечатления на пленке изображения, наблюдаемого в микроскопе.

Монокуляр — насадка для микроскопа с одним окуляром.

НАВЕРХ


Наклон — окуляры микроскопа располагаются под углом (30-45 градусов) для обеспечения более комфортного положения головы при длительной работе.

Немецкие промышленные нормы (DIN) — международный стандарт, используемый при изготовлении взаимозаменяемых линз для объективов.

Нитяной окуляр — окуляр с измерительной сеткой и подвижным перекрестием для измерений.

НАВЕРХ


Окуляр — элемент оптической системы, обращённый к глазу наблюдателя.

Окулярный микрометр — окулярный микрометр устанавливается в окуляр и позволяет выполнять измерения препарата.

Окулярная трубка — трубка для установки окуляра.

Окуляр Гюйгенса — окуляр с коррекцией хроматический разности увеличения в ахроматической линзе объектива.

Окуляр Рамсдена — окуляр, схожий с окуляром Гюйгенса, но с фокальной плоскостью, расположенной на или вне собирающих линз.

Освещение — подача света из нижней части микроскопа на объект или препарат.

Освещение по Келлеру — метод освещения, предложенный Августом Келлером в 1893 году.

Основание — нижняя утяжеленная часть микроскопа, обеспечивающая равновесие и устойчивость к вибрациям.

Оптическая сетка — оптическое стекло с рисунком, напечатанным на одной из его сторон, которое устанавливается в окуляр позволяет наложить рисунок на поле зрения микроскопа.

Оптическое увеличение — увеличение объекта с помощью оптического прибора.

НАВЕРХ


Парфокальность — способность сохранять резкость изображения при смене объектива без повторной фокусировки.

Парфокальная высота — расстояние между поверхностью препарата и линзы объектива, когда препарат находится в фокусе.

Планобъектив — объектив, исправляющий кривизну изображения по всему полю зрения, обеспечивая резкое изображение. Также есть планахроматы, планфлюориты и планапохроматы.

Поляризатор — фильтр, дающий поляризованный свет.

Поляризованный свет — световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении.

Поляризационный компонент — компонент, добавляемый в обычный микроскоп для обнаружения и просмотра двупреломляющих материалов.

Призма — элемент из оптического стекла, у которого есть как минимум две грани, расположенные наклонно друг к другу, для отражения и преломления света.

ПЗС (CCD) — прибор с зарядной связью - Датчик изображения или матрица в видеокамере. Различаются по размеру диагонали, например, 1/3", 1/2", 2/3" и т.д.

Поле зрения — это диаметр наблюдаемой области, обычно выраженный в миллиметрах. Чем выше кратность увеличения, тем меньше поле зрения.

Предметный столик — поверхность, на которой крепится препарат.

Пустое увеличение — увеличение размера изображения, но не его детализации из-за недостаточной разрешающей способности оптической системы.

НАВЕРХ


Рабочее расстояние — расстояние от объектива до препарата при сфокусированном изображении.

Разрешающая сила — способность различать две точки на определенном расстоянии.

Револьвер — вращающаяся турель с набором объективов.

Реечная передача — механическая конструкция, состоящая из шестерни и вертикальной рейки, которая используется в фокусировочных механизмах.

Регулировка — центрирование оптических элементов вдоль одной оси.

Рисовальный аппарат (Камера-люцида) — приспособление, позволяющее человеку одновременно видеть препарат, бумагу и карандаш для облегчения зарисовывания.

НАВЕРХ


Свет — электромагнитное излучение, состоящее из фотонов.

Светоделитель — устройство, разделяющее поток свете на две части. Обычно представляет собой стекло, размещённое на пути светового потока под углом 45°.

Система с бесконечной коррекцией — оптическая система, в которой изображение формируется линзой объектива и тубусной линзой.

Система с конечной коррекцией — оптическая система, в которой изображение формируется только линзой объектива.

Сферическая аберрация — центрирование оптических элементов вдоль одной оси.

НАВЕРХ


Тонкая фокусировка — рукоятка медленного перемещения препарата (или объектива) для тонкой фокусировки.

Тринокуляр — насадка для микроскопа с двумя окулярами и оптической трубкой.

НАВЕРХ


Увеличительная способность — показатель линзы или системы линз. Определяет, во сколько раз изображение больше, чем объект, видимый невооруженным глазом.

Ультрафиолетовое излучение — часть спектра за пределами видимого диапазона.

Учебная насадка — принадлежность для микроскопа, позволяющая нескольким пользователям одновременно наблюдать препарат.

НАВЕРХ


Фильтр дневного света — голубой или синий фильтр для коррекции цветовой температуры источника света.

НАВЕРХ


Хроматическая аберрация — оптический дефект линзы, характеризующийся наличием цветной каймы или ореола. Возникает из-за несовпадения фокусных расстояний для лучей света с разными длинами волн.

НАВЕРХ


Цветовая температура — характеристика интенсивности излучения источника света, выраженная в кельвинах.

НАВЕРХ


Ч.А. — характеристика интенсивности излучения источника света, выраженная в кельвинах.

НАВЕРХ


Штатив — часть микроскопа для поддержки тубуса и системы линз. При переносе микроскопа его держат за штатив.

Широкопольный окуляр — окуляр с большим полем зрения и высоким выносом зрачка.

НАВЕРХ


Фазовый контраст — метод освещения для изучения прозрачных живых неокрашенных препаратов.

Фильтр — цветной прозрачный материал, который помещают на пути светового потока для изменения условий наблюдения.

Флуоресценция — способ освещения для изучения маркированного материала (белки, ферменты), заключающийся в возбуждении материала светом определенной длины волны с последующей эмиссией света с другой длиной волны.

Флюоритовый объектив — объектив, скорректированный на две длины волны, с большей разрешающей способностью по сравнению с ахроматом.

Фокусное расстояние — это расстояние от оптического центра объектива до точки фокусировки.

Фокальная точка — точка, в которой сходятся лучи после прохождения сквозь линзу.

НАВЕРХ


Японский промышленный стандарт (JIS) — международный стандарт, используемый при производстве взаимозаменяемых линз для объективов. Микроскоп типа JIS обычно имеет 36-миллиметровый объектив и длину тубуса 170 мм.

НАВЕРХ

Оптика: очки и контактные линзы

Оптическая система, преломляя лучи света и разлагая белый свет на составные части, смещает изображения в различных лучах спектра относительно друг друга. Это явление называется хроматической аберрацией, или хроматизмом. Хроматическая аберрация проявляется в окрашивании изображения.

Аберрации, ранее рассмотренные для монохроматического света, характерны для всех лучей спектра. Но полный анализ всех аберраций для лучей с определенными длинами волн был бы весьма сложен, поэтому ограничиваются рассмотрением отдельных видов хроматической аберрации.

Основными видами хроматической аберрации являются: 1) хроматизм положения, или хроматическая аберрация нулевых лучей; 2) хроматическая разность сферических аберраций; 3) хроматизм увеличения; 4) хроматическая разность аберраций наклонных лучей в меридиональной плоскости. В особых случаях рассматривают и астигматизм цветных лучей.

Хроматизм рассматривается для определенных лучей спектра. Таковыми лучами для приборов, работающих совместно с глазом наблюдателя, называемых визуальными, являются лучи в диапазоне длин волн от линии F с длиной волны 486 нм и до линии С с длиной волны 656 нм. Эти лучи для нашего глаза определяют видимый спектр.

Если приборы предназначаются для фотографирования изображения в других лучах спектра (инфракрасных, ультрафиолетовых, лучах Рентгена и др. ), то хроматизм рассматривается для лучей с соответствующей длиной волны.

Если луч света падает на линзу на конечном расстоянии от оптической оси (рис. 44), то при разложении на составные части он образует различные точки пересечения с оптической осью F'F, F'D, F'C и т. д.

Хроматическая аберрация положения по оптической оси находится по формуле

Хроматическая аберрация положения всегда определяется по отношению к положению теоретической плоскости изображения. Эта плоскость от оптической системы расположена на расстоянии s'0,D. Если за основной луч принимается не желтый D, а какой- нибудь иной, то вместо s'0,D принимается луч s'0,λ.

Хроматическая аберрация положения одиночной тонкой линзы для бесконечно удаленного предмета может быть найдена путем дифференцирования формулы (20,1), при d=0:

Разность положения фокусов нулевых лучей различных длин воли по оптической оси указывает на хроматизм положения оптической системы любой сложности.

Комбинируя положительные и отрицательные линзы с различным коэффициентом дисперсии, удается в значительной степени уменьшить хроматизм положения. Такие оптические системы называются ахроматическими, а объективы - ахроматами Процесс исправления хроматической аберрации называется ахроматизацией. Хроматическую аберрацию нулевых лучей можно изображать

графически, откладывая по оси ординат длины волн, а по оси абсцисс хроматическую аберрацию вдоль оптической оси. Хроматическая кривая хроматизма положения ахроматической системы показана на рис. 45.

Здесь для двух лучей спектра хроматизм отсутствует, например для лучей спектра G' и С или для лучей с длинами волн 450 и 620 нм.

Если для двух лучей спектра хроматическая аберрация положения уничтожена, то остаточная хроматическая аберрация называется вторичным спектром. При этом рассматривают весь участок изучаемого спектра. Так, например, на рис 45, рассматривая ахроматизацию в пределах лучей спектра G' и С, имеем вторичный спектр в 0,09 мм. Часто график хроматизма положения называют графиком вторичного спектра. Если хроматизм положения исправлен для трех лучей спектра, то остаточную аберрацию называют третичным спектром и т. д. Но не только для нулевых лучей должен быть исправлен хроматизм, он должен быть исправлен и для всех осевых и наклонных пучков лучей.

Полного устранения хроматической аберрации в наклонных пучках достигнуть не удается. Разности величин изображения образованных различными лучами спектра, должны быть существенно малы. Кроме того, эти изображения должны быть расположены в одной плоскости.

Если оптическая система образует совпадающие изображения для различных лучей спектра, например для трех, то она называется апохроматом. Апохромат, как правило, имеет уменьшенный вторичный спектр, а если его хроматизм положения характеризуется третичным спектром, то он значительно меньше вторичного. Апохроматы предназначаются для фотографирования цветных картин (полиграфия, кинематография, телевидение).

Лучи, падающие на линзу, на различных высотах преломляются, разлагаясь на составные части по-разному. Это явление аналогично сферической аберрации и может быть графически показано на графике сферической аберрации

(рис. 46). Оно называется сферохроматической аберрацией. Иногда разность сферических аберраций для различных лучей спектра называют хроматической разностью сферических аберраций. Она полностью характеризует резкость изображения точки на оптические оси.

Часто характеристические кривые хроматической разности сферических аберраций показываются на графике вторичного спектра (рис. 47). Здесь показана хроматическая аберрация фотографического объектива "Индустар-17", f = 500 мм, 1:5 в обоих случаях идеальным было бы то положение, если бы все три кривые выпрямились, сделались вертикальными и слились бы вместе.

Для точек изображения вне оптической оси существуют те же причины возникновения хроматизма. На оптической оси встречаемся с окрашиванием кружков рассеяния, а вне оптической оси - с окрашиванием пятен рассеяния.

Наклонный пучок лучей также разлагается на составные части, и лучи с различной длиной волны пересекают плоскость изображения в различных точках. Разность величин цветных изображений называется хроматизмом увеличения (рис. 48)

При рассмотрении хроматизма увеличения учитывают хроматическую разность аберраций наклонных лучей в меридиональной плоскости. Это явление аналогично меридиональной коме и сферической аберрации наклонного пучка лучей, но рассматривается для различных длин волн. Она может быть графически показана на графике меридиональной комы (рис. 49). В данном примере для главного луча хроматизм увеличения отсутствует, но хроматическая аберрация наклонных лучей значительна, и можно предполагать, что изображение точки окрашено.

Исправление аберраций в оптической системе для видимой части спектра называется оптической, или визуальной, коррекцией. Для этой части спектра (С, D и F) производят исправление хроматизма в приборах, работающих совместно с глазом человека, а также фотографических объективах, предназначенных для съемок на панхроматических и цветных светочувствительных материалах. В остальных случаях мы встречаемся с актиничной, или фотографической, коррекцией.

Фотографические объективы для обычной штриховой, тоновой и полутоновой съемки исправляются для лучей спектра D и G, так как диапозитивные эмульсии малочувствительны к красным лучам спектра.

Объективы апохроматы для полиграфических репродукционных цветных съемок должны иметь исправление для лучей спектра от С до G'. Специальные объективы для съемок в инфракрасных лучах спектра имеют диапазон длин волн, соответствующий условиям работы. При этом за основной луч во многих случаях выбирают не D, а луч, соответствующий максимуму светочувствительности при съемке. В таких случаях рассматривают совместно спектральные свойства светофильтров, фотокатодов или фотографических слоев и на основании этого выбирают длину волны света, соответствующую максимуму освещенности в плоскости изображения.

Для осуществления перехода от одного состояния коррекции в другое служит гиперхроматическая линза (рис. 50) с оптической силой, равной нулю. Показатели преломления ее составляющих для основного луча равны, но коэффициенты дисперсии различны, вследствие этого она влияет на изменение хроматизма положения той системы, совместно с которой применяется.

Что такое аберрации оптических систем?

Каждый фотограф, как любитель так и профессионал, рано или поздно сталкивается с явлением аберрации или искажением изображения. Этот эффект не зависит от профессионализма, он вызван несовершенством оптической системы объектива. Явлению аберрации подвержены даже самые дорогие объективы. Замечено, что с увеличением фокусного расстояния объектива повышается уровень аберраций.
А они достаточно разнообразны.

Наиболее часто в фотоделе встречается хроматическая аберрация. Ее вызывает дисперсия света, который проходит через объектива. Физически это разложение луча на составляющие спектра. Разная длина волны каждого луча отвечают за разный цвет, они преломляются под разными углами и в результате получается радуга. Хроматическая аберрация снижает четкость снимка и дает «эффект бахромы», который особенно заметен на контрастных объектах.

Этой болезнью болеют и дешевые и ультрадорогие длиннофогкусные объективы. Ликвидировать или минимизировать хроматическую аберрацию можно при помощи специальных апохроматических линз, которые изготавливаются из стекла с низкой дисперсией и не разлагают световой луч на составляющие спектра.

Сферическая аберрация возникает в объективах с выпуклой линзой, т. е. в их подавляющем большинстве. Сферическая поверхность такой линзы проста в изготовлении, но она не идеальна для снимков с повышенной резкостью. Если вы слышали жаргон «мыло» применительно именно к снимкам, то это как раз и есть сферическая аберрация, которая привела к снижению контрастности и размыве деталей. Это происходит потому, что у краев линзы фокусное расстояние несколько короче, чем в центре. Поэтому идущие параллельно лучи света преломляются при прохождении через сферическую линзу по разному: лучи, которые проходящие через край линзы, в фокальной точке сливаются ближе к линзе, чем те, которые проходят через центр линзы. Т.е. центр линзы имеет более длинное фокусное расстояние, чем ее края.
Ниже размещенное изображение наглядно иллюстрирует прохождение пучка света через линзу и как образуются сферические аберрации. Это явление вполне поддается корректировке простым диафрагмированием до достижения необходимой резкости изображения.

Когда объектив скорректировали на сферическую аберрацию неправильно, т. е. лучи света, которые поступают на край объектива, сведены под углом, можно наблюдать аберрацию в виде кометы, или коматическую аберрацию, в просторечье кому.

Форма кометы всегда ориентирована радиально, а вот ее хвост может быть как направлен к центру, так и наоборот. Подобная размытость по краям называется коматической засветкой.
Ликвидация как коматической, так и сферической аберрации носит название апланатизм, а скорректированный объектив – апланат.

Существуют еще виды аберрации, такие как астигматизм и кривизна поля изображения, но они встречаются намного реже, и, что печально, такой объектив не настраивается, его просто выбрасывают.

Сравнение оптических аберраций | Эдмунд Оптикс

Выявление аберраций | Примеры аберраций

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

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

Оптическая идентификация аберраций

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

Название аберрации (коэффициент волнового фронта):

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


Рисунок 1: Образец диска Эйри

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

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

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

ПРИМЕРЫ ОПТИЧЕСКИХ АБЕРРАЦИЙ

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

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

Рисунок 2: Целевой показатель искажений в сети с фиксированной частотой

Рисунок 3: Отрицательный контраст 1951 г. Цель разрешения ВВС США

Рисунок 4: Звездная цель

Наклон - W 111

Рисунок 5a: Представление аберрации наклона

Рисунок 5b: Моделирование аберрации наклона

Характеристика
  • Изображение имеет неправильное увеличение
  • Вызванный Actual Wavefront наклонен по отношению к Справочной Wavefront
  • Первый порядок: W 111 = Hρcos (θ)
Действие по устранению
  • Изменить систему увеличения
Расфокусировка - W 020

Рисунок 6a: Представление аберрации расфокусировки

Рисунок 6b: Моделирование аберрации расфокусировки

Характеристика
  • Изображение в неправильной плоскости изображения
  • вызвано неправильным эталонным изображением
  • Используется для исправления других аберраций
  • Первый порядок: W 020 = ρ 2
Действие по устранению
  • Система перефокусировки, найти новое эталонное изображение
Сферический - W 040

Рисунок 7a: Представление сферической аберрации

Рисунок 7b: Моделирование сферической аберрации

Характеристика
  • Изображение выглядит размытым, лучи от края фокусируются в другой точке, чем лучи от центра
  • Встречается со всей сферической оптикой
  • Аберрация по оси и вне оси
  • Третий порядок: W 040 = ρ 4
Действие по устранению
Кома - W 131

Рисунок 8a: Представление аберрации комы

Рисунок 8b: Моделирование аберрации комы

Характеристика
  • Возникает при изменении увеличения в зависимости от местоположения на изображении
  • Два типа: тангенциальный (вертикальный, направление Y) и сагиттальный (горизонтальный, направление X)
  • Только вне оси
  • Третий порядок: W 131 = Hρ 3 ; cos (θ)
Действие по устранению
  • Используйте двойную линзу с разнесением по центру
Астигматизм - W 222

Рисунок 9a: Представление аберрации астигматизма

Рисунок 9b: Моделирование аберрации астигматизма

Характеристика
  • Вызывает две точки фокусировки: одну в горизонтальном (сагиттальном) направлении, а другую в вертикальном (тангенциальном) направлении
  • Выходной зрачок выглядит эллиптическим вне оси, радиус меньше в одном направлении
  • Только вне оси
  • Третий порядок: W 222 = H 2 ρ 2 cos 2 (θ)
Действие по устранению
  • Противодействие с расфокусировкой
  • Используйте двойную линзу с разнесением и ограничителем в центре
Кривизна поля - W 220

Рисунок 10a: Представление аберрации кривизны поля

Рисунок 10b: Моделирование аберрации кривизны поля

Характеристика
  • Изображение идеальное, но только на изогнутой плоскости изображения
  • Вызвано распределением питания оптики
  • Только вне оси
  • Третий порядок: W 220 = H 2 ρ 2
Действие по устранению
Искажение - W 311

Рисунок 11a: Представление аберрации искажения

Рисунок 11b: Моделирование аберрации деформации ствола

Рисунок 11c: Моделирование аберрации подушкообразного искажения

Характеристика
  • Квадратичная ошибка увеличения, точки на изображении либо слишком близко, либо слишком далеко от центра
  • Положительное искажение называется цилиндрическим искажением, отрицательное - подушкообразным искажением
  • Только вне оси
  • Третий порядок: W 311 = H 3 ρcos (θ)
Действие по устранению
  • Уменьшено путем размещения диафрагмы в центре системы

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


Артикул

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

Оптическое общество: изучение науки о свете

Аберрации - это ошибки в изображении, возникающие из-за несовершенства оптической системы. Другими словами, аберрации возникают, когда оптическая система неверно направляет некоторые лучи объекта. Оптические компоненты могут создавать ошибки на изображении, даже если они изготовлены из лучших материалов и не имеют дефектов.Некоторые типы аберраций могут возникать при отображении электромагнитного излучения одной длины волны (монохроматические аберрации), а другие типы могут возникать при отображении электромагнитного излучения двух или более длин волн (хроматические аберрации). Происхождение и последствия хроматического излучения обсуждались в предыдущем разделе.

Монохроматические аберрации можно разделить на несколько категорий: сферические, кома, астигматизм, кривизна поля и искажения. Идея эталонной сферы часто используется при обсуждении аберраций.Для всех сфер луч, нарисованный перпендикулярно поверхности сферы, будет пересекать центр сферы, независимо от того, какое место на поверхности выбрано.

Сфера, лучи которой нарисованы перпендикулярно поверхности, пересекаются в центре сферы.

Контрольная сфера - это не физическая структура; это просто математическая конструкция, с которой сравнивается волновой фронт электромагнитного излучения. Если фронт электромагнитной волны имеет форму эталонной сферы, то фронт волны будет идеально сфокусирован в центре сферы.Помните, что определение луча указывает, что лучи рисуются перпендикулярно волновому фронту. Все лучи, связанные со сферическим волновым фронтом, будут пересекаться в центре сферы. Если фронт волны не сферический, часть лучей пройдет через центр сферы.

Некоторые лучи на аберрированном волновом фронте фокус к другой точке, W, чем делают лучи, перпендикулярные к опорному сфере.

Сравнивая волновой фронт электромагнитного излучения с эталонной сферой, можно определить, какие аберрации присутствуют на изображении и насколько они серьезны.

Сферические аберрации возникают у линз со сферической поверхностью. Лучи, проходящие через точки на линзе, находящиеся дальше от оси, преломляются сильнее, чем лучи, расположенные ближе к оси. Это приводит к распределению фокусов вдоль оптической оси.

Сферические аберрации приводят к тому, что параксиальные и периферические лучи имеют разные фокусы.

Лучи, которые образуют небольшой угол с оптической осью и движутся близко к оси, называются параксиальными лучами.Периферийные лучи взаимодействуют с краями компонентов оптической системы. Когда волновой фронт сферически аберрирован, периферические лучи фокусируются ближе к линзе, чем параксиальные лучи. Разница между тем, где эти два типа лучей попадают в фокус, - это способ измерить серьезность сферической аберрации в системе.

Можно разработать оптические компоненты с асферическими поверхностями, не имеющими сферической аберрации. Линзы с градиентным показателем преломления, которые имеют самые высокие показатели преломления в центре линзы и постепенно уменьшаются ближе к краю линзы, также могут устранить сферическую аберрацию.Однако оптические компоненты со сферическими поверхностями намного проще и дешевле в производстве, чем компоненты с асферическими поверхностями или характеристиками градиентного индекса. Из-за этого большинство разработчиков оптических систем используют стандартные компоненты со сферическими поверхностями.

Мерой сферической аберрации оптической системы является физическое расстояние между фокусами эталонной сферы и периферийными лучами аберрированного волнового фронта (между R и W).

При проектировании систем с несколькими линзами проектировщики оптики используют взаимодействие всех компонентов системы для минимизации сферических, а также других аберраций.Недокоррекция одной линзы может использоваться для компенсации избыточной коррекции другой линзы. Если оптическая система должна содержать только одну сферическую линзу, сферическую аберрацию можно свести к минимуму, если обе поверхности линзы в равной степени вносят вклад в оптическую силу линзы. Изготовление линзы с большим радиусом кривизны также поможет минимизировать сферическую аберрацию.

Сферические аберрации описывают фокусировку различных точек вдоль оптической оси. Изображение точки объекта, лежащей вне оптической оси, образует изображение в форме капли.Расширяющийся хвост изображения обычно направлен от оси, но он также может быть ориентирован в сторону оси.

Кома размывает изображение внеосевой точки в форме капли.

Когда объект отображается линзой, находящейся в коме, лучи, проходящие через периферию линзы, образуют более крупное изображение, чем лучи, проходящие через линзу ближе к оси. Для исправления комы необходимо, чтобы разные изображения накладывались друг на друга.По сути, изображения, сформированные параксиальными и периферическими лучами, должны иметь разную степень увеличения.

Кома может быть сведена к минимуму, если точно указать радиусы кривизны двух сторон одной линзы или использовать комбинацию оптических элементов. Когда оптическая система не имеет сферической аберрации или комы, она называется апланатической.

Лучи, испускаемые точкой объекта, образуют правильный круговой конус по мере продвижения к линзе.Когда точка объекта расположена вне оси, этот конус лучей образует эллипс на поверхности линзы. (Если бы конус лучей был испущен из осевой точки объекта, они бы образовали круг на поверхности линзы. ) Тангенциальная плоскость пересекает большую ось эллипса и содержит как оптическую ось, так и оптическую ось. точка объекта. Сагиттальный план ориентирован перпендикулярно тангенциальной плоскости.

Из-за того, что они по-разному пересекают линзу, лучи в тангенциальной плоскости и лучи в сагиттальной плоскости эффективно воспринимают линзы с разными фокусными расстояниями.Эффективная линза, которую испытывают лучи в тангенциальной плоскости, имеет более высокое оптическое увеличение. Из-за этой асимметрии лучи в тангенциальной плоскости фокусируются ближе к линзе, чем сагиттальные лучи.

На верхнем рисунке показано, как система, страдающая астигматизмом, фокусирует конус лучей из внеосевой точки на тангенциальную и сагиттальную плоскости. На нижнем рисунке обзорный экран помещен в точку объекта, тангенциальный фокус и сагиттальный фокус.

Расположение точек изображения для тангенциального и сагиттального лучей совпадает на оптической оси, а для точек, более удаленных от оптической оси, они расходятся.

Астигматизм заставляет лучи в тангенциальной плоскости фокусироваться на другой поверхности, чем лучи в сагиттальной плоскости.

Кривизна поля (или кривизна поля) - это аберрация, связанная с астигматизмом, но она может существовать в системе, которая не страдает астигматизмом. В случае кривизны поля объект отображается на криволинейной поверхности, а не на плоскости. Изображение не размывается этой аберрацией; он просто проецируется на изогнутую поверхность.Это проблема для фотоаппаратов и слайд-проекторов, поскольку для этих приложений плоскость изображения должна быть плоской. Искривленное поле изображения можно сгладить, используя комбинацию линз. Если используются две линзы, их показатели преломления (n1 и n2) и их фокусные расстояния (f1 и f2) должны соответствовать следующему условию:

n1f1 + n2f2 = 0.

Если система демонстрирует кривизну поля, объекты отображаются на изогнутой плоскости изображения.

Как и кривизна поля, изображение, страдающее искажениями, не размывается. Вместо этого точки изображения смещаются в радиальном направлении от предполагаемых положений, когда параксиальные лучи прослеживаются через оптическую систему. Точки изображения могут быть смещены как в сторону оптической оси, так и от нее. Этот эффект предполагает, что разные части объекта имеют разное увеличение.

В подушкообразном искажении увеличение увеличивается в указанных направлениях.Изображение квадрата, страдающего подушкообразным искажением, будет иметь вытянутые углы.

При бочкообразном искажении увеличение уменьшается по указанным направлениям. Изображение квадрата, страдающего бочкообразным искажением, будет характеризоваться смещенными углами.

Подушкообразное искажение сжимает и растягивает изображение квадрата в углах (а). Бочкообразное искажение смещает углы изображения квадрата к центру (b).

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 каким-то образом размыться 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 четкого 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.Создание 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 линзах, но минимизация эффектов аберрации имеет решающее значение. Поэтому при изготовлении любого объектива обычно идут на 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 изменяется и количество света, распространяющегося вдоль датчика.

Чем больше рассеивается свет, тем менее резким будет изображение. Если диафрагма не мала, объекты, 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 диафрагмы в системах технического зрения прочтите блог Teledyne Lumenera «Повышение производительности системы визуализации с помощью оптимизации апертуры объектива».

Кома

Кома вызывает свет, который должен фокусироваться как единая точка на изображении. 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 результат 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 этот 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 плоскости 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, которая есть 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 сглаживанию 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, поскольку 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 на многих объективах, вероятно, есть некоторая кривизна поля. 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 дешевые 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, которые используют очень большие или очень низкие фокусные расстояния, 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 это 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 «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 целесообразно 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 фиксирована, 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

Когда свет наклоняется в сторону По оптической оси из-за подушкообразного искажения изображение кажется растянутым внутрь.Поэтому 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, при которой на изображение влияет более одного шаблона искажения. Искажение усов обычно является признаком того, что объектив очень плохо сконструирован, поскольку это кульминация оптических ошибок, вызывающих смешение 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 свет, излучаемый или отражающийся от них, 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. Часто это 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 объектах, 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 вызвана наличием разных длин волн, фокусирующихся 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 фокусироваться на разных 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, который вводит 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 высококонтрастной среде (т.е.е. изображения с очень светлым фоном). В микроскопии линза может использовать апохромат (APO) вместо ахроматной линзы, которая использует три линзовых элемента 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 это требует большой точности и рекомендуется 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, наиболее соответствующих вашим требованиям.Обратитесь по адресу [email protected]

И подпишитесь на нашу рассылку, чтобы автоматически получать регулярные обновления от Teledyne Lumenera.

Анатомия микроскопа - оптические аберрации

Ошибки линз в современной оптической микроскопии - досадная проблема, вызванная артефактами, возникающими в результате взаимодействия света со стеклянными линзами. Есть две основные причины неидеального действия линзы : Геометрические или сферические аберрации связаны со сферической природой линзы и приближениями, используемыми для получения уравнения линзы Гаусса; и Хроматические аберрации, которые возникают из-за изменений показателей преломления в широком диапазоне частот видимого света.

Как правило, эффекты оптических аберраций вызывают дефекты в характеристиках изображения, наблюдаемого через микроскоп. Хроматическая аберрация в конденсаторе подэтапа проиллюстрирована на Рисунке 1, где синяя окантовка на краю изображения полевой диафрагмы обусловлена ​​хроматической аберрацией. Впервые к этим артефактам обратились в восемнадцатом веке, когда физик Джон Доллонд обнаружил, что хроматические аберрации можно уменьшить или исправить, используя комбинацию двух разных типов стекла при производстве линз.Позже, в девятнадцатом веке, были разработаны ахроматические объективы с высокой числовой апертурой, хотя геометрические проблемы с линзами все еще существовали. Современные составы стекла и антибликовые покрытия в сочетании с передовыми технологиями шлифования и производства практически устранили большинство аберраций современных объективов микроскопов, хотя этим эффектам все же следует уделять пристальное внимание, особенно при проведении количественной видеомикроскопии с большим увеличением и микрофотографии.

Сферическая аберрация - Эти артефакты возникают, когда световые волны, проходящие через периферию линзы, не попадают в фокус со световыми волнами, проходящими через центр, как показано на рисунке 2. Волны, проходящие около центра линзы, лишь слегка преломляются, тогда как волны, проходящие вблизи периферии, в большей степени преломляются, что приводит к появлению различных фокальных точек вдоль оптической оси. Это один из самых серьезных артефактов разрешения, потому что изображение образца растянуто, а не в фокусе.

На рис. 2 в увеличенном масштабе показаны три гипотетических монохроматических световых луча, проходящих через выпуклую линзу. Лучше всего преломляются периферические лучи, затем лучи в середине, а затем лучи в центре. Большее преломление внешних лучей приводит к появлению фокальной точки (изображенной как фокальная точка 1), которая возникает перед фокальными точками, создаваемыми лучами, проходящими ближе к центру линзы (фокальные точки 2 и 3). Большая часть этого расхождения в точках фокусировки возникает из-за приближений эквивалентности значений синуса и тангенса соответствующих углов, сделанных для уравнения Гаусса для сферической преломляющей поверхности :

n / s + n '/ s '= (n'-n) / r

, где n и n' представляют показатель преломления воздуха и стекла, составляющего линзу, соответственно, s и s ' - объект и изображение расстояние, а r - радиус кривизны линзы. Это выражение определяет относительные местоположения изображений, сформированных изогнутой поверхностью линзы, имеющей радиус r , зажатой между средами с показателями преломления n и n '. Уточнение этого уравнения часто называют коррекцией более высокого порядка (первого, второго или третьего) путем включения членов в куб апертурного угла, что приводит к более точным расчетам.

Сферические аберрации очень важны с точки зрения разрешения объектива, поскольку они влияют на совпадение изображений точек вдоль оптической оси и ухудшают характеристики объектива, что серьезно влияет на резкость и ясность образца.Эти дефекты линзы можно уменьшить, ограничив воздействие света на внешние края линзы с помощью диафрагм, а также за счет использования асферических поверхностей линз внутри системы. Современные объективы микроскопов высочайшего качества устраняют сферические аберрации различными способами, включая специальные методы шлифования линз, улучшенные составы стекла и лучший контроль оптических путей.

Хроматические аберрации - Этот тип оптического дефекта является результатом того факта, что белый свет состоит из множества длин волн.Когда белый свет проходит через выпуклую линзу, составляющие длины волны преломляются в соответствии с их частотой. Синий свет преломляется в наибольшей степени, за ним следуют зеленый и красный свет, явление, обычно называемое дисперсией . Неспособность объектива объединить все цвета в общий фокус приводит к немного разному размеру изображения и фокусу для каждой преобладающей группы длин волн. Это приводит к появлению цветных полос вокруг изображения, как показано на Рисунке 3 ниже :

, где мы сильно преувеличили различия в преломляющих свойствах длин волн составляющих белого света.Это описывается как дисперсия показателей преломления компонентов белого света. Показатель преломления - это отношение скорости света в вакууме к его скорости в среде, такой как стекло. Для всех практических целей скорость света в воздухе практически идентична скорости света в вакууме. Как видно на рисунке 3, каждая длина волны формирует свою собственную независимую точку фокусировки на оптической оси линзы, эффект называется осевой или продольной хроматической аберрацией .Конечный результат этой ошибки объектива состоит в том, что изображение точки в белом свете окаймляется цветом. Например, если бы вы сфокусировались на «синей плоскости», точка изображения была бы окружена светом других цветов, с красным на внешней стороне кольца. Точно так же, если бы вы сфокусировали точку в «красной плоскости», точка изображения была бы окружена зеленым и синим цветом.

Хроматическая аберрация очень характерна для одинарных тонких линз, изготовленных по классической формуле производителя линз , которая связывает образец и расстояние до изображения для параксиальных лучей.Для одиночной тонкой линзы, изготовленной из материала с показателем преломления n и радиусами кривизны r (1) и r (2) , мы можем записать следующее уравнение :

1 / с + 1 / s '= (n-1) (1 / r (1) -1 / r (2))

где s и s' определяются как расстояние до объекта и изображения соответственно. В случае сферической линзы фокусное расстояние ( f ) определяется как расстояние изображения для параллельных падающих лучей :

1 / f = 1 / s + 1 / s '

Фокусное расстояние f зависит от длины волны света, как показано на рисунке 3.Это изменение можно частично исправить, если склеить две линзы с разными оптическими свойствами. Попытки коррекции линз были впервые предприняты во второй половине 18 века, когда Доллонд, Листер и другие разработали способы уменьшения продольной хроматической аберрации. Объединив стекло короны и бесцветное стекло (каждый тип имеет разную дисперсию показателя преломления), им удалось привести синие и красные лучи к общей фокусировке, близкой к зеленому, но не идентичной лучи.Эта комбинация называется линзой , дублетом , где каждая линза имеет свой показатель преломления и дисперсионные свойства. Дублеты линз также известны как ахроматические линзы или ахроматы для краткости, производные от греческих терминов «а», означающих без, и «цветность», что означает цвет. Эта простая форма коррекции позволяет теперь совпадать точкам изображения на 486 нанометрах в синей области и 656 нанометрах в красной области.Это наиболее широко используемые линзы, которые обычно встречаются в лабораторных микроскопах. Объективы, на которых нет специальной надписи об ином, скорее всего, являются ахроматами. Ахроматы являются удовлетворительными объектами для повседневного лабораторного использования, но, поскольку они корректируются не для всех цветов, бесцветная деталь образца, вероятно, покажет в белом свете бледно-зеленый цвет в лучшем фокусе (так называемый вторичный спектр ). Простой ахроматный объектив показан на рисунке 4 ниже.

Как видно на этом рисунке, правильное сочетание толщины линзы, кривизны, показателя преломления и дисперсии позволяет дублету уменьшить хроматическую аберрацию за счет совмещения двух групп длин волн в общей фокальной плоскости. Если плавиковый шпат вводится в состав стекла, используемого для изготовления линзы, то три цвета - красный, зеленый и синий - могут быть объединены в одну точку фокусировки, что приведет к незначительной хроматической аберрации. Эти линзы известны как апохроматические линзы , и используются для создания высококачественных объективов микроскопов без хроматических аберраций.Современные микроскопы используют эту концепцию, и сегодня часто встречаются триплеты оптических линз (рис. 5), состоящие из трех линз, скрепленных вместе, особенно в более высококачественных объективах. Для коррекции хроматической аберрации обычный объектив 10-кратного ахроматного микроскопа состоит из двух дуплетов линз, как показано на рисунке 5 слева. Апохроматический объектив, показанный справа на рисунке 5, содержит два дублета линз и тройку линз для расширенной коррекции как хроматических, так и сферических аберраций.

Знаменитый немецкий производитель линз Эрнст Аббе был первым, кто в конце 19 века преуспел в создании апохроматических объективов. Поскольку в то время Аббе по причинам дизайна не выполнил всю хроматическую коррекцию в самих объективах, он решил выполнить некоторую коррекцию через окуляр; отсюда и термин окуляры компенсирующие .

Помимо коррекции продольных (или осевых) хроматических аберраций, объективы микроскопов обнаруживают еще один хроматический дефект.Даже когда все три основных цвета переносятся в идентичные фокальные плоскости в осевом направлении (как во флюоритовом и апохроматном объективах), точечные изображения деталей вблизи периферии поля зрения не одинакового размера. Это происходит из-за того, что внеосевые потоки лучей рассеиваются, в результате чего составляющие длины волн формируют изображения на разной высоте в плоскости изображения. Например, синее изображение детали немного больше, чем зеленое изображение или красное изображение в белом свете, что приводит к цветовому искажению деталей образца во внешних областях поля зрения.Таким образом, зависимость осевого фокусного расстояния от длины волны дает также зависимость поперечного увеличения от длины волны. Этот дефект известен как боковая хроматическая аберрация или хроматическая разность увеличения . При освещении белым светом линза с боковой хроматической аберрацией будет создавать серию перекрывающихся изображений, различающихся как по размеру, так и по цвету.

В микроскопах с конечной длиной тубуса это компенсирующий окуляр с хроматической разностью увеличения, прямо противоположной той, что у объектива, который используется для коррекции боковой хроматической аберрации.Поскольку этот дефект также встречается в ахроматах с большим увеличением, компенсирующие окуляры также часто используются для таких объективов. Действительно, многие производители конструируют свои ахроматы со стандартной боковой хроматической ошибкой и используют компенсирующие окуляры для всех своих целей. На таких окулярах часто присутствует надпись K или C или Compens . В результате компенсирующие окуляры имеют встроенную боковую хроматическую ошибку и сами по себе не корректируются идеально.В 1976 году компания Nikon представила оптику CF, которая исправляет боковую хроматическую аберрацию без помощи окуляра. Новые микроскопы с коррекцией на бесконечность решают эту проблему, вводя фиксированную величину боковой хроматической аберрации в линзу трубки, используемую для формирования промежуточного изображения со светом, исходящим от объектива.

Интересно отметить, что человеческий глаз имеет значительную хроматическую аберрацию. К счастью, мы можем компенсировать этот артефакт, когда мозг обрабатывает изображения, но можно продемонстрировать аберрацию, используя маленькую фиолетовую точку на листе бумаги.Если поднести к глазу, фиолетовая точка в центре станет синей, окруженной красным ореолом. По мере того, как бумага перемещается дальше, точка становится красной в окружении синего ореола.

Хотя производители микроскопов затрачивают значительные ресурсы на создание объективов без сферической аберрации, пользователь может случайно внести этот артефакт в хорошо скорректированную оптическую систему. Используя неправильную среду для закрепления (например, живую ткань или клетки в водной среде) с масляным иммерсионным объективом или вводя аналогичные несоответствия показателя преломления, микроскописты часто могут создавать артефакты сферической аберрации в здоровом микроскопе.Кроме того, при использовании сухих объективов с большим увеличением и большой числовой апертурой правильная толщина покровного стекла (предлагаемая 0,17 мм) имеет решающее значение; поэтому на таких объективах установлена ​​корректирующая манжета , , , , чтобы можно было регулировать неправильную толщину покровного стекла, как показано на Рисунке 6 ниже. Объектив слева был настроен на толщину покровного стекла 0,20 мм путем сближения линз корректирующего кольца. Размещая элементы объектива далеко друг от друга на другом конце (объектив справа на рис. 6), объектив корректируется на толщину покровного стекла 0.13мм. Точно так же установка аксессуаров на световом пути объективов с конечной длиной трубки может привести к аберрации при перефокусировке образца, если только такие аксессуары не были должным образом сконструированы с дополнительной оптикой. Мы создали интерактивное руководство по Java , предназначенное для ознакомления наших читателей с кольцами объективной коррекции вариаций толщины покровного стекла.

Объективы различного качества различаются тем, насколько хорошо они передают различные цвета в общий фокус, и одинаковым размером по всему полю зрения.Между ахроматической и апохроматической коррекцией есть также объективы, известные как полуапохроматы или, что довольно сбивает с толку, как флюориты. Флюориты дешевле, но корректируются почти так же хорошо, как и апохроматы; в результате они обычно также хорошо подходят для микрофотографии в белом свете.

Другие геометрические аберрации - К ним относятся различные эффекты, в том числе астигматизм , кривизна поля и коматические аберрации, которые легко исправить с помощью надлежащего изготовления линз.Тема кривизны поля уже подробно обсуждалась в предыдущем разделе. Коматические аберрации похожи на сферические аберрации, но они встречаются только с объектами вне оси и становятся наиболее серьезными, когда микроскоп не выровнен. В этом случае изображение точки асимметрично, что приводит к форме, подобной комете (отсюда и термин «кома»). 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 форму кометы, которая характерна для коматической аберрации.

Четкая форма, отображаемая изображениями с коматической аберрацией, является результатом различий в преломлении световых лучей, проходящих через различные зоны линзы при увеличении угла падения.Тяжесть коматической аберрации зависит от формы тонкой линзы, которая в крайнем случае заставляет меридиональные лучи, проходящие через периферию линзы, попадать в плоскость изображения ближе к оси, чем лучи, проходящие ближе к оси и ближе к главной оси. луч (см. рисунок 7). В этом случае периферийные лучи дают наименьшее изображение, а знак аберрации комы считается отрицательным . Напротив, когда периферийные лучи фокусируются дальше по оси и создают гораздо большее изображение, 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.

Коматические аберрации обычно корректируются с помощью сферических аберраций или путем создания элементов линз различной формы для устранения этой ошибки. Объективы, которые предназначены для получения превосходных изображений для окуляров с широким полем зрения, должны быть скорректированы на кому и астигматизм с помощью специально разработанной многоэлементной оптики в тубусе, чтобы избежать этих артефактов на периферии поля зрения. .

Аберрации астигматизма похожи на аберрации коматики, однако эти артефакты не так чувствительны к размеру апертуры и сильнее зависят от наклонного угла светового луча. Аберрация проявляется в виде внеосевого изображения точки образца в виде линии или эллипса вместо точки. В зависимости от угла внеосевых лучей, попадающих в линзу, линейное изображение может быть ориентировано в одном из двух различных направлений (рис. 8), тангенциально (меридионально) или сагиттально (экваториально).Соотношение яркости единичного изображения будет уменьшаться, а четкость, детализация и контраст теряются по мере увеличения расстояния от центра.

Ошибки астигматизма обычно корректируются конструкцией объективов, чтобы обеспечить точное расстояние между отдельными элементами линз, а также соответствующие формы линз и показатели преломления. Коррекция астигматизма часто выполняется вместе с коррекцией аберраций кривизны поля .

Из нашего обсуждения оптических аберраций должно быть ясно, что существует ряд факторов, которые влияют на характеристики оптических элементов в микроскопе.Несмотря на то, что в последние годы в исправлении этих артефактов был достигнут огромный прогресс, разработчикам все еще очень сложно полностью удалить или подавить все сложные оптические проблемы, связанные с микроскопией.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц - Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.

Майкл У. Дэвидсон - Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 Ист Пол Дирак Доктор ., Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.

Оптические аберрации | Olympus LS

Обзор раздела:

Идеальный объектив микроскопа дает симметричное ограниченное дифракцией изображение узора Эйри с бесконечно малой точки объекта. Плоскость изображения обычно располагается на фиксированном расстоянии от передней линзы объектива в среде с определенным показателем преломления. Объективы для микроскопов, предлагаемые ведущими производителями, имеют чрезвычайно низкую степень аберраций и других недостатков, при условии, что соответствующий объектив выбран для задачи и объектив используется надлежащим образом в соответствии с рекомендациями производителя.Следует подчеркнуть, что линзы объектива не идеальны со всех точек зрения, а предназначены для удовлетворения определенных спецификаций в зависимости от их предполагаемого использования, ограничений по физическим размерам и ценового диапазона.

Объективы производятся с разной степенью оптической коррекции как монохроматических (сферические, астигматизм, кома, искажения), так и полихроматических аберраций, размера и плоскостности поля, длины волны пропускания, отсутствия флуоресценции, двулучепреломления и других факторов, влияющих на фоновый шум.В зависимости от степени коррекции объективы обычно классифицируются как ахроматы , флюоритов и апохроматы , с обозначением plan , добавляемым к линзам с низкой кривизной поля и искажениями. В этом разделе рассматриваются некоторые из наиболее распространенных оптических аберраций, которые обычно обнаруживаются (и часто корректируются) в объективах микроскопов.

Обзорные статьи

  • Обзор оптических аберраций

    Отклонения в действии линз от идеальных условий для оптики известны как аберрации.Оптические поезда обычно страдают от пяти общих аберраций: сферической, хроматической, кривизны поля, коматической и астигматической.

  • Кривизна поля

    Кривизна поля в оптической микроскопии - это аберрация, знакомая большинству опытных микроскопистов. Этот артефакт - естественный результат использования линз с изогнутыми поверхностями.

  • Сферическая аберрация от изменений толщины покровного стекла

    Для объективов микроскопа с апертурой оптические свойства и толщина среды, расположенной между передней линзой и образцом, влияют на вычисления, необходимые для коррекции аберраций изображения.

Интерактивные учебные пособия

  • Астигматизм

    Изучите взаимосвязь между астигматизмом и коматическими аберрациями и как аберрации астигматизма проявляются внеосевым изображением точки образца, представляющей собой линию или эллипс, а не точку.

  • Хроматическая аберрация

    Узнайте больше о хроматических аберрациях и о том, как, когда белый свет проходит через простую или сложную систему линз, составляющие длины волн преломляются в соответствии с их частотой.

  • Коматические аберрации

    Узнайте о коматических аберрациях и о том, как они в основном встречаются при внеосевых световых потоках и являются наиболее серьезными, когда микроскоп не выровнен, а также в результате возникновения этих аберраций.

  • Кривизна поля

    Кривизна поля в оптической микроскопии и объяснение того, как это распространенная и раздражающая аберрация, знакомая большинству опытных микроскопистов, объясняется в этом интерактивном руководстве.

  • Геометрическое искажение

    Изучите два наиболее распространенных типа искажения, положительное и отрицательное, и то, как они часто могут присутствовать в очень резких изображениях, которые в противном случае корректируются на сферические, хроматические, коматические и астигматические аберрации.

  • Сферическая аберрация

    Узнайте о самом серьезном из монохроматических дефектов , который возникает с объективами микроскопа, о сферической аберрации, из-за которой изображение образца выглядит нечетким или размытым и слегка не в фокусе.

  • Глубина фокуса и сферическая аберрация

    Откройте для себя меридиональный разрез точечного источника света без аберраций, расположенный на глубине в слое образца, имеющий показатель преломления и отображаемый с помощью виртуального объектива микроскопа.

  • Коррекция толщины покровного стекла

    В этом учебном пособии показана демонстрация того, как внутренние элементы линзы в сухом объективе с высокой числовой апертурой могут быть правильно отрегулированы с помощью этих различных толщин покровного стекла и флуктуаций дисперсии.

Избранные ссылки на литературу

Избранные ссылки на литературу

Аберрации делятся на две основные категории: ошибки, которые возникают, когда полихроматический свет (белый свет) проходит через линзу, и ошибки, которые возникают, когда только одна длина волны ( монохроматических ) света. Избранные ссылки, перечисленные в этом разделе, содержат информацию о причинах и способах устранения наиболее распространенных оптических аберраций, встречающихся в микроскопах и других системах линз.Имейте в виду, что разработчик оптики должен корректировать и полихроматические, и монохроматические аберрации одновременно при производстве хорошо скорректированных объективов микроскопа.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц - Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Melville, New York, 11747.

H. Ernst Keller - Carl Zeiss Inc., One Zeiss Dr. , NY, 10594.

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

Брайан О. Флинн , Джон К. Лонг , Мэтью Парри-Хилл и Майкл У. Дэвидсон - Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 Ист. Доктор Пол Дирак, Университет штата Флорида, Таллахасси , Florida, 32310.

Оптическая аберрация, предотвращение оптической аберрации в линзах

Что такое оптическая аберрация?

Аберрация: нежелательное отклонение от нормального, обычного или ожидаемого. Большинство изображений несовершенные.Программное обеспечение для обработки изображений способно обнаруживать даже малейшие искажения в изображении, которое кажется идеальным для человеческого глаза. Это искажение является результатом оптических аберраций, то есть неспособности объектива воспроизводить идеальные математические характеристики. Разработчики линз компенсируют оптические аберрации специальными оптическими покрытиями и дополнительными элементами линз, которые увеличивают стоимость, размер и вес конечного продукта. Выбор лучшего объектива для применения означает понимание и учет проблем, связанных с оптическими аберрациями.

Системы визуализации работают путем фокусировки света, который проходит через линзу (или несколько линз) и попадает на датчик или экран. Оптические линзы двунаправлены, поэтому это относится как к системам проекторов, так и к камерам и другим системам обработки изображений.

Оптическая система

В плохо спроектированных оптических системах обычно видны искажения или плохой фокус в некоторых или всех областях изображения. Это известно как оптическая аберрация. Эти оптические аберрации принимают разные формы. Исправление лучше всего решать в процессе проектирования, когда выбираются оптические компоненты.Хотя в некоторых случаях возможно исправить искажение или фокус постфактум.

В этой статье мы обсуждаем причины оптических аберраций, наиболее распространенные типы, и предлагаем несколько способов их избежать.

Причины оптических искажений

Преломление возникает, когда свет проходит между двумя средами разной плотности, что приводит к изменению направления света. Свет, проходящий через оптическую линзу, встречает две границы раздела - в точке входа и когда выходит из линзы.Толщина линзы и кривизна каждой стороны определяют степень изменения направления света.

Разработчики линз используют это поведение, чтобы сфокусировать свет в фокусной точке и создать зеркальное изображение на датчике. В качестве альтернативы линза может собирать свет, распространяющийся из точки фокусировки, и рассеивать его по широкой области. Первая настройка присуща камерам, вторая - проекторам.

Однако линзы работают не так, как предсказывают математические или теоретические модели.Кроме того, длина волны является фактором преломления. И хотя линзы пропускают круг света, большинство сенсоров и экранов имеют альбомный формат. В результате оптические аберрации более выражены на левом и правом краях изображений, поскольку они находятся дальше всего от оптической центральной линии. Дизайнеры компенсируют эти аберрации, добавляя дополнительные элементы или оптические покрытия. Однако это делает систему больше, тяжелее и дороже. Таким образом, каждый объектив - это компромисс между размером, весом, стоимостью и качеством получаемого изображения.

Хроматическая и монохроматическая аберрации

Свет одной длины волны является одноцветным или «монохроматическим». Белый свет состоит из всех длин волн и называется «хроматическим». Поскольку рефракция пропорциональна длине волны, белый свет, проходящий через линзу, подвержен хроматической аберрации. Этот конкретный тип аберрации возникает только при свете диапазона длин волн.

Желаемая форма хроматической аберрации возникает, когда призма разделяет белый свет на радугу.В системе камеры или проектора результат менее привлекателен. Здесь хроматическая аберрация проявляется как изображения одного и того же объекта, но с разным увеличением. Края показывают степень размытия с цветами, охватывающими радугу, синим по направлению к центру и красным по краям.

Степень изменения направления света на границе раздела сред с разной оптической плотностью зависит от длины волны. Синий свет (длина волны 470 нм) отклоняется больше, чем красный свет (длина волны 660 нм). Оптическая линза, предназначенная для использования с системой освещения белым светом, должна учитывать это, иначе изображение будет демонстрировать хроматическую аберрацию.

Оптическая аберрация - Хроматическая

Хроматическая аберрация проявляется как изображения одного и того же объекта, но при разном увеличении. Края показывают степень размытия с цветами, охватывающими радугу, синим по направлению к центру и красным по краям.

По возможности, лучший способ избежать этой проблемы - использовать монохроматический свет. Хроматические и монохроматические системы все еще могут страдать от других типов аберраций, но монохроматический свет устраняет этот тип искажения.

В качестве альтернативы нанесение оптических покрытий на поверхности линз может уменьшить величину эффекта.

Типы оптических аберраций

  • Искажение
  • Сферическое
  • Кома
  • Астигматизм
  • Кривизна поля
Типы оптических аберраций

Сферический

Этот очень распространенный тип оптической аберрации похож на кривизну поля, характеризующуюся тем, что линза не может одновременно сфокусировать внешние края и центр изображения.Хотя асферические линзы или пластина компенсации сферической аберрации могут улучшить оптические характеристики, самым простым решением является расфокусировка.

Оптическая аберрация: сферическая

Кома

Кома - это место, где одна точка света появляется как несколько перекрывающихся точек на изображении, каждая из которых все больше не в фокусе. В результате получается кометоподобный след. Кома обычно меняется в зависимости от линзы, исчезает к центру и более выражена на периферии. Кома может быть устранена добавлением дополнительных корректирующих линз, но, как и в случае астигматизма, лучшим решением является линза лучшего качества.

Оптическая аберрация - кома

Астигматизм

Астигматизм, который часто называют проблемой глаз, возникает из-за непостоянной кривизны линзы. Эта несогласованность перемещает точку фокусировки ближе или дальше от объектива, в зависимости от направления, в котором свет попадает в объектив. В существующей системе единственное решение - найти промежуточную точку фокусировки между двумя точками. Лучшее решение - использовать объектив более высокого качества.

Оптическая аберрация - астигматизм

Искажение

Здесь линза изменяет положение внешних краев изображения относительно центра.Это может быть как подушечка, так и бочкообразное искажение. Подушечка для иголок - это место, где стороны изображения защемлены внутрь, поэтому при взгляде сверху оно принимает форму подушки для иголок.

Оптическая аберрация - подушечка-подушечка (Википедия )

Ствол - это противоположность, где стороны вытянуты вдоль вертикальной, горизонтальной и вертикальной осей, поэтому изображение имеет форму ствола. Бочкообразное искажение является обычным явлением для широкоугольных объективов, когда свет преломляется под большим углом. Это демонстрируется в линзах типа «рыбий глаз», а также в полусферическом зеркале.Решение - использовать объектив с большим фокусным расстоянием. Подушечка-подушечка - противоположность, возникающая на длинных фокусных расстояниях.

Оптическая аберрация - ствол ( Википедия )

Кривизна поля

При проецировании света от объектива на плоский экран или датчик края находятся дальше от объектива, чем центр. Если не решить эту проблему во время проектирования, это приводит к тому, что изображение оказывается не в фокусе по краям. В кинотеатрах это достигается за счет изгиба экрана.В небольших системах ответ заключается в том, чтобы сфокусироваться в точке между оптическим центром и краями изображения, в результате чего все изображение немного не в фокусе. Покупка линзы, предназначенной для предотвращения этого типа оптической аберрации, является вариантом, но системы, в которых реализуются такие линзы, обычно бывают более дорогими.

Возможности оптики Dynasil

В компании Dynasil наши инженеры объединяют глубокие технические знания и многолетний практический опыт, чтобы помочь вам в разработке, производстве, покрытии и сборке оптики и оптических систем, которые гарантированно удовлетворят требованиям ваших высокопроизводительных приложений.Семь предприятий в Массачусетсе, Нью-Йорке, Нью-Джерси и Маргите (Великобритания), которые в совокупности предоставляют почти 150 000 кв. Футов производственных площадей, предназначенных для помощи нашим клиентам в достижении успеха - от разработки прототипов до крупносерийного коммерческого производства.

Наши 250 сотрудников включают исследователей, ученых, инженеров-конструкторов и инженеров-технологов, которые выводят на рынок инновационные технологии и решения фотоники благодаря тесному сотрудничеству с клиентами.

  • 500000+ прецизионных копий оптики, производимой каждый год
  • ISO 5 (класс 100) Место для сборки
  • 26 камер для вакуумного покрытия
  • 40 млн кв.дюйм покрытия
  • Метрологические и экологические испытания на собственном предприятии со встроенным резервированием
  • ISO 9001: 2015, ISO 14001: 2015, ISO 45001: 2018 и ITAR

RP Photonics Encyclopedia - оптические аберрации, хроматические, сферические , астигматизм, кома, кривизна поля, искажение изображения, полиномы Цернике, компенсация, качество изображения

Энциклопедия> буква O> оптические аберрации

Определение: ухудшение оптических изображений, вызванное приборами для визуализации

Более конкретные термины: расфокусировка, астигматизм, кома, сферические аберрации, хроматические аберрации

немецкий: optische Aberrationen

Категории: общая оптика, зрение, дисплеи и изображения

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

Многие оптические инструменты, такие как фотоаппараты, телескопы и микроскопы, используют те или иные оптические изображения. В идеале полученные оптические изображения должны иметь следующие свойства, как они получены с помощью гауссовой оптики:

  • Существует точное соответствие между точками объекта и точками изображения, где каждая точка объекта отображается в одной точке. Другими словами, получаются идеально четкие изображения.
  • По крайней мере, для точек объекта в одной плоскости изображения не будут иметь геометрических искажений.Например, квадратная область всегда будет отображаться в квадратной области с точно прямыми границами.
  • Не будет зависимости свойств изображения от длины волны (цвета).

Такая идеальная производительность на практике никогда не может быть достигнута по разным причинам:

  • Дифракция света устанавливает предел возможного разрешения изображения. Например, бесконечно малая точка на объекте всегда отображается в области конечного размера (описываемой функцией рассеяния точки).
  • Различные свойства системы формирования изображения вызывают различные виды оптических аберраций - дефекты изображения, которые можно проанализировать с помощью геометрической оптики (лучевой оптики). Это может произойти, даже если оптические части полностью соответствуют спецификациям, например с идеально сферическими поверхностями.
  • Могут быть дефекты оптических элементов, которые еще больше увеличивают аберрации. Например, асферическая линза на основе дешевой пластиковой оптики может иметь несовершенную форму.

Важной частью конструкции оптических инструментов является минимизация аберраций.Это особенно верно для систем визуализации, тогда как системы освещения часто не критичны в этом отношении.

Аберрации также часто влияют на достижимое качество луча лазеров. Например, тепловые линзы в лазерных кристаллах часто демонстрируют значительные аберрации.

Параксиальное приближение позволяет определить аберрации.

Как упоминалось выше, оптические аберрации обычно анализируются на основе чисто лучевой оптики (без учета волновых аспектов). В качестве справки обычно используются пути луча, положения фокуса и т. Д.на основе параксиального приближения; аберрации рассматриваются как отклонения от них, в то время как отклонения фактического физического поведения из-за волновых аспектов света (например, дифракции) , а не , считаются аберрациями. Последние также часто слабее аберраций в объясненном смысле.

Теория оптических аберраций довольно сложна и включает в себя множество нетривиальных геометрических соображений и значительный объем математики. К сожалению, различные аспекты, в том числе даже весьма фундаментальные, часто вводятся в заблуждение или даже противоречат друг другу.Например, непоследовательно определять аберрации только через не идеально четкие изображения (по каким-либо физическим причинам и игнорируя геометрические искажения) и в то же время как отклонения от поведения, основанного на параксиальной оптике. Для всестороннего понимания требуются подробные исследования. Эта статья дает лишь очень краткий обзор; некоторые подробности содержатся в цитируемых здесь более конкретных статьях.

Типы оптических аберраций

Ниже описаны типичные виды аберраций.

Расфокусировка

Если система формирования изображения не сфокусирована на фактическом расстоянии отображаемых объектов, изображение становится размытым. Эта проблема не обязательно рассматривается как несовершенство оптической системы, которую необходимо решать с помощью оптимизации конструкции, поскольку можно просто соответствующим образом скорректировать настройку фокуса. Однако это работает только до тех пор, пока все отображаемые объекты находятся в пределах определенного диапазона расстояний, для которого могут быть получены достаточно четкие изображения: системы визуализации обычно имеют ограниченную глубину резкости .Кроме того, идеальная фокусировка по всей области изображения может оказаться невозможной из-за кривизны поля (см. Ниже).

Хроматические аберрации

Оптика формирования изображений обычно должна работать с широким диапазоном длин волн!

Из-за хроматической дисперсии (вызванной зависящим от длины волны рефракцией) линза обычно имеет фокусное расстояние, которое немного зависит от длины оптической волны. Очевидно, это явление может вызвать существенное ухудшение качества изображения, называемое хроматическими аберрациями , поскольку видимый диапазон длин волн составляет почти одну октаву (примерно от 400 до 700 нм).Однако есть определенные способы получения ахроматической оптики, по сути, путем правильного комбинирования разных линз, изготовленных из разных оптических материалов. Другая возможность - работать с отражающей оптикой, которая, как правило, не содержит хроматических аберраций.

Подробнее см. В статье о хроматических аберрациях.

В следующих разделах объясняются типы аберраций, которые возникают даже при монохроматическом свете. Это пять типов первичных аберраций , идентифицированных Филиппом Людвигом Зайделем в 19, 90, 148, веке.

Сферические аберрации

Большинство оптических линз имеют сферическую поверхность, поскольку их легче всего изготовить. Однако такая форма поверхности не идеальна для визуализации; тогда внешние части линзы слишком сильно изогнуты. Это приводит к так называемым сферическим аберрациям , которые могут серьезно ухудшить качество изображения.

Асферическая оптика позволяет реализовать высокоэффективные объективы с меньшим количеством компонентов.

Эту проблему можно решить либо с помощью асферических линз, либо с помощью комбинации линз, сконструированных таким образом, что сферические аберрации хорошо компенсируются.Развитие улучшенных методов изготовления асферической оптики привело к их более широкому использованию, что позволяет производителям изготавливать высокопроизводительные объективы с меньшим количеством линз, что также может привести к увеличению светопропускания.

Обратите внимание, что сферические аберрации также часто рассматриваются в более общем смысле как неидеальные изменения фазы для больших радиальных положений. Такие ошибки также могут быть вызваны простыми оптическими пластинами и, например, тепловым линзированием в лазерных кристаллах.

Подробнее см. В статье о сферических аберрациях.

Астигматизм

Проблема астигматизма часто наблюдается, когда свет распространяется под значительным углом к ​​оптической оси. Например, когда световые лучи попадают в линзу или изогнутое зеркало под значительным углом, расстояние от линзы до фокальной точки несколько отличается в вертикальном и горизонтальном направлениях, или, точнее, в меридиональной и сагиттальной плоскости. Таким образом, в фокальной плоскости, соответствующей каждому из этих направлений, отображается точка в эллиптической области.

Астигматизм линзы зависит от конструкции линзы, но не может быть полностью скорректирован для одной линзы. Кроме того, он не исчезает просто при использовании узкой диафрагмы, предотвращающей прохождение света через внешнюю область линзы. Тем не менее, анастигматические оптические системы (то есть системы, не проявляющие астигматизма) могут быть разработаны с подходящей комбинацией линз.

Подробнее см. Статью об астигматизме.

Кома

Явление комы возникает, когда свет находится под значительным углом к ​​оптической оси и, кроме того, распространяется по внешним областям линзы.Затем объектная точка отображается в области более или менее сложной формы, часто несколько напоминающей форму кометы.

Кома может быть уменьшена с помощью диафрагмы (за счет потери яркости изображения) или с помощью более сложных методов дизайна.

Например, астигматизм и кому можно наблюдать, наблюдая за маленькой точкой на листе бумаги через увеличительное стекло, которое существенно наклонено против направления взгляда. Это более заметно для очков с большим увеличением.

Кривизна поля

Кривизна поля означает проблему, заключающуюся в том, что точки фокусировки линзы, полученные с разными углами падения, лежат не на плоскости, а на изогнутой поверхности, особенно для широко открытых диафрагм. Например, при использовании датчика плоского изображения это может сделать невозможным настройку оптики для получения резкого изображения по всей плоскости изображения. Поэтому нужно либо попытаться минимизировать кривизну поля, либо, в некоторых случаях, использовать датчик изображения с соответствующим изгибом.

Проблема кривизны поля была проанализирована, в частности, Джозефом Петцвалем, поэтому ее часто называют кривизной поля Петцваля . Это особенно актуально, например, для измерительных микроскопов.

Искажение изображения

Имеются геометрические искажения изображения, из-за которых прямые линии объекта выглядят как непрямые кривые на изображении. Часто встречающиеся проблемы - деформации ствола и деформации валика .Такие проблемы особенно характерны для широкоугольных объективов.

Полиномы Цернике

Обычный метод для характеристики любого вида монохроматических аберраций (то есть всего, кроме хроматических аберраций) основан на наборе взаимно ортогональных функций, разработанных Фрицем Зернике. Эти функции зависят от полярных координат ρ и φ. Радиальная часть описана полиномами Цернике, а азимутальный фактор равен cos или sin .Один разлагает искажения волнового фронта в зависимости от положения в двух измерениях, и полученные коэффициенты этих функций количественно определяют соответствующие типы аберраций.

Минимизация аберраций

Все виды аберраций изображения могут быть сведены к минимуму с помощью определенных методов проектирования объективов и рабочих целей в пределах разумных областей параметров, например относительно расстояния до объекта. Некоторые аберрации можно компенсировать локально; например, можно использовать дублеты ахроматических линз вместо одиночных линз.Другие виды аберраций необходимо компенсировать другими способами, когда аберрации от разных элементов в оптической системе (возможно, с большим расстоянием между ними) приблизительно компенсируют друг друга. Часто для разных компонентов необходимо использовать разные оптические стекла (или пластмассы).

Оптимизация конструкции с точки зрения оптических аберраций может быть довольно сложной задачей!

Точная компенсация различных аберраций одновременно может быть довольно сложной задачей. Обратите внимание, что любое изменение конструкции может изменить все виды аберраций, так что, как правило, невозможно решить разные проблемы одну за другой.Часто можно пойти на некоторые компромиссы, основанные на приоритетах определенных приложений для обработки изображений. Например, минимизация искажений изображения особенно важна для измерительного микроскопа, где светопропускная способность и хроматические аберрации могут быть меньшими проблемами, поскольку можно использовать освещение ярким узкополосным светом.

Для проектирования оптических систем обычно используется программное обеспечение для оптического проектирования, которое может рассчитывать все соответствующие виды аберраций изображения и предлагает инструменты для их численного минимизации с помощью корректировок конструкции.Тем не менее, полное понимание многих аспектов аберраций является жизненно важным, поскольку в противном случае невозможно будет правильно интерпретировать расчетные результаты или выбрать основную архитектуру дизайна, которая имеет шанс достичь требуемых характеристик.

Компенсация эффектов аберраций

Некоторые аберрации в цифровых изображениях можно в значительной степени компенсировать с помощью числового программного обеспечения. Некоторые примеры:

Программное обеспечение можно использовать для значительного уменьшения различных видов аберраций.
  • Существуют различные алгоритмы повышения резкости изображения, которые могут работать достаточно хорошо, по крайней мере, если на изображении не слишком много шума.
  • Геометрические искажения изображения можно хорошо исправить, но можно потерять некоторые внешние области изображения.
  • Программное обеспечение может обнаруживать и корректировать цветовые эффекты на границах, которые вызваны хроматическими аберрациями.
  • Проблемы с кривизной поля могут быть уменьшены путем объединения данных по экспозициям с немного разными настройками фокусировки.

Такие методы часто используются в цифровых фотоаппаратах для улучшения качества изображения и, возможно, для создания устройств, которые обеспечивают удовлетворительное качество изображения с более дешевыми объектами.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев.По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала рассматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. Также: сферические аберрации, хроматические аберрации, визуализация, визуализация с помощью объектива, фотографические объективы, геометрическая оптика, параксиальная аппроксимация
и другие статьи в категориях общая оптика, зрение, дисплеи и визуализация

Если вам нравится эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, например через соцсети:

Эти кнопки общего доступа реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например,г. ваш веб-сайт, социальные сети, дискуссионный форум, Википедия), вы можете получить здесь необходимый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
Статья об оптических аберрациях

в
RP Photonics Encyclopedia

С изображением предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
alt =" article ">

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/optical_aberrations.html 
, статья «Оптические аберрации» в энциклопедии RP Photonics]
.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *