Оптические схемы объективов: Новый объектив Sigma 24-70mm f/2.8 DG DN Art — «лучший в классе»
Новый объектив Sigma 24-70mm f/2.8 DG DN Art — «лучший в классе»
Компания Sigma представила свой новый зум объектив Sigma 24-70mm f/2.8 DG DN Art для камер с байонетом Sony E и Leica L.
Производитель утверждает, что новинка является лучшим объективом в своем классе:
«Серия флагманских зум-объективов f/2.8 Art разработана главным образом для достижения превосходных оптических характеристик. В оптической схеме используется шесть FLD линз с низкой дисперсией и две SLD-линзы («специальная низкая дисперсия»). Новая оптическая схема разработана специально для беззеркальных камер. Благодаря трем асферическим элементам в этом зум-объективе тщательно исправлены продольная хроматическая аберрация и сагиттальная кома, которые трудно исправить при пост-обработке, высокое разрешение и однородность изображения, превосходные оптические характеристики по всей площади кадра и на всем диапазоне фокусных расстояний. В дополнение к просветлению Super Multi-Layer Coating в объективе используется покрытие Nano Porous Coating.
Характеристики Sigma 24-70mm f/2.8 DG DN Art
- Байонет: Sony E, Leica L/L-Mount
- Оптическая схема: 19 элементов в 15 группах
- Угол обзора: 84.1°—34.3°
- Диафрагма: f/2.8-f/22, 11 скругленных лепестков
- МДФ: 0.18 м
- Максимальное увеличение: 0.34x
- Фильтры: 82 мм
- Габариты: 87.8 x 122.9 мм
- Вес: 835 г
Примеры фотографий, сделанных с помощью объектива Sigma 24-70mm f/2.8 DG DN Art можно посмотреть в галерее.
На данный момент цена на объектив Sigma 24-70mm f/2.8 DG DN Art не объявлена. Предзаказ пока еще недоступен, но ожидается в ближайшее время на сайте B&H.
* * *
15 ноября 2019 года открылся предзаказ на объектив Sigma 24-70mm f/2.8 DG DN Art по цене $1099.
Оптика: очки и контактные линзы
Фотографическим объективом называется оптическая система, образуящая действительное изображение, фиксируемое каким-либо светочувствительным слоем.
Развитие фотохимии обусловило появление оптических систем, предназначенных для фотографических съемок в различных лучах спектра. Широкое внедрение методов фотографии в различные отрасли науки и техники потребовало создания различных оптических систем для этой цели.
Оптическая схема фотографического объектива показана на рис. 99.
В большинстве случаев изображение должно образовываться на плоскости, так как фотографические пластинки или пленки имеют плоскую форму. Но иногда объектив образует изображение на шаровой поверхности, цилиндрической или криволинейной. В этих случаях светочувствительному слою необходимо придавать такую же форму.
Фотографические объективы обычно имеют плоское поле изображения, большую светосилу и большое поле зрения. Простая оптическая система в виде двухлинзового объектива не может образовать такое изображение достаточно высокого качества. Поэтому фотографические объективы состоят из нескольких линз. Наиболее часто встречаются четырех- и шестилинзовые объективы.
Основными оптическими характеристиками фотографического объектива являются: 1) фокусное расстояние, f’, 2) относительное отверстие, 1 : n, 3) поле зрения, 2 w.
Если объектив предназначается для фотографирования близко расположенных предметов, то к числу его основных характеристик также относится линейное увеличение (или масштаб съемки) р. Дополнительными характеристиками объектива являются: 1) разрешающая способность, 2) интегральный коэффициент пропускания света, 3) коэффициент светорассеяния, 4) контраст изображения, 5) распределение освещенности по полю изображения, 6) спектральная характеристика пропускания света, 7) состояние аберрационной коррекции (ахроматизация, ортоскопичность) и др.
В зависимости от условий эксплуатации все фотографические объективы можно разбить на группы: 1) объективы для художественной фотографии, 2) аэрофотосъемочные, 3) киносъемочные, 4) инфракрасные, 5) ультрафиолетовые, 6) рентгеновские, 7) микрофотографические; 8) репродукционные , 9) регистрационные, 10) телевизионные, 11) гидросъемочные, 12) астрофотографические и др.
Фотографические объективы по принципу устройства разделяются на: 1) нормальные, 2) телеобъективы, 3) обратные телеобъективы, 4) залинзовые, 5) панкратические, 6) зеркальные,
7) зеркально-линзовые, 8) дисторзирующие, 9) концентрические.
Фокусное расстояние и линейное увеличение определяют масштаб изображения. Масштаб находится из отношения фокусного расстояния к расстоянию от объектива до снимаемых предметов. Например, если объектив имеет фокусное расстояние 1 м, а съемка производится с расстояния 10 км, то масштаб изображения 1:10000. При съемках близко расположенных предметов масштаб изображения определяется линейным увеличением.
На практике можно встретить объективы с фокусными расстояниями от нескольких миллиметров до 1800 мм, причем для специальных целей применяют объективы и до f’=8000 мм.
Относительное отверстие объектива характеризует светосилу. В зависимости от величины относительного отверстия объективы разделяются на: 1) ультрасветосильные от 1: 1,1 и более (например, 1: 0,9 и т.
д.), 2) светосильные, от 1 : 1,1 до 1 : 3,5, 3) нормальные от 1 : 3,5 до 1 : 6,3 и 4) малосветосильные, менее 1 : 6,3 (например, 1 : 6,8; 1 : 15 и т. п.).
Светосила объектива снижается потерями света. Относительное отверстие объектива, определенное с учетом коэффициента пропускания света, называется эффективным и обозначается n э
Относительные отверстия объективов встречаются от 1 :0,5 до 1 :15. Наиболее часто встречаются объективы с относительными отверстиями 1 : 2—1 : 6,3.
Величина поля зрения определяет формат изображения. По величине угла поля зрения объективы разделяются на: 1) узкоугольные, с полем зрения не более 2w=40°, 2) нормальные, с полем зрения от 2w=40° до 2w = 65°, 3) широкоугольные, с полем зрения от 2w=65° до 2w=104°, 4) сверхширокоугольные, с полем зрения свыше 2w=104°. Величина поля зрения объективов колеблется от 2w=2° до 2w=210°.
Разрешающая способность объективов является основным параметром, характеризующим качество изображения.
Ее оценивают в линиях (штрихах) на миллиметр. Очевидно, что разрешаемое расстояние в фокальной плоскости равно произведению фокусного расстояния объектива на тангенс разрешаемого угла, определяемого уравнением (40,1):
δ’ = f’tgψ. (56,1)
Учитывая малые значения углов, заменим тангенс на синус, затем, применив формулу (40,1), перейдем к числу линий на миллиметр*
Учитывая выражение (28,4) и принимая λ=0,00056 мм, получим
т. е. разрешающая способность фотографического объектива зависит от относительного отверстия.
Разрешающая способность, определяемая уравнением (56,3), имеет место при визуальном наблюдении изображения, образованного фотографическим объективом. Обычно фотографическое изображение является результатом воздействия оптического изображения на светочувствительный слой, разрешающая способность которого R влияет на разрешающую способность системы: объектив + слой. Тогда ожидаемая разрешающая способность при испытании объективов с помощью мир абсолютного контраста определится формулой
Опыт показывает, что фотографические объективы не достигают и этого предела.
Характерным недостатком всех объективов является падение разрешающей способности от центра к краю. На рис. 100 показаны характеристические кривые разрешающей способности некоторых фотографических объективов. Наивысшую разрешающую способность: 45-75 штрихов на миллиметр в центре поля, и около 40 штрихов на краю поля имеют киносъемочные объективы. Объективы же для бытовых целей (любительские) обычно имеют разрешающую способность в центре поля 25-40 штрихов на миллиметр и 10-15 на краю поля.
Хорошим объективом считается тот, который имеет для края поля разрешающую способность не менее 16 штрихов на миллиметр, а в центре не менее 35 (съемка на панхроматических эмульсиях со светофильтром). Разрешающая способность в центре поля определяется сферохроматической аберрацией.
В таблицах VI и VII в приложении приводятся основные оптические характеристики некоторых фотографических и аэрофогографических объективов. В таблице VIII представлены характеристики киносъемочных объективов.
Коэффициент пропускания света приобретает важное значение в связи со сложностью объективов. Большие потери света на отражение и поглощение значительно понижают физическую светосилу, объектива. Просветление оптики повышает коэффициент светопропускания. Например, объектив «Индустар-4», f’=210 мм, до просветления пропускал 72,5% падающего света, а после просветления 84% .
Коэффициент светорассеяния определяет действие паразитного рассеянного света, не принимающего непосредственного участия в организации оптического изображения, но снижающего контраст изображения. Коэффициентом светорассеяния называется отношение освещенности образуемого объективом изображения черного предмета, расположенного на равномерно ярком фоне, к освещенности изображения фона. В фотографических объективах этог коэффициент достигает значений от 0,6% до 5% и возрастает с уменьшением относительного отверстия объектива и с увеличением угла поля зрения.
Контраст изображения определяют в зависимости от частоты штрихов испытательной миры.
Эта зависимость называется частотно-контрастной характеристикой. Она определяется коэффициентом передачи контраста С для определенной частоты штрихов миры
где К — контраст изображения или предмета, определенный по формуле
Распределение освещенности по полю изображения зависит от угла поля зрения и виньетирования
Оптическая плотность фотографического изображения от центра к краю часто падает в 10—20 раз. Кроме действия фактора косинуса угла четвертой степени здесь имеет значение и само геометрическое виньетирование. Для нормальных, по углу зрения, объективов стремятся, чтобы светопропускание наклонных пучков для края поля не было менее 50% осевого пучка, т. е. K
Знание величин аберраций объектива позволяет предопределить качество изображения и на основании характеристических кривых аберраций сделать выбор объектива для решения определенных задач.
Обычно большое поле зрения и большая светосила создают большие трудности в исправлении аберрации и остаточные аберрации достигают значительной величины. Поэтому аберрации объектива резко снижают теоретическую разрешающую способность. Спектральный состав используемого света определяет вид ахрочатизации объектива, а условия использования изображения — ортоскопичность.
Обычно рассматривают 1) вторичныи спектр, 2) сферические аберрации различных лучей спектра, 3) астигматизм, 4) аберрации наклонных лучей различных лучей спектра, 5) дисторсию.
Характеристические кривые аберраций полиграфического репродукционного объектива «Полигмар», f’=600 мм, показаны на рис. 101.
Особое значение имеет дисторсия для объективов, предназначенных для измерительных целей. Таковыми, например, являются аэрофотосъемочные картографические объективы Дня этих объек тивов дисторсия не должна превосходить 0,01—0,05 мм.
Тип объектива определяется формой линз, их числом и взаимным расположением друг по отношению к другу.
Различные типы фотографических объективов показаны на рис. 102.
Четырехлинзовые объективы типа «Тессар» (рис. 102) широко применяются в Советском Союзе и известны под названием «Индустар» (И-11, И-23, И-50, И-51, И-60 и др).
Объективы этого типа позволяют получить поле зрения не более 2w = 63° Для них является характерным резкое падение разрешающей способности от центра к краю — 30 штрихов на миллиметр в центре и 5—10 с краю.
Особое место среди фотографических объективов занимают гелеобъективы. Они отличаются тем, что их общая длина L от первой поверхности до фокальной плоскости короче фокусного расстояния f’. Это достигается тем, что объектив составляется из ДВУХ компонентов, из которых задний имеет отрицательное фокусное расстояние. Степень укорочения будем характеризовать коэффициентом телеобъектива kt.
Оптическая схема телеобъектива, составленного из бесконечно тонких компонентов, показана на рис. 103. Установим зависимость между оптическими силами компонентов Ф1 и Ф2, расстоянием между компонентами d и коэффициентом телеобъектива kt.
Применяя известные формулы углов (48,3) и высот (48,4) и полагая h1=l, a1=0 и a3=l, получи
a2 = Ф1
Среди телеобъективов наибольшее распространение получили четырехлинзовые объективы типа «Теликон», известные под названием «Телемар».
В пределах данного типа различные объективы могут отличаться конструктивными элементами. Конструкция объектива определяется четырьмя параметрами: 1) радиусами кривизны преломляющих поверхностей, 2) толщинами линз, 3) расстояниями между линзами, 4) марками стекол линз. В зависимости от определенной конструкции объектив отличается тем или иным качеством изображения. Тип объектива обусловливает возможности его в части достижения определенного поля зрения и светосилы.
Оптические системы, состоящие из сферических отражающих поверхностей, имеют преимущество перед системами из преломляющих поверхностей в том, что в первых отсутствует хроматическая аберрация и поглощение света стеклом.
В последнее время находят значительное распространение сложные зеркальные системы из двух сферических зеркал. Такие системы применяются в качестве объективов и специальных осветительных систем.
Система состоит из двух сферических зеркал (рис. 104), обращенных выпуклостями в одну сторону. Параллельный пучок света имеет вид кольца. Первое выпуклое (рассеивающее) зеркало с радиусом кривизны r1 направляет часть пучка ab на второе вогнутое (собирательное) зеркало с радиусом кривизны r2. Второе зеркало в плоскости чертежа имеет размер а1Ь1. На рис. 104 показан только параллельный пучок лучей. Наклонный пучок увеличит размеры второго зеркала.
Конструктивные данные двухзеркальной системы зависят от принятых значений: f’, s’F и d. Допустим, что из пространства предметов луч идет под углом a1=0, между зеркалами под углом а2, а в пространстве изображений а3=1. Тогда при f’=1 и h1= 1, h2=s’F и на основании формулы (48,4) можем записать
Так, например, если f’=62,5, s’f=175 мм и d=-45 мм, при f’=1, соответственно будем иметь s’f=2,8 и d=-0,72.
Тогда использование формул (56,10), (56,11) и (56,12) даст r1=0,8 и r2=1,6, что на f’=62,5 мм дает r1 = 50 мм и r2=100 мм.
Так как отрезок s’f показывает положение точки фокуса и является конструктивным параметром, то воздушный промежуток d может быть использован как аберрационный параметр.
Если же заданы конструктивные параметры двухзеркальной системы: r1, r2 и d, то фокусное расстояние может быть найдено по формуле оптической силы двух линз (49,5).
Учитывая, что оптическая сила каждого зеркала равна Ф=2/r, получим
Положение точки фокуса F’ от зеркала с радиусом кривизны r может быть найдено по известной формуле зеркала
Если предмет расположен в бесконечности, т.е. s1 = ∞, то s’1 = r1/2, тогда s2 = r1/2-d и искомая величина s’2 найдется после преобразования по формуле
Например, если r1 = 50 мм, r2=100 мм и d=-45 мм, получим f’= +62,5 мм и s’2 =175.
Если предмет находится на конечном расстоянии от системы, то величина s’2 находится по формуле отрезков, последовательно примененной к обеим поверхностям. Например, если задано положение предмета s1 то
Так, если s1 =-100, то s2‘=216,6 м.
При определении относительного отверстия такой зеркальной системы учитывается кольцеобразная форма входного зрачка. Площадь входного зрачка находится по формуле
Приводя это выражение к площади круглого зрачка, найдем радиус условного зрачка входа
Такие системы отличаются большой светосилой. Они находят себе применение в тех случаях, когда необходимы относительные отверстия 1 : 0,5—1 : 2.
Зеркальные системы имеют значительную остаточную сферическую аберрацию. Но сочетание отражающих и преломляющих поверхностей позволяет создать оптическую систему с высоким качеством изображения. Такие системы получили наименование зеркально-линзовых объективов. Современный зеркально-линзовый объектив состоит из трех частей: линзового компенсатора (I), зеркальной системы (II) и дополнительного двухлинзового склеенного объектива (III) (рис.
105).
Данные о некоторых зеркально-линзовых объективах собраны в табл. IX в приложении.
Известны компенсаторы различных конструкций (рис. 106).
В Советском Союзе большей частью применяется компенсатор в виде менисковой линзы, использование которой в известной астрономической зеркальной системе Кассегрена позволило создать новый тип фотографического объектива — зеркально-линзового менискового объектива.
Расщепление мениска Максутова на две линзы с воздушной прослойкой между ними создало афокальный компенсатор нового типа (Волосов, Гальперн и Печатникова, 1945 г.). Превращение менисковой одиночной линзы в двухлинзовую ахроматическую систему позволило получить еще лучшую коррекцию хроматических аберраций (Бегунов и Новик, 1952 г.) и осуществить киносъемочный объектив с f’=500 мм с высокой разрешающей способностью.
В приложении в табл. X и XI приводятся некоторые данные об объективах, нашедших применение в телевидении и репродукционной фотографии. Панкратические объективы, позволяющие плавно изменять фокусное расстояние в 3—6 раз, также относятся к разряду фотографических.
.
История развития объективов для микроскопов
Оптические конструкции объективов для микроскопов
Объектив является основным элементом в оптической системе микроскопа. Разработка первых ахроматических объективов для микроскопов связывается с именем русского ученого Эйлера, описавшего созданные им системы в научных трудах 1750-1770 гг. Ахроматы Эйлера не были изготовлены. Практическая реализация первого ахроматического микроскопа, разработанного учеником Эйлера, Ф.Т. Эпинусом (1784 г.), была осуществлена в России лишь в 1805-1808 гг. Однако, приоритет создания первого микроскопа — ахромата (1807-1813гг.) западноевропейскими историками признается за голландским оптиком ван Дейлем. Объективы ван Дейля были весьма несовершенными, числовая апертура не превышала в них 0.13, разрешающая способность составляла лишь 200 лин/мм.
Большой вклад в развитие микроскопии внес выдающийся итальянский ученый Амичи (1786-186З гг.), создавший объектив — ахромат высокого качества с числовой апертурой 0.
60. Им же была предложена конструкция фронтального элемента иммерсионного объектива в виде плосковыпуклой линзы, первая — плоская поверхность которой соприкасается с иммерсией. Показатель преломления иммерсии равен показателю преломления материала линзы, вследствие чего луч проходит эти две среды без преломления. Силовым элементом линзы является ее вторая — сферическая поверхность, построенная по принципу апланатизма.
Однако создание ахроматических объективов масляной иммерсии высокого класса стало возможным лишь после выдающихся работ Эрнста Аббе (1840-1905 гг.), сформулировавшего закон синусов и показавшего его роль в исправлении аберраций широких наклонных пучков. Под руководством Э. Аббе фирмой К. Цейсс в 1872-1879 гг. был разработан и изготовлен первый завершенный комплект ахроматических объективов, включающий иммерсионный объектив с числовой апертурой А=1.25. Разрешающая способность ахроматов соответствовала теоретическим соотношениям, развитым Аббе на основе теории дифракции.
До Аббе мастерские Цейсса выпускали шесть объективов, обозначенных буквами от «А» до «Р» и отличающихся в этом порядке убывающими фокусными расстояниями. Причем «конструирование микроскопов и их усовершенствование было почти исключительно делом опыта, искусных и терпеливых проб со стороны опытных практиков».
Аббе сохранил неизменным основной тип этих объективов, но дополнил комплект тремя более слабыми объективами (обозначенными «а») и объективами, которые при тех же фокусных расстояниях, что и у объективов группы «А» — «Д» имели большие апертуры (так называемый двойной ряд «АА» — «ДД»). Далее были разработаны три объектива водной иммерсии, и весь комплект был завершен созданием в 1879 г. Объектива — ахромата с числовой апертурой А=1.25 масляной иммерсии.
Аббе так оценивал результаты своей работы: «В этих конструкциях на основе точного исследования применяемых материалов и путем расчетов заданы все элементы: каждый радиус кривизны, каждая толщина, отверстие каждой линзы, так что всякая подгонка исключается.
На контрольной призме с помощью спектрометра заранее измеряются оптические постоянные, каждой обрабатываемой стеклянной заготовки, чтобы путем соответствующего изменения схемы конструкции компенсировать отклонения материала. «Отдельные компоненты изготавливаются и собираются с максимально возможной точностью по заданным размерам, и только у более сильных объективов до последнего момента остается регулируемым один из конструктивных элементов (одно расстояние между линзами), чтобы с его помощью можно было компенсировать неизбежные малые технологические отклонения. При этом оказывается, что достаточно хорошо обоснованная теория в сочетании с рациональной техникой, использующей все средства, предоставляемые практической оптике со стороны физики, может с успехом заменить эмпирическую технологию и при конструировании микроскопов».
Конструкции ахроматов, созданные Аббе, являются классическими, более чем за сто лет своего существования они практически не претерпели изменений, несмотря на появление новых сортов стекол и развитие электронно-вычислительной техники.
Модификации этих объективов (см. таблицу 1) выпускаются промышленностью до настоящего времени.
| Шифр, характеристики объектива | Оптическая схема объектива | Описание оптической конструкции объектива |
| М-42 (8×0.20) | Двухкомпонентная система объектива. Оба компонента представляют собой склейки из отрицательных и положительных линз | |
| ОМ-2 (20×0.40), МЩ (40×0.65) | Трёхкомпонентная система объектива. Первый компонент – одиночная положительная линза. Второй и третий компоненты представляют собой склейки из отрицательных и положительных линз | |
| ОМ-41 (90×1.25ми) | Четырёхкомпонентная система объектива. Первый и второй компоненты – одиночные положительные линзы. Третий и четвёртый компоненты представляют собой склейки из отрицательных и положительных линз |
Теоретические работы Аббе были направлены на повышение разрешающей способности объективов за счет увеличения числовых апертур и улучшения коррекции хроматических аберраций.
Им была установлена возможность исправления вторичного спектра с помощью оптических материалов с особым ходом дисперсии и введен в практику исследований на микроскопе тип объективов, названных апохроматами.
Применяя в качестве материала положительных линз флюорит, а в качестве элементов конструкций — трехлинзовые склеенные компоненты вместо двухлинзовых, Аббе удалось уменьшить значения высших порядков сферической аберрации и сферохроматизм. Это обусловило возможность повышения числовых апертур в объективах.
По проведённым исследованиям в области расчёта оказалось, что сочетание в трёхсклеенном компоненте линз существенно влияет на его коррекционные возможности. Традиционное расположение линз было следующее: двояковогнутая отрицательная линза, выполненная из тяжёлого флинта, заключена между двумя положительными линзами, выполненными из лёгкого крона, либо флюорита.
Другое расположение линз, а именно, положительная линза, выполненная из лёгкого крона либо флюорита, заключенная между двумя отрицательными линзами.
Модификации апохроматических объективов (см. таблицу 2) выпускаются промышленностью до настоящего времени.
| Шифр, характеристики объектива | Оптическая схема объектива | Описание оптической конструкции объектива |
| ОМ-33(10×0.40) | Четырёхкомпонентная система объектива. Первый компонент – одиночная положительная линза. Второй и третий компоненты представляют собой склейки из отрицательной и положительной линз. Последний — склеенный из положительной и отрицательной линз | |
| ОМ-21 (20×0.65),ОМ-16 (40х0.95), ОМ-23 (70х1.23 ви) | Четырёхкомпонентная система объектива. Первый компонент – одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов. Второй — склейка из отрицательной и положительной линз. Второй- одиночная положительная линза. Последний представляет собой тройную склейку из положительной линзы, заключённой между двумя отрицательными | |
06-АМ-60 (60×1. 00 ми), 02-АМ-90 (90×1.30 ми) |
Пятикомпонентная система объектива. Первый и второй компоненты – одиночные положительные линзыа. Третий – склейка из отрицательной и положительной линз. Четвёртый и пятый компоненты представляют собой тройные склейки из двух положительных и отрицательной линз |
Берек предложил рассматривать объективы малых увеличений и числовых апертур выполненными по схеме известного портретного объектива Пецваля, исторически первого фотографического светосильного объектива, созданного в 1840 г., и не утратившего своего значения до наших дней. «Для удовлетворения требования большей светосилы нужно, — по мнению Берека, — сделать частичные коэффициенты весьма малыми уже на отдельных поверхностях», а отсюда следует, что фронтальные элементы объективов — ахроматов больших увеличений должны содержать поверхности, близкие к апланатическим.
Выдающихся достижений в совершенствовании оптики микроскопов добился в конце 30-х годов прошлого столетия Богехольд, разработавший первые объективы с исправленной кривизной изображения.
В дальнейшем этот тип коррекции в сочетании с теоретическими положениями по исправлению вторичного спектра определил появление планапохроматов — объективов, обладающих наиболее совершенным качеством изображения. Если фотографические объективы развивались по типу симметричных конструкций, в планахроматах Богехольда, как и в их последующих модификациях, в качестве коррекционного элемента для исправления кривизны изображения при малых увеличениях был использован последний элемент — мениск значительной толщины. В объективах с увеличениями больше 20х роль коррекционного элемента также выполнял мениск.
Конструкции объективов ахроматов и объективов апохроматов не претерпели существенных изменений в течение более ста лет своего существования. Но и работы по созданию объективов с плоским полем изображения не привели пока к созданию устойчивых конструкций. В практике отечественного и зарубежного оптического приборостроения сложилось два направления работ по оптимизации схемных решений объективов с плоским полем изображения: развитие конструкций, в основу которых положена система симметричного типа «планар», и развитие несимметричных конструкций, начало которым было положено Богехольдом.
Первые завершённые комплекты отечественных план объективов (см. таблицу 3) на основе теоретических исследований были разработаны профессором Л.Н. Андреевым.
Особенностями этих объективов являются стандартизованные увеличения и высота h=45 мм, а также постоянная для всего комплекта хроматическая разность увеличений ХРУ=2%. Для компенсации этой аберрации в плоскости промежуточной плоскости микроскопа разработаны специальные компенсационные окуляры.
Однако отечественные план объективы не получили широкого распространения в серийных микроскопах по следующим причинам:
- Отсутствие лангкронов с большим значением коэффициента дисперсии v=80÷90 не позволило разработать достаточно простые и технологичные для серийного выпуска оптические конструкции объективов планахроматов. Объективы больших увеличений 40×0.65 и 60×0.85 содержат по два трехсклеенных компонента
- Комплект объективов планапохроматов, разработанный на основе лангкрона- флюорита и курцфлинта ОФ4, имеет уменьшенные числовые апертуры и пониженный контраст изображения
- В этих комплектах объективов не предусмотрена возможность реализации фазового контраста — широко распространенного метода исследования биологических объектов, который в настоящее время осуществляется путём нанесения фазовых колец на поверхности детали, сопряженной с плоскостью выходного зрачка объектива и выполненной из стекла группы ТФ, имеющего низкую скорость травления
- Большой остаточный хроматизм увеличения в объективах привел к необходимости усложнения не только окуляров и дополнительных проекционных систем микроскопа
- Большой остаточный хроматизм увеличения в объективах не позволил разработать широкоугольные окуляры, например, окуляр с увеличением Г=10Х и линейным полем 2y=25мм
Комплектом план объективов, в котором большая часть этих недостатков была преодолена, стал комплект объективов планахроматов с уменьшенным вторичным спектром, разработанный в 1978-79 гг. на основе фторфосфатного стекла ФФС2 (аналог флюорита) для биологических, люминесцентных и поляризационных микроскопов.
Объективы рассчитаны при толщине покровного стёкла 0.17 мм на конечную длину тубуса 160 мм, имеют стандартизованный ряд увеличений и высоту h=45 мм. Значение хроматической разности увеличения снижено и составляет (1+0.5)%.
Примечание: Приведённый материал носит информационный характер. По сегодняшнему состоянию дел многие из перечисленных трудностей преодолены, произведены расчёты, проектирование, изготовление нескольких комплектов современных отечественных объективов, не уступающих лучшим зарубежным аналогам.
Объективы.
По сравнению с линзовыми эндоскопами, в целом оптическая схема эндоскопа с волоконной оптикой является более простой и включает объектив, волоконно-оптический жгут, окулярную часть и осветительную систему. Объектив, наряду с волоконно-оптическим жгутом, является основным оптическим элементом, его параметры должны быть согласованы с параметрами последнего. Фокусное расстояние объектива должно иметь такую величину, чтобы при выбранном диаметре волоконно-оптического жгута d0 обеспечить необходимое угловое поле 2w эндоскопа в пространстве предметов. Если предметная плоскость расположена на значительном расстоянии по сравнению с фокусным расстоянием, то последнее рассчитывается по простейшей формуле:
| . |
Если объектив фокусируется на расстояние a до объекта, то, приняв во внимание формулу Гаусса, фокусное расстояние объектива определится как
| . |
Диаметр D входного зрачка объектива должен быть таким, чтобы числовая апертура в пространстве изображений объектива не превышала числовую апертуру волоконно-оптического жгута. Для предмета, расположенного на значительном расстоянии, необходимо выполнение условия
| , |
где ?A – апертурный угол волоконно-оптического жгута.
Для предмета, расположенного на расстоянии a перед объективом,
| . |
Для обеспечения равномерной освещенности как осевых, так и внеосевых точек изображения ход лучей в пространстве изображений объектива должен быть близок к телецентрическому. Чтобы при этом диаметр объектива не превышал диаметр волоконно-оптического жгута, положение входного зрачка относительно переднего фокуса объектива, в соответствии с рисунком 62, определится следующим образом:
| , |
где – коэффициент виньетирования наклонных пучков лучей.
Рисунок 62 – К определению положения входного зрачка объектива
В медицинских эндоскопах обычно объектив рассчитывается и юстируется при сборке на расчетное для данного вида эндоскопов расстояние. Подвижка объектива не предусматривается ввиду значительной глубины резко изображаемого пространства объектива, кроме того, подвижность всего эндоскопа позволяет менять расстояние от рассматриваемой поверхности до объектива и тем самым обеспечивать наилучшую резкость изображения.
Оптическая схема объектива обычно содержит от 2 до 6 линз. Если волоконно-оптический жгут имеет плоский входной торец, то в объективе должна быть исправлена кривизна изображения, что при больших угловых полях приводит к усложнению оптической схемы объектива. Придание вогнутости торцам жгутов, передающих изображение, позволяет применять объективы с кривым полем, более простые, чем с плоским полем. Однако при этом каждое волокно (за исключением центрального) имеет косой торец. Оси входа образуют сходящийся сноп и не проходят через центр выходного зрачка объектива (рисунок 63а). Последнее обстоятельство приводит к значительному виньетированию и, как следствие, снижению освещенности на краю изображения.
Рисунок 63 – Исправление кривизны поля вогнутым торцом световода: а) схема, не обеспечивающая телецентрического хода лучей в световоде; б) объектив с коллективом, обеспечивающий телецентрический ход лучей; в) объектив высокого разрешения с толстым коллективом, приклеенным к торцу жгута; г) безвоздушный объектив из стекла СТФ с телецентрическим ходом лучей; 1 – входной зрачок; 2 – склеенная фронтальная линза; 3 – коллектив; 4 – склеенная линза; 5 – жгут с вогнутым торцом
Чтобы оси входа всех волокон проходили через центр выходного зрачка объектива, необходима коллективная линза, или, как это показано на рисунке 63б, заполнение пространства между объективом и жгутом материалом с высоким показателем преломления (рисунок 63в, г). В последнем случае система существенно упрощается при сохранении большого поля и высокого разрешения [37].
Итак, к объективам предъявляется ряд специфических требований. Во-первых, они должны иметь малые поперечные размеры: диаметры линз обычно не должны превышать 1,5 ÷ 5,0 мм. Во-вторых, необходимо, чтобы изображение предмета проецировалось на последнюю поверхность объектива, и выполнялось условие телецентричности в пространстве изображения. Далее, с целью устранения возможного запотевания поверхностей, граничащих с воздухом, в процессе эксплуатации, необходимо сведение их числа до минимума. При разработке объектива необходимо также предусмотреть технологичность его конструкции. И, наконец, следует отметить, что коррекция аберраций должна быть произведена в пределах довольно больших угловых полей (60° и более).
В качестве простейшей базовой оптической схемы объектива может служить система из двух плоско-выпуклых симметрично расположенных линз (рисунок 64) [42]. Если пренебречь величиной воздушного промежутка между линзами (d2 = 0), то радиусы выпуклых поверхностей линз определятся по простейшим формулам прикладной оптики:
| , |
где n – показатель преломления материала линз.
Рисунок 64 – Принципиальная оптическая схема объектива из двух плоско-выпуклых линз
Применив последовательно инвариант Аббе к поверхностям объектива в прямом ходе с конечного расстояния и в обратном ходе для бесконечно удаленного предмета, мы получаем выражения для толщин линз:
| , |
| , |
где s – расстояние от первой поверхности до предметной плоскости;
n1 – показатель преломления оптической среды в пространстве предметов.
С целью компенсации кривизны изображения последней поверхности объектива может быть придана сферическая форма, близкая к поверхности Петцваля. Для лучшей коррекции хроматических аберраций в один или оба компонента можно ввести хроматические поверхности склейки.
Если к системе предъявляются особые требования, исключающие запотевание поверхностей линз, граничащих с воздухом, пространство между линзами заполняется оптической средой (иммерсионной жидкостью, смолой, оптическим стеклом и др.). В этом случае с целью сохранения масштаба увеличения радиусы поверхностей должны быть пересчитаны [42]:
| , |
где – радиус поверхностей в случае, если показатель преломления среды между линзами отличен от 1.
Условие ахроматизации для тонких компонентов имеет вид:
| , |
где n, – коэффициенты средней дисперсии материала линз и оптической среды между линзами соответственно.
В качестве примера в таблице 14 приведены конструктивные параметры объектива пиелоскопа. Объектив работает в водной среде, расстояние от первой поверхности до наблюдаемого объекта -10 мм; угловое поле в воде 2w = 24°; линейное увеличение b = -0,34x; фокусное расстояние f’об = 2,5 мм (в воздухе).
Таблица 14 – Конструктивные параметры объектива пиелоскопа
Радиусы | Толщина | Марка | Световой |
— | — | вода | — |
3,6 | К8 | 0,2 | |
-2,582 | 0,1 | воздух | 1,6 |
2,582 | 5,1 | К8 | 1,8 |
волоконный | ТК14 | 1,5 |
В качестве объектива отечественного гастродуоденоскопа с угловым полем 90° примем объектив, принципиальная схема которого аналогична представленной на рисунке 15 в п. 2.3. Если увеличить по оси толщину последней линзы, то можно получить поверхность изображения объекта непосредственно на последней поверхности линзы объектива. Конструктивные параметры такого объектива с фокусным расстоянием f’ = 1мм, относительным отверстием 1 : 5 и угловым полем 90° приведены в приложении И. Расчетное расстояние до предметной плоскости – 11 мм. Астигматизм не превышает 0,08 мм, дисторсия – 28%.
Для обеспечения бокового, проградного или ретроградного угла наблюдения в оптическую схему объектива водится призма, которая устанавливается либо после защитного стекла, выполняемого часто в виде плоско-выпуклой линзы, либо непосредственно перед объективом. В [43] предлагается защитное стекло отрицательной оптической силы выполнять в виде плоскопараллельного компонента, склеенного из плоско-вогнутой и плоско-выпуклой линз, выполненных из материалов со значительно отличающимися показателями преломления. На рисунке 65 приведена оптическая схема такого объектива, включающая плоско-выпуклую линзу 2 и двухлинзовый склеенный компонент 3, при этом головная призма 1 с отрицательным плоскопараллельным компонентом 6 наклеена на плоскую поверхность линзы 2. Показатель преломления материала линзы 7 превышает показатель преломления материала линзы 8 более чем на 0,15.
Рисунок 65 – Оптическая схема объектива эндоскопа с первым отрицательным плоскопараллельным компонентом
Так как плоскопараллельный компонент 6 обладает отрицательной оптической силой, то он пригибает лучи, идущие от внеосевых точек предмета, к оптической оси так, что они свободно проходят через головную призму 1. При этом одновременно компенсируется кривизна изображения, вносимая линзой 2 и двояковыпуклым компонентом 3, что приводит к улучшению качества изображения. При этом, чем больше разность показателей преломления стекол линз 7 и 8, тем больше снижается кривизна изображения, а чем выше разность коэффициентов дисперсий стекол линз 4 и 5 и чем ближе расположена поверхность склейки линз 4 и 5 к линзе 2, тем легче устраняется хроматическая аберрация увеличения.
Представленная на рисунке 64 принципиальная оптическая схема объектива, состоящего из двух толстых плоско-выпуклых симметрично расположенных линз позволяет после введения одного или двух хроматических радиусов и замены последней плоской поверхности выпуклой получить объектив с телецентрическим ходом главных лучей в пространстве изображений, дающий высокое качество изображения в пределах поля зрения до 60° при апертуре в пространстве изображений 0,1. Однако такие объективы обладают большой длиной и наличием апертурной диафрагмы на первой поверхности. Для уменьшения длины объектива первую поверхность объективов вместо плоской выполняют выпуклой [44]. Существенным недостатком объективов, состоящих из компонентов, разделенных воздухом, является необходимость иметь механическую оправу для крепления компонентов.
Апертурная диафрагма на первой поверхности реализуется или круговой фаской, или оправой объектива. Изготовление фаски связано с определенными технологическими трудностями вследствие малого светового диаметра первой поверхности, а оправа с малым отверстием ухудшает условия эксплуатации, так как затрудняется чистка первой поверхности и не исключается возможность появления пузырька воздуха в пределах этого отверстия. Поэтому апертурную диафрагму объектива эндоскопического прибора, работающего в жидкой среде, целесообразно располагать внутри самого объектива.
Объектив, не содержащий воздушных промежутков и состоящий из одной или более линз, склеенных в один блок, не нуждается в механической оправе и не запотевает при работе в жидкой среде.
Объектив простейшей конструкции с внутренним расположением апертурной диафрагмы, не содержащий воздушных промежутков, обеспечивающий одновременно телецентрический ход главных лучей в световедущей жиле волоконного световода, с которыми он склеен своей последней выпуклой поверхностью, представлен на рисунке 66а [45]. Объектив состоит из двух линз 1 и 2, изготовленных из одной и той же марки стекла СТФ3 и склеенных по сферической поверхности, на которой нанесено непрозрачное покрытие с отверстием, реализующим апертурную диафрагму. На рисунке 66а показаны два луча: крайний – для осевой точки и главный – для точки на краю поля зрения. На рисунках 66б, в представлены два способа соединения объектива с волоконным световодом 3, обеспечивающие кольцевое освещение предмета при передаче освещающих пучков по периферической части световода 3. На рисунке 66б цифрой 4 обозначен цилиндрический стеклянный световод.
Оптические характеристики объектива: | |
угловое поле в пространстве предметов | 38,5 ° ; |
| линейное увеличение | 0,31x ; |
числовая апертура в пространстве изображений | 0,1; |
| расстояние до предмета | 13,9 мм. |
Конструктивные элементы: | |
r1 = r2 = 2,089 мм; r3 = -2,003 мм; d1 = 0,75 мм; d2 = 6,35 мм; | |
| диаметр объектива | 2,8 мм; |
| диаметр апертурной диафрагмы | 0,57 мм; |
рабочее расстояние s в физиологическом растворе | 13,9 мм. |
Рисунок 66 – Объектив простой конструкции для эндоскопа: а) ход осевого и главного лучей в объективе; б) и в) варианты соединения объектива с волоконным световодом при кольцевом освещении предмета
Так как в объективе использована одна марка стекла, то у него не исправлены хроматические аберрации, кроме того, значительную величину имеет кома. Для улучшения качества изображения в оптическую схему объектива вводится третья линза – положительный мениск, установленный между двумя его положительными линзами, а толщина первой положительной линзы увеличена и составляет от 0,95 до 1,05 ее первого радиуса кривизны [46]. Оптическая схема объектива представлена на рисунке 67 и включает два толстых положительных мениска 1, 3 и двояковыпуклую линзу 2.
Рисунок 67 – Оптическая схема трехлинзового объектива эндоскопа без воздушных промежутков
Все линзы склеены друг с другом и образуют трехлинзовый объектив, не содержащий воздушных промежутков. Объектив приклеен к волоконному световоду 5. Апертурная диафрагма 6 находится внутри объектива и совпадает со второй поверхностью.
Для улучшения коррекции аберраций количество склеенных линз в объективе может быть увеличено (например, см. рисунок 16 п. 2.3).
В последние годы, благодаря внедрению прецизионных методов изготовления волоконной и линзовой оптики, заметно активизировались работы по созданию особо тонких медицинских эндоскопов на основе волоконной оптики. Так, в 1993 году во Всероссийском научном центре «ГОИ им. С.И. Вавилова» при участии АО «Ленинградское оптико-механическое объединение» (ЛОМО) были созданы первые отечественные опытные образцы особо тонкого гибкого эндоскопа для визуального исследования мочеточников и почечных лоханок [47].
Объектив уретероскопа (рисунок 68) [48] диаметром 0,6 мм представляет собой монолитный блок из последовательно склеенных между собой защитного стекла 1 (плоскопараллельной пластинки), объемной апертурной диафрагмы 2 и шаровой линзы 3. При склеивании этих элементов между защитным стеклом, находящемся в контакте с одной из поверхностей апертурной диафрагмы, и шаровой линзой, находящейся в контакте с краями отверстия второй поверхности апертурной диафрагмы, из клея формируется плоско-вогнутая линза 4, играющая роль отрицательного оптического элемента. Эта линза увеличивает задний отрезок, уменьшает хроматизм и способствует увеличению углового поля в пространстве предметов. Объектив располагается на оптической оси волоконно-оптического жгута 5.
Рисунок 68 – Оптическая схема объектива особо тонкого эндоскопа
Форма, размеры и материалы оптических элементов выбираются таким образом, чтобы обеспечивался телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений. Показатели преломления компонентов 1, 4 и 3 выбираются из соотношений: n1n4n3; 1,7 n3 1,95. В этом случае обеспечиваются следующие основные характеристики системы: угловое поле в пространстве предметов – от 51 до 127° и достаточно большая величина заднего фокального отрезка – от 0,5 до 0,65 фокусного расстояния (для диаметра волоконно-оптического жгута 1 мм). Применение шара с показателем преломления, меньшим 1,7, ведет к очень сильному возрастанию углового поля в пространстве предметов, ухудшению качества изображения за счет увеличения аберраций. Применение материала шара с показателем преломления, большим 1,95, ведет к значительному уменьшению углового поля, затрудняющему работу наблюдателя, и увеличению диаметра рабочей части прибора за счет увеличения диаметра шара, значительно превосходящего диаметр волоконно-оптического жгута.
Объектив отличается повышенной технологичностью за счет самоцентрирования компонентов. Он имеет следующие основные характеристики: разрешающая способность на рабочем расстоянии 5 мм – 25 мм-1; угловое поле в пространстве предметов (в воздухе) – 90°; фокусное расстояние – 0,4 мм; относительное отверстие – 1 : 4; задний фокальный отрезок – 0,3 мм.
Более подробное описание уретероскопа приведено в п. 4.4.
из серии библиотека фотографа СПРАВОЧНИК оптические схемы ОБЪЕКТИВЫ ZEISS
RU (11) (51) МПК G02B 9/64 ( )
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (19) RU (11) (51) МПК G02B 9/64 (2006.01) 169 342 (13) U1 R U 1 6 9 3 4 2 U 1 ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (12) ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ (21)(22)
ПодробнееОсновы фотографической оптики
Спецкурс ОСФИ Лекция 7 06 апреля 2011 Основы фотографической оптики Алексей Игнатенко, к.ф.-м.н. Лаборатория компьютерной графики и мультимедиа ВМК МГУ Цель Научиться моделировать фотокамеру Разбираться
ПодробнееСОДЕРЖАНИЕ КОНСПЕКТА ЛЕКЦИЙ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ СОДЕРЖАНИЕ КОНСПЕКТА ЛЕКЦИЙ РАЗДЕЛ 1. ОПТОТЕХНИКА И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ… 7 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ… 7 1.1. Основные понятия
Подробнее1. ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Оглавление Предисловие Часть 1. ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Глава 1. Исторические этапы развития оптических систем Глава 2. Формулы солинейного сродства 2.1. Формулы увеличений 2.2. Совокупность двух
ПодробнееГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
96 ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА Задание 1. Выберите правильный ответ: 1. Доказательством прямолинейности распространения света служит, в частности, явление… а) интерференции света; б) образования тени; в) дифракции
ПодробнееRU (11) (51) МПК G02B 13/14 ( ) G02B 9/34 ( )
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (19) RU (11) (1) МПК G02B 13/14 (06.01) G02B 9/34 (06.01) 170 736 (13) U1 R U 1 7 0 7 3 6 U 1 ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (12) ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ
ПодробнееМЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ УДК 55.7.6 С. М. МАРЧУК ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СРЕДЫ MATHCAD ДЛЯ РАСЧЕТА ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ В ОБЛАСТИ АБЕРРАЦИЙ ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА Рассматривается пример использования среды MathCAD для расчета
Подробнееоглавление Предисловие…5
оглавление Предисловие…5 Глава 1. Основные понятия о монохроматических аберрациях. Эйконалы 1.1. Общие понятия об аберрациях. Классификация аберраций…7 1.2. Определение отдельных монохроматических
Подробнее39. Г 2 40% 1 l F 44.
. Расстояние от линзы до действительного изображения предмета в n =,5 раза больше фокусного расстояния линзы. Найдите увеличение Г, с которым изображается предмет.. Расстояние от предмета до собирающей
ПодробнееОптическая терминология
Оптическая терминология 92 Значение света в фотографии Что такое «свет»? Свет — это физическое явление, обуславливающее создание зрительных образов посредством возбуждения зрительных нервов; в широком
Подробнее— Мнимое изображение предмет
Геометрическая теория оптических изображений Если пучок световых лучей, исходящий из какой-либо точки A, в результате отражений, преломлений или изгибаний в неоднородной среде сходится в точке A, то A
ПодробнееRU (11) (13) C1
Стр. 1 из 7 13.03.2019, 12:06 РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (19) RU (11) 2 680 656 (13) C1 ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (51) МПК G02B 17/08 (2006.01) (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
ПодробнееОсновы фотографической оптики (часть 2)
Спецкурс ОСФИ Лекция 8 13 апреля 2011 Основы фотографической оптики (часть 2) Алексей Игнатенко, к.ф.-м.н. Лаборатория компьютерной графики и мультимедиа ВМК МГУ План лекции Гауссовы системы. Системы из
ПодробнееЗадачи ЕГЭ по теме «Геометрическая оптика»
Задачи ЕГЭ по теме «Геометрическая оптика» А 22. Была выдвинута гипотеза, что размер мнимого изображения предмета, создаваемого рассеивающей линзой, зависит от оптической силы линзы. Необходимо экспериментально
ПодробнееГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА 1. Человек, имеющий рост h = 1,8 м, находится на расстоянии l = 6 м от столба высотой H = 7 м. На каком расстоянии s от себя человек должен положить горизонтально маленькое зеркало,
ПодробнееФизические основы фотографии
Физические основы фотографии Гедранович Александр Брониславович [email protected] ЦИФРОВАЯ ФОТОГРАФИЯ Гедранович А.Б. (ЦФ) Физические основы Весна, 2011 1 / 33 Вопросы 1 Матрицы и оптика 2 ГРИП 3 Шумы
ПодробнееТонкие линзы. Ход лучей
И. В. Яковлев Материалы по физике MathUs.ru Тонкие линзы. Ход лучей Темы кодификатора ЕГЭ: линзы, оптическая сила линзы. Взгляните ещё раз на рисунки линз из предыдущего листка: эти линзы обладают заметной
Подробнееи фотолюбители выбирают объективы Tokina.
Принадлежащая компании Tokina технология AT-X развивалась более 20 лет. С момента начала нашего дела в 1981 году, мы постоянно совершенствовались. Каждая новая модель это очередное улучшение дизайна и
ПодробнееАберрации высших порядков и волновой фронт
Аберрации высших порядков и волновой фронт Волновой фронт В последнее время в описании высокотехнологичных очковых и контактных линз все чаще встречаются такие понятия, как аберрации высших порядков, волновой
ПодробнееАвтор (составитель):
Автор (составитель): Кудрец Д.А. преподаватель УО «ВГПЛ 5 приборостроения» Немкова Е.В. методист УО «ВГПЛ 5 приборостроения» Рецензент: Кудянов А.Я. фотограф ОАО «Мир услуг плюс» Перечень плакатов по учебному
ПодробнееОптические приборы, вооружающие глаз.
Тема: Лекция 45 Оптические приборы: фотоаппарат, проекционный аппарат, лупа, микроскоп, труба Кеплера, труба Галилея. Увеличение оптического прибора. Дефекты оптических приборов. Глаз, как оптическая система.
ПодробнееГеометрическая оптика
Геометрическая оптика Недостатки в условиях: Вариант 4 задача 2: угол 30, ширина пучка 20 см, показатель преломления стекла 1,5, ответ 26 см. Вариант 7 задача 2: показатель преломления воды 1,33 задача
Подробнее8 класс Тесты для самоконтроля. ТСК Линзы
ТСК 8.3.31 Линзы 1.Линзой называют 1) прозрачное тело, имеющее с двух сторон гладкие поверхности 2) тело, стороны которого отполированы и округлены 3) прозрачное тело, ограниченное сторонами, которые представляют
ПодробнееRU (11) (13) C1
Стр. 1 из 8 16.04.2018, 13:47 РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (19) RU (11) 2 643 075 (13) C1 ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (51) МПК G02B 17/06 (2006.01) (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
ПодробнееPCS ARSAT 4.5/55 ОБЪЕКТИВ ФОТОГРАФИЧЕСКИЙ
PCS ARSAT 4.5/55 ОБЪЕКТИВ ФОТОГРАФИЧЕСКИЙ руководство по эксплуатации 1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ Фотообъектив PCS ARSAT 4,5/55 (PCS — перспективная коррекция смещением) предназначен для профессиональной съемки
Подробнееоглавление Предисловие…5
оглавление Предисловие…5 Глава 1. Основные понятия о монохроматических аберрациях. Эйконалы 1.1. Общие понятия об аберрациях. Классификация аберраций…7 1.2. Определение отдельных монохроматических
Подробнее| ФотоHack e26 – Маркировка объективов Leica Kaddr.com
Немецкая компания Leica диктовала свои правила в мире фотографии на протяжении многих лет. Она возникла ещё в середине XIX века и сразу же начала активно заниматься развитием оптических систем. Прославившись своими высококачественными микроскопами, немецкий бренд перешёл на выпуск фототехники. И она у него удалась на славу – все из кожи вон лезли, чтобы скопировать Leica. Не будем пересказывать то, что мы уже рассказывали в подробностях – историю немецкой компании с мировым именем вы можете почитать в нашей рубрике RetroSearch. Нас же интересует маркировка объективов данного производителя.
Обозначения на объективах немецкого бренда отличаются от привычных нам маркировок, нанесённых на стёкла других производителей оптики. Как, собственно, выделяется на фоне них и сама компания Leica.
Ниже рассмотрены расшифровки основных обозначений, которые вы можете встретить на объективах компании с мировым именем:
M – обозначение системы крепления. Объективы, помеченные данной маркировкой, совместимы с дальномерными фотокамерами Leica.
R – обозначение совместимости объектива с зеркальными фотокамерами бренда.
DG – одно из наиболее свежих обозначений, которое указывает на совместимость объектива с фотокамерами формата Micro 4/3.
ASPH – таким образом маркируются объективы, в оптической конструкции которых применяется хотя бы одна асферическая линза. При помощи данных линз эффективно уменьшаются хроматические абберации и удаётся снизить общий вес и физические размеры объектива.
Summaron – обозначение указывает на симметричную оптическую схему конструкции объектива. Она состоит из 6 линз в 4 группах.
Vario-Elmar – так маркируются стёкла, обладающие переменным фокусным расстоянием. Простыми словами – “зумы”.
Angulon – обозначение, которое вы можете лицезреть на широкоугольных объективах Leica.
35mm, 16-18-21mm, 11-23mm – фокусное расстояние объектива. В зум-объективах сначала указывается минимальное, а затем – максимальное фокусное расстояние.
1:2, 1:3.5-4.5 – максимально возможные значения диафрагмы объектива. В зум-объективах указывается два значения: для минимального и максимального фокусных расстояний.
Tri-Elmar – данная маркировка наносится на одни из наиболее интересных стёкол бренда – объективы, обладающие тремя фокусными расстояниями (например, Leica Tri-Elmar M 16-18-21mm f/4).
Telyt – обозначение телеобъективов Leica. Они совместимы с дальномерными фотокамерами компании.
Extender – обозначение телеконвертора, который устанавливается между фотокамерой и объективом для увеличения фокусного расстояния последнего.
Summarit – объективы с такой надписью на борту обладают высочайшим оптическим качеством. И стоят, соответственно, недёшево…
Macro – гадать, встретив такую маркировку, не стоит. И так понятно, что она наносится на стёкла, способные снимать в режиме “макро”, обладающие максимальным увеличением 1 : 1.
Ниже представлены обозначения, которые указывают на светосилу объективов Leica:
Elmar – самые тёмные стёкла бренда. Их максимальное значение светосилы составляет f/3.5 и меньше.
Elmarit – обозначение объективов, максимальная светосила которых f/2.8.
Summicron – средний сегмент с максимальным значением светосилы f/2.
Summilux – светосильная оптика. Максимальная светосила, которую можно встретить на объективах с такой маркировкой, составляет f/1.4.
Noctilux – премиум-сегмент. Это объективы высочайшего качества, максимальное значение светосилы которых составляет f/1.2 и больше.
Существует ещё парочку обозначений, присущих объективам Leica, которые совместимы с фотокамерами формата Micro 4/3:
UED (Ultra Extra-low Dispersion) — применение в оптической схеме объектива линз со сверхнизкой дисперсией. Они обеспечивают максимальную резкость и контрастность изображения даже на самых открытых отверстиях диафрагмы.
UHR (Ultra High Refractive) – обозначение линз в оптической схеме объектива, которые имеют сверхвысокий коэффициент преломления света.
На этом всё! Дополнения и исправления приветствуются. Оставляйте их в комментариях.
Презентация объективов Zeiss Batis и устройства Manfrotto Digital Director
Презентация объективов Zeiss Batis и устройства Manfrotto Digital Director.
В Москве прошла презентация объективов Zeiss Batis, на которую я был приглашён.
Гуляя по Москве.
Москва встретила меня аномальной для Петербурга жарой (+26). Так что две припасенные куртки (одна на случай холода, а вторая на смену, если от дождя промокнет первая) остались невостребованы.
Поскольку погода была отличная (на солнце все 30 градусов), то я решил идти пешком от вокзала и прямо до места презентации (рядом со ст.м. «ул. 1905 года»), которую организовала компания «Лайт Стайл», эксклюзивный поставщик продукции Carl Zeiss в РФ и компания Carl Zeiss.
Наконец я добрался до места. Шёл непрерывно с 9−00 до 15−30 и прибыл на место первым.
Было представлено два объектива нового семейства:
Batis 25/2
Batis 85/1.8
Оба на полнокадровые камеры Sony Alpha 7.
Компанию Carl Zeiss представлял Александр Прель (на фото слева), который немного рассказал про данные объективы.
Справа Ефимочкин Денис, представитель компании «Лайт Стайл».
Основные преимущества семейства объективов Batis:
— пыле-влагозащитный корпус,
— быстрая и точная автофокусировка,
— встроенный стабилизатор изображения (в модели Batis 85/1.8)
— встроенный OLED дисплей, отображающий расстояние до объекта съемки и ГРИП
— традиционно высокое качество изображения, характерное для оптики Zeiss
Zeiss Batis 25/2
Оптическая схема Batis 25/2
Объектив спроектирован по оптической схеме Distagon и имеет «плавающие элементы».
Некоторые элементы в оптической схеме изготовлены из «специального» стекла. Видимо, подразумевается низкодисперсионное стекло.
Также имеются асферические элементы, в том числе из «специального» стекла.
Технические характеристики:
| Фокусное расстояние: | 25 мм |
| Диапазон диафрагмы: | f/2 — f/22 |
| Диапазон фокусировки: | 0,2 m — ∞ |
| Количество элементов/групп: | 10/8 |
| Угловое поле, диаг./гориз./верт.: | 82° / 72° / 51° |
| Охват при небольшом расстоянии: | 124×187 мм |
| Резьба фильтра: | M67×0,75 |
| Размеры (с крышками): | 92 мм |
| Диаметр фокусировочного кольца: | 78 мм |
| Вес: | 335 гр. |
| Байонет: | E-Mount |
Zeiss Batis 85/1.8
Оптическая схема Batis 85/1.8
Объектив спроектирован по оптической схеме Sonnar и имеет «плавающие элементы».
Некоторые элементы в оптической схеме изготовлены из «специального» стекла. Видимо, подразумевается низкодисперсионное стекло.
Технические характеристики:
| Фокусное расстояние: | 85 мм |
| Диапазон диафрагмы: | f/1.8 — f/22 |
| Диапазон фокусировки: | 0,80 m (2.6 ft) — ∞ |
| Количество элементов/групп: | 11/8 |
| Угловое поле, диаг./гориз./верт.: | 29° / 24° / 16° |
| Охват при небольшом расстоянии: | 189×283 мм |
| Резьба фильтра: | M67×0,75 |
| Размеры (с крышками): | 105 мм |
| Вес: | 475 гр. |
| Байонет: | E-Mount |
Вопросы и ответы по объективам Zeiss Batis
У аудитории было не так много вопросов, но всё-таки самые интересные были заданы и я в этом тоже поучаствовал.
Самый очевидный вопрос: «какой размер кружка нерезкости принят для расчета ГРИП?»
Дело в том, что на камерах с разным разрешением кружок нерезкости будет разный и соответственно ГРИП будет отличаться. Причем в случае камер Sony A7 и Sony A7R IIотличаться будет в 2 раза (24 Мпикс против 42 Мпикс).
Чёткого ответа мы не получили. Надеюсь инженеры Zeiss знали что делают и не приняли один размер кружка нерезкости для всех камер сразу.
Хотя…»…The display of our Batis lenses simply shows the (rounded) distance data that was measured by the AF module of the camera. The distance measuring of the camera doesn’t take the CoC into account…»
Не будут ли автофокусные объективы Zeiss сильно «сажать» батарею фотокамер Sony Alpha?
Дело в том, что батарея камер Sony Alpha и так слабая и её не хватает даже на 1 день.
Ответ заключался в том, что они будут сажать батарею не более, чем собственные объективы Sony.
Это интересно, потому как данный ответ можно перефразировать как: «в наших объективах стоит механизм автофокуса Sony».
Тут уже я заинтересовался и задал вопрос:
«Кто производит объективы Batis? Sony или Cosina?»
Александр попробовал уклониться от ответа (видимо, щекотливый вопрос) ответив, что у компании Carl Zeiss в Японии много различных поставщиков и разные части делаются на разных заводах.
Был также вопрос:
«Старые камеры Sony A смогут узнавать новые объективы Batis и делать коррекцию аберраций?»
Александр ответил да.
Мой вопрос:
С чем связан тот факт, что большинство объективов Zeiss имеют резьбу под фильтр 67 мм?
Оба объектива имеют резьбу под фильтр 67 мм.
Ответ: с конструкцией объектива. Мы специально не старались делать под 67 мм.
Мой вопрос:
Как вы себе представляли работу с поляризационным фильтром на объективах с байонетной блендой такого типа?
Александр попробовал мне продемонстрировать кручение фильтра пальцами внутри бленды, что меня совсем не убедило в удобстве подобного метода использования поляризационного фильтра. Я пользуюсь резьбовыми блендами Zeiss / Contax.
Мне не удалось понять съемная ли бленда на объективах Batis т.к. не удалось её снять. Она продается и отдельно, так что есть надежда, что съемная.
Не планируется ли выпуск аналогичных объективов от самой Sony?
Ответ: Точно нет.
Мой комментарий: Судя по всему есть твердая договоренность, что все топовые объективы для Sony разрабатывает Zeiss.
Новые камеры семейства Sony A7 имеют 5-осевую стабилизацию изображения. Объектив Batis 85/1.8 тоже имеет стабилизацию изображения. Будут ли нормально работать стабилизаторы изображения в такой связке?
Ответ: Да, будут работать совместно.
Мой комментарий: Требует проверки.
Мой вопрос:
Появится ли когда-нибудь новое просветление T*XP на объективах зеркальных камер?
Ответ: Это просветление было разработано специально для кинообъективов Zeiss и на фотообъективах использование его не планируется.
Первые впечатления от объективов Zeiss Batis
Во-первых, объективы Zeiss Batis неожиданно лёгкие. Их пришлось сделать лёгкими т.к. иначе они просто уничтожили бы батарею Sony A7 за считанные минуты. Потому это совсем не Otus по конструктиву. Пластик есть (по словам Александра) не только снаружи, но и внутри.
И я уже видел недовольные комментарии поклонников цейса по этому поводу на официальном сайте Zeiss.
Тем не менее это не должно сказаться на оптических качествах объективов. Это отдельный сегмент рынка — объективы для беззеркальных камер. Они ОБЯЗАНЫ быть лёгкими и относительно компактными.
Объектив держит диафрагму в соответствии с установленным на камере значением всё время. Т. е. вы в реальном времени видите то, что будет на снимке, в том числе и ГРИП.
Меня честно говоря здорово смутили бленды. Они сильно увеличивают размер объектива и объектив имея хорошее просветление T* не сильно в них нуждается в большинстве случаев. Все московские снимки сделаны на объектив для зеркальных камер Zeiss 25/2 без бленды в условиях сильного солнечного освещения.
Автофокус в плане скорости работает очень прилично. Для теста его точности нужно иметь объектив на руках какое-то время и, я надеюсь, мне предоставят объективы Zeiss Batis в июле и я смогу с вами, уважаемые читатели блога, поделиться их детальными тестами, которые пока никто еще не сделал.
Цены: поставки объективов начнутся в середине июля. Цена Batis 25/2 составляет 1300 USD, Batis 85/1.8 обойдётся в 1200 USD.
После презентации объективов Zeiss Batis мы перешли в другой зал.
Презентация Manfrotto Digital Director
Manfrotto Digital Director — это программно-аппаратное решение для управления фото и видеосъемкой с экрана iPad Air/Air 2.
Представляли продукцию Manfrotto:
Мартынов Алексей Manfrotto
Большаков Григорий (Лайт Стайл)
Manfrotto Digital Director внешне похож на подставку для iPad, но это не просто подставка, а подставка «с начинкой», там внутри печатная плата, процессор и память.
Manfrotto Digital Director позволяет управлять точкой фокусировки, временем экспозиции, диафрагмой и чувствительностью.
Фото могут сразу закачиваться в iPad. Видео не могут закачиваться.
Доступна функция Focus Peaking, которая помогает при ручкой фокусировке в фотографии и тем более сильно поможет в съемке видео.
Устройство уникально т.к. позволяет работать с бОльшей скоростью синхронизации, благодаря соединению по кабелю.
Кстати, о соединении по кабелю. В процессе презентации Manfrotto Digital Director перестал работать с камерой Nikon и пришлось заменить её на камеру Canon. Хорошая реклама для Canon :)
В процессе демонстрации работы Manfrotto Digital Director меня использовали как объект фокусировки.
Ну вот хоть селфи получилось, где видно, что я был в Москве :)
Впечатления от Manfrotto Digital Director
Устройство заинтересовало меня в плане использования для пейзажной фотографии, где можно точнее фокусироваться при работе с тилт/шифт объективами. А также для фокусировки при тестировании объективов, ведь ничего лучше и мобильнее не придумать, чем iPad Air.
На презентации рассказывали про высокую скорость синхронизации камеры и iPad, но я покрутил рукой перед камерой и задержка была не такой уж маленькой. Окончательный вывод делать не буду т.к. чтобы его делать нужно иметь устройство на руках.
Соединяя три устройства: камера, ipad, manfrotto digital director, вам придётся думать о заряде батарей всех трёх устройств. Это нужно учесть.
Сколько стоит Manfrotto digital director.
Начинание в виде Manfrotto digital director заслуживает уважения. Мы, фотографы и операторы, уже устали от маленьких и некачественных ЖК экранчиков. Очень надеюсь, что все работает как заявлено и мы получим большой экран с IPS матрицей для фокусировки и оценки результата.
После презентации
У меня оставалась еще пара часов, чтобы поснимать вечернюю Москву. Посмотрев по карте я понял, что успеть к воде я смогу только на ст.м.Смоленская. Туда я и направился.
Введение в оптический дизайн
Оптимизация — настолько важная тема в оптическом дизайне, что нам нужно рассказать о ней больше, даже несмотря на то, что она была кратко описана в разделе «Как создать линзу». Помните, что цель оптимизации состоит в том, чтобы взять стартовую линзу какого-либо типа и изменить ее для улучшения ее характеристик (стартовая линза должна иметь подходящее количество оптических поверхностей подходящего типа, поскольку оптимизация может изменять только значения параметров, но не количество или типы поверхностей).Поскольку оптика очень точна (расстояния в микрометры могут иметь большое значение), нам необходимо точно определять значения всех наших переменных на каждом этапе оптимизации.
Давайте сначала рассмотрим локальную оптимизацию. Что значит «местный»? Если у вас есть модель объектива, функция ошибок — это то, что коррелирует с характеристиками изображения, например размер пятна или среднеквадратичная ошибка волнового фронта — чем меньше, тем лучше. При изменении переменных линза меняется, значения трассировки лучей меняются, а функция ошибок принимает новые значения.Если бы вы могли нанести их на график, вы бы создали карту холмов и долин пространства функций ошибок (в любом месте от одного до 99 или более измерений, в зависимости от ваших переменных). На приведенном выше явно глупом эскизе вертикальное расстояние представляет значение функции ошибок (чем ниже, тем лучше), а горизонтальное положение представляет ОДНУ из переменных в объективе (например, это может быть кривизна передней поверхности).
Так как чем меньше, тем лучше, ваша цель — найти самую низкую точку на этой карте — Долину Смерти Земли Функциональных Ошибок (EFL).Локальная оптимизация находит самый низкий ближайший регион в EFL, поэтому, если вам повезет (или вы умны) в выборе начальной точки, у вас все будет хорошо (по аналогии, начало в Лос-Анджелесе может позволить вам достичь Долины Смерти с помощью локальной оптимизации, но начать в Нью-Йорке — нет — вы, вероятно, закончите где-нибудь в Нью-Джерси). Помогает ли эта аналогия? Может быть, и нет, но дело в том, что при локальной оптимизации очень важен ваш выбор отправной точки. (На нашем рисунке локальная оптимизация НЕ приведет вас к самой низкой точке — она перевернет вас в одну из впадин справа или слева от начальной точки «Вы здесь»).
Теперь рассмотрим глобальную оптимизацию. Это алгоритм, который каким-то образом смотрит на всю карту Error Function Land и (в конечном итоге) находит самую низкую точку независимо от того, с чего вы начали. Даже если вы начнете во Флориде, глобальная оптимизация в конечном итоге приведет вас в Долину Смерти, хотя, в зависимости от используемых методов, на самом деле это может занять очень много времени, и вам могут рассказать о многих других низких местах вдоль Кстати, некоторые из них могут быть достаточно низкими для ваших целей.Глупая аналогия? Возможно, но здесь следует помнить, что глобальная оптимизация учитывает все «пространство функций ошибок», поэтому ваша фактическая отправная точка гораздо менее критична. (На нашем рисунке глобальная оптимизация должна привести вас к желаемой нижней точке).
УПРОЩАЙТЕ ДИЗАЙН ОБЪЕКТИВА С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР, ПРОСТО В ИСПОЛЬЗОВАНИИ
УПРОЩАЙТЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБЪЕКТИВА С ПРОГРАММНЫМ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ САПР, ПРОСТО В ИСПОЛЬЗОВАНИИ
Рэндал Чиннок
Всего несколько лет назад у разработчиков оптических систем было мало вариантов программного обеспечения, которые могли бы помочь их в своих проектах.Хотя были доступны такие пакеты, как Beam от Stellar Software (Беркли, Калифорния), Oslo от Sinclair Optics (Фэйрпорт, Нью-Йорк) и Code V от Optical Research Associates (Пасадена, Калифорния), они работали в системах UNIX и часто сопровождались высокая цена покупки или аренды. Из этих пакетов Code V считался наиболее универсальным, но аренда в размере 10 000 долларов в год сделала его недоступным для многих разработчиков оптики.
За последние несколько лет в программном обеспечении для проектирования оптики произошла тихая революция.Со времен систем на основе Unix, которые могли использовать только опытные проектировщики оптики, программное обеспечение для проектирования оптики теперь доступно в виде простых в использовании продуктов на базе Windows. Сегодня пакеты оптического дизайна, которые можно приобрести всего за 1500 долларов, позволяют создавать сложные оптические конструкции за считанные недели.
Дизайн линз
Разработчики, столкнувшиеся с проблемой дизайна линз, представляют собой крупнейший рынок программного обеспечения для оптического дизайна. Независимо от того, работают ли они с микроскопами, телескопами, объективами камеры или проекционными объективами, им необходимо программное обеспечение, которое выполняет классическую трассировку лучей в соответствии с принципами геометрической оптики, где распространение и дифракция света в различных средах рассчитывается с использованием физики Ньютона.
Однако одним из ограничений методов трассировки лучей является то, что их нельзя использовать для проектирования элементов с длиной волны меньше 10 длин волн. Они также не подходят там, где задействованы когерентные эффекты и эффекты ближнего поля, например, в некоторых лазерах и в микроэлектрооптических конструкциях.
Zemax от Focus Software (Тусон, Аризона) типичен для более новых доступных пакетов оптического дизайна. Основатель, разработчик программного обеспечения и президент Кен Мур не скажет, сколько копий Zemax было продано его компанией, но он утверждает, что на рынке оптического дизайна он занимает 85–90%.Джим Ховард, президент OSTI (Северная Биллерика, Массачусетс), проектирует инфракрасное (ИК) оборудование с Zemax. «Zemax заменил Code V как наше предпочтительное программное обеспечение. Оно имеет больше возможностей и проще в использовании», — говорит он. Ховарду особенно нравится функция полинома Цернике, которая использует интерферометрические данные реальных линз для прогнозирования функций передачи модуляции и передачи модуляции.
Zemax — это программное обеспечение на базе Windows 3.0 / `95 / NT, которое может выполнять анализ допусков конструкций, включая использование моделирования Монте-Карло, где производительность системы многократно рассчитывается, поскольку системные переменные задаются в случайных комбинациях с их пределами допуска (см. Инжир.1). Результатом является «статистическое ожидание соответствия спецификации» — ценный показатель.
Доктор Магнанте из Brookfield Optical Systems (Брукфилд, Массачусетс) использовал Zemax для дизайна линз-точечных отверстий. В своей конструкции Магнанте разработал объектив камеры диаметром 0,375 дюйма, чтобы смотреть через отверстие диаметром 0,032 дюйма. Объектив также должен был улавливать свет телекамеры, иметь функцию масштабирования и сканировать поле зрения в 120o. «Функция многоконфигурации Zemax позволяла одновременно оптимизировать различные длины волн, механические ограничения, положения масштабирования, положения сканирования и углы поля», — говорит Маньянте.«Я также определил функцию качества на основе ключевых параметров. Это позволило программному обеспечению оптимизировать характеристики объектива».
В Zemax есть раскрывающиеся меню для очков от всех основных производителей, что избавляет от необходимости обращаться к каталогам оптики. Программное обеспечение содержит каталоги линз и зеркал, а также может автоматически адаптировать новый дизайн с использованием тестовых очков — «мастеров», заземленных и отполированных до того же радиуса, что и линзы, которые будут изготовлены, — имеющихся у различных производителей в США.Поместив линзу на тестовое стекло, полученное положение интерференционных полос показывает, насколько хорошо поверхность линзы соответствует идеалу. Это экономит много времени и денег при создании прототипа.
Сяохуэй Нин, вице-президент по науке и технологиям AOtec (Южный мост, Массачусетс), использовал Zemax для разработки проекционного дисплея. «Я разработал систему менее чем за неделю, включая допуски», — сообщает Нин. «Это была дифракционная гибридная конструкция, и она сработала впервые».
Непоследовательная трассировка лучей
Пакеты, такие как Zemax, которые являются последовательными трассировщиками лучей, ограничены в выполнении неограниченной трассировки лучей, отражения, преломления, рассеяния и освещения.Но для решения этой проблемы доступны непоследовательные трассировщики лучей. С помощью таких пакетов каждый сегмент луча может быть определен независимо, что позволяет инженеру разрабатывать системы, в которых свет ведет себя сложным образом. Такой пакет на базе Windows 3.0 / `95 / NT, OptiCAD от Opticad Corp. (Санта-Фе, Нью-Мексико), моделирует и оптимизирует системы с несколькими точечными или расширенными источниками, множественными отражениями и шероховатыми поверхностями, которые вызывают значительный рассеянный свет (см. Рис.2). Это делает его подходящим для систем, требующих прокладки нескольких оптических путей.
Майкл Левейл из Waters Corp. (Милфорд, Массачусетс) использует OptiCAD для моделирования проточных ячеек и капиллярных трубок, используемых в системах жидкостной хроматографии компании. «Нам нужна была функция непоследовательной трассировки лучей, чтобы смоделировать, как лучи действуют при прохождении через стеклянные трубки», — говорит Левей. «OptiCAD позволяет нам вводить коэффициенты поглощения для образца, протекающего через сердцевину трубки».
Некоторые пользователи жалуются на пользовательский интерфейс OptiCAD. Мур из Focus Software распространяет OptiCAD и признает проблемы с его интерфейсом.По словам Мура, версия 4.0, выпущенная в этом месяце, значительно улучшит интерфейс.
В связи с предстоящими улучшениями OptiCAD может стать хорошим выбором для проектирования систем освещения, включая лампы, отражатели, конусы, световоды и линзы. Сложные требования к освещению автомобильных приборных панелей — это приложение, в котором дизайнеры хотят осветить различные поверхности и объемы одним источником. Пакет может работать с диффузными поверхностями и гранеными отражателями, такими как те, которые используются в проекционных лампах.OptiCAD также может обмениваться файлами IGES с программами САПР, облегчая системную интеграцию. Альтернативы OptiCAD непоследовательной трассировки лучей включают Lighttools от Optical Research Associates, ASAP от Breault Research (Тусон, Аризона) и TracePro от Lambda Research Corp. (Гротон, Массачусетс).
Необычные системы
Первоначально разработанный отделом научных расчетов Харриса, ACCOS сейчас продается компанией Optikos (Кембридж, Массачусетс). Президент Стивен Фэнтоне считает, что это программное обеспечение наиболее полезно для моделирования и оптимизации специальных и необычных систем.Он ссылается на конструкцию ИК-канала передачи данных, который требовался для соединения светодиода с детектором. «Квадратный светодиодный кристалл излучает свет сверху и с боков, поэтому он был помещен в параболический отражатель для сбора бокового света», — сказал Фантоне. Над матрицей была асферическая линза для сбора света сверху и коллимации выходного сигнала. «Это была нетрадиционная проблема».
Пакет, работающий в Unix, DOS и Windows NT, нацелен на искушенных пользователей, говорит Фантоне. Другое доступное программное обеспечение, предназначенное для таких проектов, включает Code V от Optical Research Associates и Oslo Six от Sinclair Optics.
Физическая оптика
Подходы с отслеживанием лучей, как последовательными, так и непоследовательными, не могут решить множество проблем, связанных с физической оптикой. Физическая оптика рассматривает свет как волновое явление, при котором распространение света изучается с помощью волновых фронтов, а не лучей, как в геометрической оптике.
Для решения этих задач физической оптики программный пакет Glad от Applied Optics Research (Пасадена, Калифорния) использует сложное амплитудное описание волновых фронтов, которое позволяет моделировать дифракцию на всем пути распространения оптического луча.Это позволяет разработчикам определять коэффициент усиления лазера, рассчитывать нелинейную оптику и моделировать когерентные и некогерентные взаимодействия и другие физические эффекты. Приложения включают коммерческое проектирование лазеров, лазерные исследовательские эксперименты, резонаторы, фотолитографию, волноводы и фазовые пластины.
Дик Блейк из Sandia National Laboratories (Альбукерке, Нью-Мексико) использовал этот пакет для моделирования расширителей пучка и помощи в калибровке лазеров. Блейк нашел программу простой в использовании, если, по его словам, «вы достаточно продвинуты в геометрической и физической оптике.»
Дизайн покрытия
Беда проектировщиков оптики — рассеянный свет. Рассеянный свет затуманивает изображения, снижает яркость и вызывает нежелательные перекрестные помехи. Нанесение тонких пленок на оптические элементы уменьшает эту проблему. отражения, вызванные изменением показателя преломления на поверхности линзы (обычно поверхность раздела воздух-стекло).
Для видимых областей применения наиболее распространенным просветляющим покрытием является фторид магния, который снижает коэффициент отражения с нескольких процентов до примерно 1% .Высокоэффективное просветляющее покрытие состоит из нескольких слоев из разных материалов и может уменьшить отражение от 0,05% до 0,5%. Для некоторых дизайнов требуются поверхности с высокой отражающей способностью. Здесь прозрачные подложки покрыты металлами, такими как серебро и алюминий, для обеспечения высокой отражательной способности. Дихроичные фильтры также могут быть созданы путем нанесения «стопок» покрывающих слоев на прозрачные подложки, так что фильтры пропускают только определенные диапазоны волн света.
Большинство разработчиков оптики не разрабатывают покрытия.Как правило, они предоставляют спецификации для покрытия, а процесс покрытия отправляется специализированному производителю. Однако при проектировании мощной лазерной системы, когда важны поляризационные эффекты или когда существуют другие необычные требования, может возникнуть необходимость взять на себя задачу нанесения покрытия. Здесь пакет MacLeod от Центра тонкой пленки (Тусон, Аризона) является предпочтительным программным пакетом. МакЛеод может моделировать импульсную характеристику покрытий, подвергающихся воздействию сверхбыстрых световых импульсов, например, используемых в телекоммуникационных приложениях.Он также может работать вместе с Zemax, чтобы обеспечить более высокий уровень оптимизации системы.
С чего начать
Один из самых сложных аспектов оптического дизайна, особенно для новичка, — это знать, с чего начать. Для изобретателя, патентного поверенного, инженера-конструктора или менеджера проекта пакет LensView на базе Windows 3.0 и 95 от компании Optical Data Solutions (Хайленд-Парк, штат Нью-Джерси) содержит большинство оптических конструкций, обнаруженных в патентной литературе США с конца 1800-х годов. в настоящее время.К ним относятся чертежи, данные о рецептах на оптические устройства, информацию об изобретателе и образец текста формулы изобретения (см. Рис. 3). Его база данных позволяет проектировщику выполнять поиск по типу объектива, фокусному расстоянию и увеличению. Данные также можно экспортировать в Zemax, Code V и другие форматы.
Чтобы выбрать объектив, дизайнеры могли указать, например, 28-мм объектив с фиксированным фокусным расстоянием f / 2,8 и изменить дизайн, найденный на упаковке. Вопросы нарушения патентных прав могут быть рассмотрены, хотя срок действия патентов на многие образцы истек, и часто нетрудно изменить такие образцы, чтобы они не нарушали какие-либо патенты.Последняя версия программного обеспечения предлагает 18 000 дизайнов линз. И за 2000 долларов, включая год ежеквартальных обновлений, это разумная цена.
Нет панацеи
По мере того, как список доступных пакетов программного обеспечения для проектирования оптики продолжает расти, каждый пакет находит определенную нишу для проектирования (см. Таблицу). Каждый пакет лучше всего подходит для определенных задач и ограничен для других. Некоторые пакеты практичны для случайного дизайнера, а некоторые требуют сотни часов обучения, чтобы стать профессионалом.
Наиболее важно то, что неопытный проектировщик должен учитывать вопросы стоимости, изготовления, сборки и тестирования, связанные с проектированием. Программное обеспечение для проектирования оптики не всегда может ответить на такие вопросы, как линзы какой формы можно изготавливать с экономической точки зрения, какие допуски могут быть достигнуты при разумных затратах и с какими материалами лучше всего работать.
Большинство прототипов стоят многие тысячи долларов, и их изготовление обычно занимает 8-16 недель, поэтому, хотя стоимость программного обеспечения достаточно низка, чтобы новичок мог экспериментировать, лучше всего проконсультироваться с опытным дизайнером, прежде чем резать стекло.
РИСУНОК 1. Zemax может моделировать зум-объективы любой сложности. Здесь девятипозиционный зум-объектив показан одновременно в четырех разных положениях зума. Также показано заштрихованное изображение модели части линзы, точечная диаграмма и расширенное исходное изображение.
РИСУНОК 2. Opticad может выполнять непоследовательную трассировку лучей призмы Аббе. Коллимированный луч, входящий слева, проходит через расширитель луча, затем через призму Аббе с внутренней крышей и, наконец, через редуктор луча.
РИСУНОК 3. LensVIEW — это пакет для Windows, который позволяет дизайнерам выполнять поиск в базе данных объективов, перечислять данные об объективах и рисовать графику.
Проектирование и сборка оптики, Проектирование оптических систем
Hyperion Optics работает с более чем 40 кастомами проекты точной сборки ежегодно, от прототипа до массового производство. Наши линзы в сборе варьируются от линз объективов микроскопов, расширителей до Линзы SWIR / MWIR / LWIR и многое другое. С нашими надежными оптическими и механическими Благодаря конструктивным возможностям мы уверены в выполнении сложных монтажных работ.
Наши услуги по проектированию оптики включают технико-экономическое обоснование, проверку проектных спецификаций, предварительный анализ проекта и создание прототипов для серийного производства.
Нам нравятся проекты LRIP (Low-Ratio Initial Production) и Proof-of-Concept, которые могут быть сложными для большинства оптических компаний, учитывая низкое стартовое количество. Наш типовые проекты LRIP занимают около 1-2 недель на предварительный дизайн разработка и обзор, еще 4-6 недель на прототипирование и сборку, и, наконец, 1 неделя на финальную тестирование и осмотр.Таким образом, мы можем помочь вам быстро запустить ваш проект и воплотить его в жизнь в течение короткого цикла прототипирования продолжительностью 7-8 недель. Данный Благодаря нашему опыту и знаниям в области проектирования и производства оптики, наше дизайнерское решение в значительной степени основано на DFM (дизайн для обеспечения технологичности), поэтому гарантия соответствия фактической производительности и осуществимости при выходе на рынок стратегии.
Блок-схема стандартной оптической конструкции
Дополнение Наши услуги по проектированию. Hyperion — это универсальный поставщик оптики с полным набором возможностей различных индивидуальных оптических компонентов, от одиночных линз до сложных асферических поверхностей по всему спектру.Эта особенность значительно упрощает процесс закупок. Собственные стандарты обеспечения качества (ISO: 9001 соответствует требованиям) обеспечивает спокойствие нашим клиентам, которые могут рассчитывать на нас в надежной и высококачественной доставке.
Нам удобно изготавливать системы, включающие DOE, асферическую поверхность с оптическими стеклами, такие как Schott / Ohara / CDGM / NHG, и материалы для инфракрасного излучения, такие как халькогенид и ZnS. Пожалуйста, обратитесь к нашим возможностям по производству инфракрасных и высокоточных компонентов для получения более подробной информации.
В нашем процесса проектирования, наша обычная практика включает в себя совместное использование самый последний каталог стекла и данные показателя преломления от CDGM и NHG для наших клиентов. В некоторых случаях мы предлагаем фактический протестированный индекс R через VIS до 2500 нм для различных материалов при запрос. Наши инженеры рады исследовать материальная осуществимость и доступность на наших ресурсах и банках данных.
Один Уникальное преимущество, которое мы предлагаем в оптическом дизайне, заключается в том, что вы получаете полную поддержку со стороны производственной группы Hyperion, когда мы сотрудничаем над дизайнерским проектом.К сочетая наш опыт проектирования оптики с производственным опытом, мы может выполнять анализ производственных допусков и затрат, технико-экономическое обоснование и определение спецификации с гораздо большей точностью. На свидание, мы накопили портфель примеров проектирования, с помощью которых Hyperion помог создать рентабельные системы с оптимальной производительностью (без чрезмерных спецификаций). компоненты), обеспечивая при этом успешное прототип в первом запуске.
Hyperion Optics производит и собирает компоненты, необходимые в вашей оптической системе, позволяющие достичь ваших целей за меньшее количество и более эффективных шагов.Наши команды по оптическому проектированию и производству постоянно оценивать, чтобы прийти к наиболее экономичному решению с помощью творческих мышление и оптимизация. Благодаря нашей комплексной метрологии, Комплексный процесс Hyperion может помочь гарантировать точность результатов и производительность приложения. Мы стремимся предложить вам объективы высшего качества. сборка при оптимальном бюджете.
Мы обслуживаем клиентов, которым необходим комплексный услуги от проектирования, оптики до производства и сборки.Наш команда из 15 инженеров-оптиков и механиков проводит кропотливые исследования и изучение конечного приложения, чтобы убедиться, что наше окончательное решение будет без проблем работать в вашей системе. Дальнейшая корректировка и оптимизация дизайна также применимо на основе фактического использования и тестирования.
Гипериона Пакет Premium Optical Design Package предлагает:
- Бесплатная консультация по дизайну: Мы предлагаем бесплатную предварительную разработку и проверку дизайна для вашего концептуальное технико-экономическое обоснование, включая моделирование MTF и практические предложения.
- Рекомендация по материалам: Обладая более чем десятилетним опытом работы со стеклом поставщиков, мы всегда предлагаем самый экономичный и надежный материал смесь для вашего раствора для сборки линз.
- Анализ параметров (при специальный запрос): У вас есть лучшее понимание требований к вашей системе и приложению. Мы с радостью предоставим дополнительные моделирование и анализ на основе интересов наших клиентов во время проектирования сцена.
- Строгий контроль качества: Hyperion назначает специальную команду контроля качества на основе проекта исключительно для объективов. дизайн-проекты, в состав которого входят ведущие инспекторы и квалифицированные инженеры для Наблюдать за прототипированием, сборкой, вплоть до окончательной проверки. Эта команда Совместно руководят непосредственно руководитель отдела разработки и руководитель отдела обеспечения качества.
- Пользовательская проверка Требование: Мы понимаем что у каждой линзы в сборе есть свои уникальные критерии приемлемости.Гиперион Оптика активно работает с заказчиком над разработкой наиболее подходящей проверки методы и инвестировать в необходимые процедуры на основе нашей текущей метрологии настраивать.
Просмотрите наши рекомендуемые сборки объективов категорию, чтобы узнать, в каких проектах мы можем вам помочь. Если вам нужен индивидуальный дизайн, свяжитесь с нашим техническим отделом продаж, чтобы начать «Создайте свой собственный объектив» процесс.
Nikon | Технологии и дизайн
Естественное трехмерное воспроизведение зависит от боке
Фотоаппарат запечатлел незаменимый момент, который, согласно чувствам и намерениям фотографа, больше никогда не повторится.Для этого объектив должен обеспечивать не только разрешение, но и различные качества, такие как боке, воспроизведение текстур и ощущение глубины — то, что мы называем характеристиками объектива.
В последнее время Nikon стремится к естественному трехмерному изображению. Делая акцент на идеально плавном переходе боке из сфокусированной области, Nikon разрабатывает линзы, которые привносят ощущение трехмерности в двухмерный мир фотографии.
Эти боке связаны с аберрациями объектива.Аберрации — это искажения между идеальным оптическим изображением и реальным изображением, и они бывают разных форм: сферическая аберрация, кома, астигматизм, кривизна поля, хроматическая аберрация и т. Д. Теоретически идеальный объектив не будет производить аберраций, но в действительности они остаются по разным причинам. Как компенсировать каждую аберрацию и уравновесить их, в зависимости от характеристик объектива, — вот «ценности» объектива в оптической конструкции. В связи с этим боке не может быть получено в результате постобработки изображения, когда оно стало двумерными данными.Это похоже на то, когда аналоговая информация оцифровывается, поскольку исходная аналоговая информация никогда не может быть воспроизведена. Это выражение, которое может создать только объектив с определенными характеристиками.
Раньше было сложно анализировать характеристики объектива, и такие нюансы передавались устно от одного дизайнера к другому. Это чрезвычайно затрудняло воспроизведение характеристик существующего объектива.
Ситуация изменилась, когда Nikon разработал методы оценки объектива, позволяющие измерять различные характеристики, включая аберрации.С тех пор, как они были представлены в 2013 году, появилась возможность разрабатывать линзы, отвечающие замыслам дизайнеров, в гораздо более короткие сроки.
Измерение нюансов путем анализа аберрации волнового фронта
Одним из таких методов является анализатор оптических характеристик и общего изображения (OPTIA), устройство для измерения аберраций. OPTIA была создана путем перепрофилирования метода измерения «аберрация волнового фронта * », первоначально использовавшегося для оценки линз в системах полупроводниковой литографии, и его применения к объективам фотоаппаратов.
Информация об аберрации волнового фронта включает данные, влияющие на боке. Другими словами, измеряя и затем анализируя аберрацию волнового фронта, можно получить характеристики каждой линзы.
Возможность измерения характеристик объектива под разными углами позволяет более тщательно контролировать качество. Это также позволяет понять характеристики легендарных старых линз, которые можно будет исследовать и использовать при разработке линз в будущем.
Характеристики объектива можно измерить с помощью OPTIA.Кроме того, поскольку человеческая чувствительность определяет, является ли изображение на самом деле хорошим или плохим, для оценки того, какое изображение будет создано с этими характеристиками, необходимы человеческие глаза. В прошлом прототип объектива производился физически и неоднократно использовался для получения изображений для оценки. Однако теперь можно подтвердить эффект боке, воспроизведение текстур и т. Д., Посмотрев на смоделированное изображение, созданное имитатором изображения.
OPTIA предоставляет дизайнерам данные для использования в качестве руководства, а имитатор изображения создает моделирование на основе дизайна.Эти методы привели к крупным инновациям не только в уровне контроля качества производства линз, но и в процессе разработки линз. Такие нововведения поддерживают стремление Nikon постоянно поднимать планку развития объективов.
Примеры линз, созданных с помощью OPTIA
Следующие ниже линзы были разработаны с использованием OPTIA и имитатора изображения и показаны вместе с изображениями, представляющими их характеристики.
NIKKOR Z 50mm f / 1.8 S
AF-S NIKKOR 35 мм f / 1.8G ED
AF-S NIKKOR 58mm f / 1.4G
AF-S NIKKOR 105 мм f / 1.4E ED
Внутренние знания, необходимые для развития
Я отвечаю за механическое проектирование и являюсь лидером разработки OPTIA с самого начала проекта. Аберрацию волнового фронта нельзя измерить одним показанием. Необходимо снять несколько показаний для таких вещей, как местоположение объекта, расстояние съемки и длина световой волны. Условия измерения различаются от объектива к объективу, и существуют огромные различия.Это означает, что OPTIA имеет много движущихся частей и источников света, которые необходимо переключать, и было трудно сделать компоненты практичного размера. Было особенно сложно устранить позиционные различия между альбомной и портретной ориентацией объектива. Учитывая механическую структуру, устройство получилось бы нереально большим. Воспользовавшись мудростью конструкторов оптики, мы смогли разработать устройство, которое одновременно измеряет различия положения, а затем исправляет их позже.
Я отвечал за алгоритм датчика для измерения волнового фронта, а также за анализ факторов оптических ошибок и т. Д. Я присоединился к проекту на втором году своей работы в компании и по-прежнему участвую в нем. Фотографические предпочтения становятся все более разнообразными; например, при увеличении разрешения предпочтение отдается изображениям с определенными характеристиками. В будущем некоторые люди могут почувствовать, что более интересно сохранять определенные виды аберраций в объективе. Чтобы удовлетворить такие потребности, я считаю, что предложение разнообразной линейки объективов, таких как объективы, максимально устраняющие аберрации, и объективы, сохраняющие определенные характеристики, сделает фотографию более приятной для всех.Хотя на данный момент это может показаться нереалистичным с точки зрения затрат, возможно, было бы не так уж невероятно предоставить полностью настраиваемый объектив, который точно соответствует точным предпочтениям пользователя в какой-то момент в будущем.
Я отвечал за организацию проекта как руководитель разработки симуляторов изображений. Изображение, созданное симулятором, имеет чрезвычайно высокое разрешение, поэтому его можно оценивать почти так же, как реальное изображение. Благодаря этому стало проще, чем когда-либо, отразить в объективе точные намерения дизайнеров.
Я считаю, что OPTIA и имитатор изображений значительно расширили область, в которой могут работать дизайнеры. Поскольку в моделировании используется такой большой объем данных, было трудно выбрать подходящие условия. К счастью, внутри компании идет активное сотрудничество, поэтому мы всегда можем свободно консультироваться с дизайнерами и использовать их разнообразные знания. Воспользовавшись этой средой, я смог разработать системы, которые обеспечили правильное решение, проконсультировавшись с разными людьми, которые обладали ноу-хау, необходимым для достижения моей цели.
- * Должности и обязанности указаны на момент собеседования
Первоначально опубликовано: 30 сентября 2019 г.
Оптический дизайн | Разработка оптических систем
Специализация в области оптического дизайна
- Линзы для формирования изображений, сканирования и микролитографии
- Системы без визуализации и освещения
- Объективы микроскопа
- Системы визуализации от УФ до LWIR
- Телескопы
- Формирователи лазерного луча
- Системы масштабирования
- Линзы Френеля
Оптико-механическая конструкция
Наш процесс оптико-механического проектирования может работать рука об руку с нашим процессом проектирования оптики.Поскольку мы специализируемся на оптических системах и знаем, что механика, окружающая оптику, может быть так же важна, как и сама оптика, мы работаем, чтобы полностью понять ваши потребности и ограничения в конструкции. Поскольку наш опыт распространяется на материалы, шестерни, приспособления и обработку, мы принимаем все это во внимание при проектировании вашей системы в SolidWorks или CAD.
Мы также предлагаем клиентам возможность воспользоваться нашим сервисом Discovery. После анализа вашего проекта мы предоставим вам подробный отчет о наших результатах, рекомендуемых решениях и возможных путях реализации, если вам потребуется дополнительная помощь в проекте.
Инженерия оптических систем
Инженеры-оптикиRPO разрабатывают и устраняют неисправности во многих областях техники, от бытовой электроники до беспилотных авиационных систем и биомедицинских приложений.
Мы видим за пределами объектива во всем, что делаем. Поскольку мы фокусируемся на производительности системы и уравновешиваем практические вопросы, такие как ограничения по стоимости и времени, мы помогаем нашим клиентам выводить свои продукты на рынок лучше и быстрее. Это то, что отличает наших инженеров от других команд.
Некоторые из наших типичных инженерных задач включают:
- Улучшение или оптимизация существующей системы
- Разработка требований к новой системе
- Разработка начального подхода
- Проектирование отдельных компонентов
- Выбор стандартных компонентов
- Проектирование всей системы от источника до детектора
- Повышение технологичности действующей системы
- Создание и тестирование компонентов или полной системы
Мы известны своим строгим подходом к решению проблем и применением нашего обширного опыта в самых сложных вопросах проектирования.В наших инженерных задачах мы подходим к проблемам с мышлением понимания, новаторства и реализации. На протяжении всей нашей инженерной работы наша политика заключается в том, чтобы анализировать, измерять и тестировать при каждой возможности.
Инженерные услугиRPO могут обеспечить беспрепятственный и экономичный путь разработки продукта от дизайна до прототипа и крупносерийного производства.
Объяснение оптических аномалий и исправлений линз
Если вы потратите много времени на просмотр раздела линз на веб-сайте B&H или следите за последними объявлениями о новом стекле, вы, вероятно, столкнетесь с рядом фраз, которые не изначально известен тем, у кого нет глубокого, отточенного понимания фотографических и оптических фанатиков.Научно звучащие слова, такие как асферические элементы, хроматическая аберрация, кома, низкая дисперсия и высокий показатель преломления, для непрофессионала часто приводят к неточным представлениям о том, как работает объектив или что он делает для лучшего качества изображения. Но что именно делает элемент с аномальной частичной дисперсией? А почему вам не нужна сферическая аберрация? Этот глоссарий терминов и объяснений должен помочь разобраться в некоторых лингвистических и концептуальных препятствиях, с которыми сталкиваются при изучении нового объектива.
АберрацияВ самом основном определении аберрация — это то, что отклоняется от нормы, обычно нежелательным образом.Что касается оптики, это описывает неспособность лучей света, проходящих через линзу, сходиться в одной точке. Аберрации делятся на две категории: хроматические и монохроматические, которые затем подразделяются на определенные типы каждой аберрации.
Хроматическая аберрация
Хроматическая аберрация, одна из наиболее часто называемых оптических аномалий и одна из основных причин, по которой продолжают развиваться новые линзы, описывает то, как линза не может сфокусировать цветовые волны различной длины в одной и той же точке.Вспомните свои уроки физики и вспомните цветовой спектр и то, как вы можете использовать призму, чтобы разделить белый свет на радугу; По сути, это то, что происходит, когда свет достигает вашей линзы и рассеивается. Хорошо спроектированные линзы могут реорганизовывать этот свет и фокусировать каждую длину волны в одной и той же точке, обеспечивая высокую точность цветопередачи и совмещения.
Пример хроматической аберрации, когда длины волн красного, зеленого и синего не сходятся в одной точке, вызывая цветную окантовку.
С практической точки зрения, хроматические аберрации обычно называют цветной окантовкой. Это чаще всего наблюдается в высококонтрастных ситуациях, когда темный объект помещается на ярком фоне. Если объектив не может корректировать хроматическую аберрацию, края объекта приобретают цветную дымку, часто пурпурную, но иногда и ряд других цветов, что также снижает четкость и кажущуюся резкость. Вместо того, чтобы ваше изображение было черным объектом на белом фоне, изображение, зараженное хроматической аберрацией, покажет этот черный объект, окруженный размытой «полосой» цвета перед белым фоном.Усовершенствуя эту концепцию, хроматические аберрации обычно делятся на два поджанра:
Сильная хроматическая аберрация присутствует по краям жалюзи, где видна красная, зеленая и синяя окантовка.
Продольная хроматическая аберрация Этот тип аберрации возникает, когда волны разного цвета не сходятся в одной и той же точке, что приводит к появлению цветных полос вокруг объектов на всем изображении от центра к краям.Продольные хроматические аберрации чаще всего возникают при более широких настройках диафрагмы, и их можно контролировать, остановив объектив.
Боковая хроматическая аберрация Этот тип аберрации возникает, когда световые волны разных длин (цветов) фокусируются в одной плоскости, но в разных положениях из-за угла, под которым свет попадает в линзу. Боковые хроматические аберрации видны только по краям кадра, а не в центре, и их нельзя исправить, остановив объектив.Вместо этого вы должны полагаться на пост-продакшн или решения в камере, чтобы уменьшить этот тип аберрации.
Хорошо скорректированные, более сложные оптические конструкции успешно справляются с обоими этими типами аберраций, при этом более низкое качество, а иногда и более экстремальные конструкции линз («рыбий глаз» или сверхбыстрые линзы) подвержены хроматической аберрации.
Монохроматическая аберрация
Монохроматическая аберрация вызывается одной длиной волны, а не разными (окрашенными) длинами волн.Их называют монохроматическими, потому что аберрации возникают из-за несовершенства оптической конструкции линз и не зависят от цвета и фокусировки различных длин волн.
Сферическая аберрация Этот тип аберрации возникает из-за того, что световые лучи входят в линзу, а не сходятся в одной точке. Сферические элементы линз меньше преломляют лучи, когда они входят вдоль горизонтальной оси — перпендикулярно плоскости пленки или сенсора, — чем лучи, которые входят в линзу ближе к периферии.Из-за этой разницы в преломлении световые лучи, которые входят в линзу параллельно, не сходятся в одной и той же точке после прохождения через оптику. Короче говоря, невозможность добиться такой конвергенции может вызвать заметное снижение четкости, резкости и разрешения изображения.
Пример сферической аберрации, когда различные световые лучи не сходятся в одной и той же точке, что приводит к потере четкости и резкости.
Кома (также называемая коматической аберрацией) Кома — это эффект, который возникает, когда световые лучи от точечных источников проходят через линзу под углом, а не прямо.Когда конструкция линзы не может сфокусировать эти угловые световые лучи в одной и той же точке, точечный источник света будет изображен в виде светового пятна в форме капли или кометы, а не круглого светового пятна. Подобно сферической аберрации, кому можно свести к минимуму, опустив линзу.
Пример комы, когда угловые световые лучи приводят к тому, что точечные источники света воспроизводятся в форме капли, а не в виде круглой подсветки.
Каплевидные блики на этом изображении являются примером коматической аберрации.
Астигматизм Одна из наиболее сложных аберраций для описания, астигматизм по своей концепции аналогичен коме и вызван тем, что лучи, попадающие в линзу вдоль сагиттальной плоскости, фокусируются в другой точке, чем лучи вдоль тангенциальной плоскости. Это вызывает искажение по краям и углам изображения. Астигматизм в некоторой степени присутствует во всех линзах, но более заметен в тех случаях, когда оптическая конструкция не полностью параллельна или симметрична.Как и другие монохроматические аберрации, эффекты астигматизма можно уменьшить, остановив линзу.
Кривизна поля Связанная с астигматизмом, кривизной поля или кривизной поля, это естественная аберрация практически всех линз из-за их изогнутой структуры и того, как они проецируют свет на плоский датчик или плоскость пленки. Поскольку линза естественно излучает свет изогнутым образом, края и углы изображения могут казаться мягкими или искаженными по сравнению с более резкой центральной областью изображения.Чтобы еще больше усложнить проблему, некоторые линзы не проецируют кривизну поля чистой формы и, скорее, имеют более абстрактную, волнообразную кривизну поля из-за различных комбинаций различных элементов объектива. Кривизну поля можно увидеть с помощью диаграммы MTF объектива, где провалы, кривые или наклоны линий указывают относительную резкость от центра кадра к краям. Остановка линзы, опять же, может уменьшить влияние кривизны поля.
Пример сильной кривизны поля. Это изображение показывает резкую центральную область с сильным размытием и искажением по углам и краям кадра.
Искажение Наконец, искажение — это форма аберрации, которая описывает, когда изображение, созданное линзой, не сохраняет свою прямолинейность. В зависимости от типа используемого объектива возникают две основные формы искажения: бочкообразное искажение и подушкообразное искажение. Типы искажений, которые они описывают, являются самореферентными: бочкообразное искажение может привести к выпуклости прямых линий по направлению к краям изображения (как деревянная бочка), а искажение в виде подушкообразных подушечек создает прямые линии с изгибом к центру (как подушка).Оба эти искажения чаще всего наблюдаются в зум-объективах, особенно в более широком диапазоне их диапазона фокусных расстояний, но могут также проявляться в некоторых фиксированных объективах, особенно с широким или большим фокусным расстоянием. Широкоугольные объективы чаще всего демонстрируют бочкообразное искажение, а телеобъективы имеют тенденцию демонстрировать некоторую форму подушкообразного искажения. Кроме того, также возможен третий тип искажения — искажение усов. Это комбинация бочкообразного искажения в центре и подушкообразного искажения по краям изображения и названа в честь формы преувеличенных усов (вспомните Капитана Крюка).
| Деформация ствола | Подушкообразное искажение | Искажение усов |
| | |
| На этой фотографии видно заметное бочкообразное искажение с небольшим искажением усов по краям. | На этом фото показано подушкообразное искажение. |
Последняя оптическая аномалия, связанная со сферической аберрацией, — это смещение фокуса. Технически это не аберрация, эта проблема возникает, когда изображение фокусируется на максимальной диафрагме объектива, прежде чем остановиться, чтобы сделать изображение, что приводит к нечеткой фотографии. Общая для объективов с фиксированным фокусным расстоянием с высокой светосилой, эта проблема заключается в том, что неисправленный объектив используется самым ошибочным образом для получения фокуса (широко открытый), а затем его сферическая аберрация исправляется путем остановки, несмотря на то, что точка, в которой световые лучи сходятся больше не в плоскости предполагаемого фокуса.Эта проблема не только влияет на более светосильные объективы, но и часто возникает при работе с объектами крупным планом, поскольку потеря фокуса на дюйм на рабочем расстоянии в один фут более значительна, чем потеря фокуса на дюйм на объекте, находящемся на расстоянии тридцати футов.
Сдвиг фокуса может происходить при использовании ручной автофокусировки или автофокусировки (с определением фазы), поскольку в обоих случаях фокусировка достигается при максимальной диафрагме объектива. Несколько способов исправить смещение фокуса включают в себя некую форму компромисса, который обычно влияет на работу вашего объектива или камеры в других ситуациях.Вы можете использовать настройки точной настройки автофокуса, чтобы целенаправленно ввести передний или задний фокус для компенсации смещения фокуса. Вы можете работать с упреждающей фокусировкой или фокусировкой с определением контраста, поскольку эти методы могут работать с объективами с диафрагмой меньше максимальной. Наконец, вы можете просто полагаться на глубину резкости, чтобы компенсировать незначительное смещение фокуса на близком расстоянии.
Теперь, когда мы рассмотрели хороший набор аберраций, с которыми вы обязательно столкнетесь, давайте взглянем на некоторые способы исправления или минимизации этих аберраций.
Корректирующие элементыАсферический элемент
Одним из наиболее распространенных типов специализированных элементов, выделяемых при описании характеристик линз, является асферический элемент. Это именно то, что звучит: элемент линзы, отшлифованный, отформованный или иным образом приданный в форму, которая не является полностью сферической. Как упоминалось выше в отношении сферических аберраций, простой сферический элемент не способен преломлять световые лучи в одну точку схождения из-за своей изогнутой формы.С другой стороны, асферический элемент может более эффективно фокусировать лучи, входящие с краев и углов, чтобы уменьшить сферическую аберрацию, кому и астигматизм. Асферические элементы, как правило, более полезны при более широких фокусных расстояниях, хотя они присутствуют в некоторых более длинных телеобъективах. Кроме того, в конструкцию линзы добавляются асферические элементы, чтобы заменить множество сферических элементов, тем самым уменьшая вес и сложность конструкции линзы.
| Сферическая линза | Асферическая линза |
Стекло с низкой дисперсией
Часто используется с различной степенью интенсивности, такой как сверхнизкая, сверхнизкая или сверхнизкая дисперсия, а также аномальная дисперсия или аномальная частичная дисперсия, короче говоря, стекло с низкой дисперсией используется для уменьшения или контроля эффектов. хроматической аберрации.Поскольку для коррекции монохроматических аберраций обычно используются асферические элементы, для борьбы с продольными и поперечными хроматическими аберрациями используются различные типы стекла с низкой дисперсией. Этот особый тип стекла обеспечивает одинаковое преломление цветных световых лучей для достижения надлежащей конвергенции и совмещения каждого из них, в результате чего на изображениях отсутствует цветная окантовка. Так же, как асферические элементы чаще встречаются в объективах с широким и нормальным фокусным расстоянием, стекло с низкой дисперсией чаще используется в конструкциях объективов с большим фокусным расстоянием и телеобъективов.
Этот апохроматический дизайн показывает, что длина волн красного, зеленого и синего цветов сходится в одной точке, что приводит к нейтральному цветовому балансу без окаймления.
Флюоритовый элемент
Особый тип элемента с низкой дисперсией, эти элементы, обычно встречающиеся в телеобъективах, состоят из встречающегося в природе, хотя в настоящее время производимого синтетическим путем, типа кристалла, который имеет особенно низкую дисперсию и низкий показатель преломления. По сравнению с другими типами стекла с низкой дисперсией флюоритовые элементы используются для значительного уменьшения хроматических аберраций, а также имеют меньший вес, чем их стеклянные аналоги.Недостатком флюорита является то, что это более дорогой и длительный процесс производства этого материала по сравнению с другими типами стекла с низкой дисперсией и, как таковой, используется для более экзотических и сложных конструкций линз.
Флюорит, представленный в различных формах, используется для уменьшения хроматических аберраций.
Апохромат
Что касается вышеупомянутых тем, апохроматическая линза, также называемая апохроматом или обозначенная включением Apo в название линзы, представляет собой конструкцию линзы с высокой степенью коррекции, которая должна создавать изображения с меньшим количеством хроматических и сферических аберраций, чем другие современные линзы, специально называемые ахроматы (или ахроматические линзы).Все современные линзы попадают в одну из этих двух свободно определенных категорий, хотя исторически простые линзы также относятся к третьей категории. В то время как ахроматы предназначены для фокусировки красных и синих длин волн в одной и той же плоскости, чтобы уменьшить наиболее распространенные типы цветовой окантовки, апохроматы дополнительно исследуют точность цветопередачи, также фокусируя длины волн зеленого цвета в одной и той же точке, чтобы дополнительно минимизировать хроматические аберрации. . Кроме того, апохроматы более искусны в уменьшении сферических аберраций, чем ахроматы.
Дифракционная оптика и фазовые элементы Френеля
Относительно новинка в мире оптики, которую можно увидеть только в нескольких телеобъективах от пары известных производителей. Дифракционная оптика и фазовые элементы Френеля являются еще одним средством уменьшения хроматических аберраций. Вместо того, чтобы полагаться на специальные типы стекла, чтобы влиять на преломление света разных длин волн, эти элементы физически регулируют путь света до его фокусировки. Сами элементы состоят из небольших концентрических кругов (а-ля Френель) и соединены с общим преломляющим элементом в конструкции линзы.Затем это сочетание существенно расфокусирует и, точнее, перефокусирует разноцветные волны на одну и ту же точку, чем другие оптические комбинации. И это сделано таким образом, чтобы избежать использования нескольких стеклянных элементов, тем самым снижая вес всей конструкции. Недостатком элементов дифракционной оптики и фазового Френеля является то, что они могут способствовать более интенсивной вспышке при фотографировании сильных точечных источников света, которые можно исправить только во время постобработки.
Дифракционная оптика / фазовая конструкция Френеля, этот тип элемента напоминает линзу Френеля и помогает контролировать аберрации и устраняет необходимость в использовании нескольких стеклянных элементов.
Элемент с высоким показателем преломления
Другой тип элементов, задачей которых является замена нескольких «обычных» стеклянных элементов для уменьшения общего веса, стекло с высоким показателем преломления используется для коррекции кривизны поля и других монохроматических аберраций для повышения четкости и резкости.
Плавающие элементы
Специально разработанный для улучшения качества изображения на более близких дистанциях фокусировки, плавающий элемент или система плавающих элементов представляет собой отдельный элемент или группу оптических элементов, которые регулируют свое положение во время фокусировки для обеспечения стабильной работы во всем диапазоне фокусировки.Многие из вышеупомянутых корректирующих элементов и методов применяются для уменьшения аберраций при фокусировке на бесконечность и больше не так полезны при фокусировке на объектах с близкого расстояния. За счет реализации элемента или группы элементов, которые меняют свое положение во время фокусировки, эффекты корректирующих элементов сохраняются.
Эта конструкция с плавающими элементами показывает, как перемещаются только задние группы для регулировки фокуса, чтобы обеспечить стабильную работу во всем диапазоне фокусировки.
Дизайн линз
Фундаментальные принципы конструирования офтальмологических линз начинаются с понимания того, как линзы передают силу.
ФОКУСНАЯ МОЩНОСТЬ
Способность линзы преломлять и фокусировать свет — либо сужая, либо рассеивая его — обозначается как ее фокусная сила или сила преломления . Фокусная сила линзы просто равна чистому эффекту ее передней и задней поверхностей. Когда рефракционист выписывает рецепт на офтальмологические линзы, он / она указывает фокусную силу линзы.Фокусная сила линзы, диоптрий , определяется как: *
Фокусная сила = мощность передней поверхности + мощность задней поверхности
или
P = F + B
Где (P) — фокусная сила в диоптриях, (F) — это сила на передней поверхности в диоптриях, а (B) — это сила на задней поверхности в диоптриях. И фокусная сила, и поверхностная сила измеряются в единицах, называемых диоптрия rs (сокращенно «D»).
Например, рассмотрим объектив с 6.00 D передний изгиб и -4.00 D задний изгиб. Фокусная сила (P) равна F + B = 6,00 + (-4,00) = +2,00 D.
* Это приближение для простоты математики; формула становится немного более сложной, если учесть толщину линзы.
ФОРМА ОБЪЕКТИВА
Взаимосвязь между кривыми передней и задней поверхности линзы обозначается как форма линзы (или профиль линзы ). Линза с заданной фокусной силой может быть изготовлена из множества различных форм линз, пока сумма оптической силы передней и задней поверхности остается постоянной — или, по крайней мере, почти таковой (без учета толщины).Заданная оптическая сила линзы может быть произведена с помощью почти бесконечного разнообразия форм линз, пока сумма оптической силы передней и задней поверхностей остается равной желаемой фокусной оптической силе.
Исторически очковые линзы делятся на одну из двух основных категорий линз:
- Изогнутые линзы: Современные линзы обычно имеют форму изогнутых или мениска — что означает «полумесяц». Изогнутые линзы используют выпуклых передних изгибов и вогнутых задних изгибов.
- Плоские линзы: Самыми ранними формами линз были плоские . Для линз плюс плоские линзы используют либо выпуклые изгибы , для передней и задней части (т. Е. Двояковыпуклые линзы ), либо одну выпуклую кривую и одну плоскую кривую (плоскую) (т. Е. плосковыпуклые линзы ). Для линз минус плоские линзы используют либо вогнутую кривую как для передней, так и задней части (т. Е. двояковогнутые линзы ), либо одну вогнутую кривую и одну плоскую кривую (плоскую) (т.е.е., плоско-вогнутых линз ).
