Сферическая аберрация это: Что такое сферическая аберрация | Иди, и снимай!
Теория оптических систем
Теория оптических систем
ОглавлениеПРЕДИСЛОВИЕВВЕДЕНИЕ Глава I. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ 1. Принцип Ферма 2. Показатель преломления 3. Правила знаков 4. Законы преломления и отражения 5. Полное внутреннее отражение 6. Преломляющие и отражающие поверхности Глава II. ПРЕЛОМЛЕНИЕ И ОТРАЖЕНИЕ ЛУЧЕЙ 7. Преломление лучей плоской поверхностью 8. Преломление лучей сферической поверхностью 9. Отражение лучей плоской поверхиостью 10. Отражение лучей сферической поверхностью 11. Преломление лучей несферической поверхностью 12. Отражение от несферических поверхностей Глава III. ИДЕАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА 13. Понятие об идеальной оптической системе и ее свойства.  Линейное увеличение14. Кардинальные элементы идеальной оптической системы 15. Зависимости между положениями и размерами предмета и изображения 16. Угловое увеличение. Узловые точки 17. Продольное увеличение 18. Построение хода лучей через оптическую систему, заданную кардинальными элементами 19. Изображение наклонных плоскостей предметов 20. Расчет хода луча через идеальную систему 21. Оптические системы из нескольких компонентов Глава IV. ОПТИКА ПАРАКСИАЛЬНЫХ И НУЛЕВЫХ ЛУЧЕЙ 23. Инвариант Гюйгенса-Гельмгольца 24. Расчет хода нулевых лучей Глава V. ДЕТАЛИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 25. Материалы, применяемые для изготовления оптических деталей 26. Линзы 27. Плоскопараллельные пластины 28. Плоские, сферические и несферические зеркала 29. Отражательные призмы 31. Световоды и волоконная оптика 32. Линзы Френеля. Аксиконы. Оптические растры. Градиентные и дифракционные элементы Глава VI.  ОГРАНИЧЕНИЕ ПУЧКОВ ЛУЧЕЙ В ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ34. Входной и выходной зрачки 35. Угловое и линейное поля. Виньетирование. Входное и выходное окна 36. Действующее отверстие входного зрачка Глава VII. ОПТИЧЕСКИЙ ПРИБОР КАК ПЕРЕДАТЧИК ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ 37. Оптическое излучение. Поток излучения 38. Энергетические и световые величины и их единицы 39. Связь между световыми и энергетическими величинами 40. Распространение излучения 41. Коэффициент пропускания оптической системы 42. Прохождение потока излучения через светофильтр 43. Освещенность Изображения, создаваемая потоком излучения при действии оптической системы Глава VIII. РАСЧЕТ ХОДА ЛУЧЕЙ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ 44. Формулы для расчета хода лучей на ЭВМ 45. Формулы для расчета хода бесконечно тонких астигматических пучков 46. Выбор начальных данных для расчета хода лучей Глава IX. МОНОХРОМАТИЧЕСКИЕ АБЕРРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 47. Общие положения о вычислении аберраций оптической системы 48.  Аберрации третьего порядка49. Условия нормировки вспомогательных лучей 50. Сферическая аберрация 51. Меридиональная кома 52. Условие синусов и условие изопланатизма 53. Астигматизм и кривизна поверхности изображения 54. Дисторсия Глава X. ХРОМАТИЧЕСКИЕ АБЕРРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 56. Хроматизм увеличения 57. Сферохроматическая аберрация и хроматические аберрации широких наклонных пучков Глава XI. ГЛАЗ КАК ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА 58. Устройство глаза 59. Основные характеристики глаза Глава XII. ОПТИЧЕСКИЕ ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 61. Назначение и виды осветительных систем 62. Оптическая схема прожектора дальнего действия 63. Зеркальные осветительные системы 64. Линзовые конденсоры Глава XIII. ЛУПА И МИКРОСКОП 65. Лупа и ее характеристики 66. Оптическая схема микроскопа и его основные характеристики 67. Разрешающая способность микроскопа 68. Глубина изображаемого пространства для микроскопа 69.  Объективы и окуляры микроскопа70. Осветительные системы микроскопов Глава XIV. ТЕЛЕСКОПИЧЕСКАЯ СИСТЕМА 71. Схема телескопической системы и ее основные характеристики 72. Разрешающая способность телескопической системы 73. Основные сведения об объективах и окулярах телескопических систем 74. Фокусировка окуляра телескопической системы 75. Применение коллектива в зрительной трубе 76. Расчет зрительной трубы Кеплера 77. Схема зрительной трубы Галилея и ее расчет 78. Расчет призменного монокуляра 79. Расчет зрительной трубы с линзовой оборачивакщей системой 80. Основные сведения о зрительных трубах переменного увеличения 81. Стереоскопические телескопические системы 82. Зрительная труба с электронно-оптическим преобразователем и ее расчет Глава XV. ФОТОГРАФИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТИВ 83. Основные характеристики фотообъектива 84. Разрешающая способность и функция передачи модуляции фотографической системы 85. Глубина изображаемого пространства и глубина резкости 86.  Определение выдержки при фотографировании87. Основные типы фотографических объективов Глава XVI. ОПТИКА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ 88. Оптические характеристики передающих и приемных телевизионных трубок 90. Разрешающая способность и ФПМ телевизионной системы 91. Телевизионная система с «бегущим лучом» Глава XVII. ПРОЕКЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 92. Виды и особенности проекционных систем 93. Эпископическая проекционная система 94. Диаскопическая проекционная система 95. Габаритный и светоэнергетический расчеты проекционного прибора с зеркальной осветительной системой Глава XVIII. ОПТИЧЕСКИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 96. Некоторые характеристики и параметры приемников излучения 97. Определение диаметра входного зрачка оптической фотоэлектрической системы по интегральным характеристикам 98. Определение диаметра входного зрачка оптической фотоэлектрической системы по спектральным характеристикам 99.  Оптические фотоэлектрические системы с приемником излучения, расположенным в плоскости изображения источника100. Оптические фотоэлектрические системы, в которых изображение источника больше светочувствительной поверхности приемника 101. Оптическая фотоэлектрическая система с приемником излучения, расположенным в выходном зрачке 102. Некоторые принципиальные схемы оптических фотоэлектрических систем Глава XIX. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ 104. Параметры пучка лазера и основные соотношения при его преобразовании оптической системой 105. Оптические системы для концентрации излучения лазера 106. Оптические системы для уменьшения расходимости лазерного пучка 107. Оптическая фотоэлектрическая система с лазером 108. Оптические системы, применяемые в голографии Глава XX. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДВОЯКОЙ СИММЕТРИИ 109. Характеристика трансформированного изображения и его получение 110. Цилиндрический и сфероцилиндрический объективы-анаморфоты 111.  Глава XXI. АБЕРРАЦИОННЫЙ РАСЧЕТ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 112. Общие сведения о методах аберрационного расчета оптических систем 113. Допустимые остаточные аберрации в различных оптических системах 114. Связь между параметрами 1-го и 2-го вспомогательных лучей 115. Преобразование сумм Зейделя для оптической системы, состоящей из тонких компонентов 116. Основные параметры тонких компонентов 117. Аберрации оптических систем с иесферическими поверхностями 118. Расчет оптической системы на минимум сферической аберрации 119. Расчет двухлинзового склеенного объектива 120. Расчет двухливэового несклеенного объектива 121. Расчет светосильного двухкомпоиентного объектива 122. Расчет объектива типа триплета 123. Расчет зеркальных систем 124. Расчет зеркально-линзовых систем 125. Об автоматизированной коррекции оптических систем на ЭВМ 126. Суммирование аберраций 127. О допусках в оптических системах 128.  Оценка качества изображения по результатам аберрационного расчета129. Волновая аберрация оптической системы |
Оптика: очки и контактные линзы
Под сферической аберрацией принято понимать аберрацию оптической системы, которая рассматривается для пучка лучей, выходящего из точки предмета, расположенной на оптической оси.
Сферическая аберрация имеет место и для других пучков лучей, выходящих из точек предмета, удаленных от оптической оси, но в таких случаях она рассматривается как составная часть аберраций всего наклонного пучка лучей.
Допустим, что предмет находится в бесконечности, и в оптическую систему поступает параллельный пучок лучей. Рассмотрим лучи, падающие на поверхность линзы, на высотах h
34).
Первую плоскую поверхность линзы лучи проходят без преломления. Вторую поверхность они встречают под весьма значительными углами падения. Вследствие этого наиболее удаленные от оптической оси лучи преломляются всего сильнее и образуют точку схода, наиболее удаленную от фокальной плоскости.
В результате этого явления цилиндрический пучок лучей в пространстве предметов, после преломления линзой, в пространстве изображений получает вид не конуса, а некоторой воронкообразной фигуры, наружная поверхность которой вблизи узкого места называется каустической поверхностью. Световая энергия распределяется на значительную по величине каустическую поверхность, а тем самым нарушается образование точечного изображения.
Расстояние по оптической оси между точками схода нулевых и крайних лучей называется продольной сферической аберрацией
Наименьший диаметр кружка рассеяния образуется на расстоянии Δ, от плоскости изображения.
Плоскость, соответствующую наименьшим кружкам рассеяния, называют плоскостью наилучшей установки. Однако не всегда в этой плоскости получается наилучшая резкость изображения, так как основным является распределение световой энергии в кружке рассеяния. Однако для некоторых оптических систем, например для осветительных (конденсоры), плоскость наилучшей установки, найденная по положению наименьшего диаметра кружка рассеяния, практически является наилучшей плоскостью изображения.
Сферическая аберрация положительной линзы отрицательна, а отрицательной линзы — положительна. Комбинируя положи-
тельные и отрицательные линзы, можно сконструировать объектив, отличающийся несравненно меньшей сферической аберрацией.
Все аберрации, в том числе и сферическую, обычно представляют в виде характеристических кривых.
Для построения характеристической кривой продольной сферической аберрации по оси абсцисс откладывают продольную сферическую аберрацию δs’, а по оси ординат — высоты лучей на входном зрачке h.
Для построения аналогичной кривой поперечной аберрации по оси абсцисс откладывают тангенсы апертурных углов в пространстве изображений, а по оси ординат — радиусы кружков рассеяния.
На рис. 35 показаны характеристические кривые продольной и поперечной сферических аберраций одиночной линзы и двухлинзового склеенного объектива. Продольные аберрации показаны в одинаковом масштабе. В сложной системе аберрации значительно уменьшены. Такая система называется коррегированной на сферическую аберрацию. Поперечные аберрации по оси ординат показаны в разных масштабах, в отношении 1:30. В данном примере поперечные аберрации одиночной линзы примерно в 30 раз больше, чем у объектива, при равных фокусных расстояниях и относительных отверстиях.
Для положительной одиночной линзы характерным является отрицательное значение продольной сферической аберрации. Такая аберрация называется недокоррегированной. Если же вся характеристическая кривая сферической аберрации или ее большая часть находилась бы справа от оси ординат, аберрация была бы положительной и называлась бы перекоррегированной.
На графиках поперечных аберраций через центр координат проведем вспомогательные прямые таким образом, чтобы кривая аберрации вверх и вниз от нее имела одинаковые отступления. На графике одиночной линзы это выдержано почти полностью, а для двухлинзового объектива имеем отступления от этого условия для обоих краев кривой, соответствующих аберрациям лучей, идущих в самой краевой зоне отверстия. Неточность проведения вспомогательной прямой оправдывается незначительным влиянием небольшого участка площади зрачка по сравнению со всем отверстием. Эти вспомогательные прямые позволяют определить положение плоскости наилучшей установки.
Тангенсы угла наклона этой прямой указывают на величину смещения плоскости наилучшей установки. Изображая поперечные аберрации так, как показано на рис. 35, Δs, можно вычислить по следующей формуле:
Вспомогательная прямая является как бы новой ординатой для кривой, относительно которой можно определять поперечные аберрации в плоскости наилучшей установки.
Так, например, для одиночной линзы имеем поперечные аберрации (кружок) в 0,3 мм, а для объектива 0,01 мм.
Если сферическая аберрация уничтожена (коррегирована) для края входного зрачка, то величина Δs может быть определена по формуле
Зоной входного зрачка называют ординату на зрачке, равную 0,35D. Для этой высоты луча сферическая аберрация обычно приобретает наибольшее значение, тогда как для края отверстия она равна нулю.
Пример 17. Продольная сферическая аберрация объектива f’=200 мм для пучка лучей диаметром 40 мм составляет 0,16 мм. Определить диаметр кружка рассеяния и сферическую аберрацию в угловой мере.
Решение. Дано f’=200 мм, h1=20 мм и δs’=0,16 мм. Применив формулы (34,3) и (34,4), получим
Сферическая аберрация: причины, диагностика и лечение
Анна Барден; обзор Сони Келли, OD, MS
Сферическая аберрация является одной из многих разновидностей аберрации высшего порядка (HOA) в глазу.
HOA — это тонкие оптические дефекты глаза, которые более сложны, чем аномалии рефракции, такие как астигматизм, близорукость (миопия) и дальнозоркость (гиперметропия).
Аберрации более высокого порядка часто называют «неправильным астигматизмом» и связаны с дефектами преломления глазом световых лучей, проходящих через систему зрения. Аберрации комы и трилистника также считаются ТСЖ.
Оптическая аберрация — это потеря четкости изображения, формируемого глазом, и аберрации могут возникать также в линзах очков или других оптических устройствах (таких как бинокли или телескопы). Для всех глаз нормально иметь некоторую степень аберрации, но коррекция требуется редко. Однако в тяжелых случаях, вызывающих снижение качества зрения, может потребоваться специальное лечение.
Сферическая аберрация — это особый тип оптической аберрации. Это происходит, когда световые лучи, проходящие через периферию роговицы и хрусталика, фокусируются немного в другом месте, чем световые лучи, проходящие через центр роговицы и хрусталика.
Это приводит к снижению качества изображения.
Хотя сферическую аберрацию нельзя исправить с помощью обычных очков или мягких контактных линз, в каждом конкретном случае могут быть рекомендованы жесткие контактные линзы или другие более продвинутые варианты.
Что вызывает сферическую аберрацию?
Аберрация (что буквально означает отклонение от обычного или естественного) глаза возникает при наличии аномалии на поверхности роговицы. Как уже упоминалось, некоторая степень аберрации естественна для каждого глаза, хотя есть несколько факторов, которые могут способствовать развитию и/или серьезности аберрации.
В глазах сферическая аберрация имеет тенденцию увеличиваться с увеличением размера зрачка и поэтому более заметна в условиях слабого освещения, чем при ярком солнечном свете. Визуально сферическая аберрация вызывает размытие, потерю контраста и ореолы вокруг источников света.
Хирургия, такая как LASIK, может ухудшить HOA в глазу, особенно сферические аберрации.
Такие процедуры, как кератопластика (пересадка роговицы), также могут увеличить риск развития сферической аберрации.
Сферическая аберрация также может возникнуть в результате следующего:
заболевания глаз, такие как катаракта
Дистрофии роговицы
Расмысел роговицы после травмы, инфекция или хирургия. глазной синдром, сухой кератит, кератоконъюнктивит и синдром дисфункциональной слезы)
Хрусталик глаза, который обеспечивает часть способности глаза фокусировать свет, изменяется как естественная часть старения — это также может способствовать возникновению сферической аберрации.
СМ. СВЯЗАННЫЕ: Риски LASIK и осложнения LASIK
Диагностика сферических аберраций
Аберрации можно исследовать и диагностировать с помощью технологии волнового фронта (аберрометрии) с использованием прибора, называемого аберрометром.
Аберрометрия измеряет, как свет проходит через хрусталик и роговицу, которые являются светофокусирующими частями глаза.
Искажения, возникающие при прохождении света через глаз во время этого исследования, называются аберрациями.
Этот процесс выполняется быстро и состоит из трех этапов:
Когда вы кладете подбородок на упор для подбородка аберрометра, вы смотрите внутрь и фокусируетесь на светящейся точке. В это время измеряется ваш зрачок, так как именно здесь волновой фронт проходит через ваш глаз.
Луч света попадает в ваш глаз и затем отражается сетчаткой. Волновой фронт этого света улавливается и измеряется аберрометром.
Создается карта этой проекции, определяющая форму и выраженность искажений (аберраций), возникающих в вашем глазу.
Карту, полученную с помощью аберрометрии, часто называют «оптическим отпечатком пальца», так как он фиксирует уникальные гребни и впадины глаза, потому что, как и отпечаток пальца, нет двух одинаковых глаз.
Эта информация имеет жизненно важное значение для определения и назначения любой коррекции зрения, которая может потребоваться.
Как сферическая аберрация влияет на зрение?
Некоторая степень аберрации является нормальным явлением, так как ни один глаз не идеален, но если она необычно высока, зрение может заметно ухудшиться.
В частности, сферическая аберрация может изменить фокусирующую способность глаза, особенно в темноте или при слабом освещении (контрастная чувствительность).
Люди с большими зрачками могут испытывать более серьезные симптомы сферической аберрации, особенно при плохом освещении, когда зрачки расширяются (или расширяются), чтобы компенсировать слабое освещение.
Некоторые также могут видеть ореолы или звездообразования вокруг огней.
Можно ли лечить сферическую аберрацию?
Аберрации высшего порядка, такие как сферическая аберрация, настолько сложны, что их нельзя исправить с помощью обычных очков или мягких контактных линз. Однако их можно лечить с помощью жестких контактных линз.
Для коррекции сферической аберрации можно использовать некоторые другие дополнительные параметры, которые могут включать одно из следующего:
Если сферическая аберрация (или другой тип ТСГ) начинает искажать ваше зрение, ваш офтальмолог порекомендует наилучшее лечение в вашем конкретном случае.
.
Аберрации высшего порядка и аберрации низшего порядка
Каждое предписание по зрению включает определенные числа, которые сопровождают «сферу» и «цилиндр». Эти числа являются аберрациями более низкого порядка. Около 85% аберраций низшего порядка способствуют несовершенствам зрения, таким как близорукость, дальнозоркость и астигматизм.
Оставшиеся 15% недостатков зрения связаны с аберрациями более высокого порядка, такими как сферическая аберрация, кома и аберрация трилистника.
СМ. СВЯЗАННЫЕ: Аномалии рефракции и рефракция: как видит глаз
Проверка зрения способствует здоровому зрению ваш глазной врач.
Ежегодные комплексные проверки зрения жизненно важны для вашего зрения и здоровья глаз в целом. Скрининг зрения особенно важен для людей со сферическими аберрациями и другими НОА, поскольку они могут быть связаны с катарактой, нарушениями слезной пленки и различными проблемами роговицы.
Если вы заметили какие-либо изменения в своем зрении, не стесняйтесь обращаться к своему глазному врачу.
И если вас беспокоит сферическая аберрация или любой другой тип HOA, спросите об исследовании волнового фронта — исходя из ваших потребностей, вы можете быть хорошим кандидатом.
ЧИТАТЬ СЛЕДУЮЩУЮ: Вопросы, которые следует задать врачу-офтальмологу
Аберрации высокого порядка и дистрофии роговицы. Фонд дистрофии роговицы . По состоянию на март 2021 г.
Лечение аберраций, вызванных LASIK. Американская академия офтальмологии. , март 2016 г.
Синдром дисфункциональной слезы, болезнь сухого глаза и связанные с ней нарушения слезной пленки — новые стратегии диагностики и лечения. Текущее заключение по офтальмологии . Январь 2017.
Сферическая аберрация интраокулярных линз. Журнал исследований офтальмологии и зрения . Октябрь 2010 г.
Влияние сферической аберрации на зрительные характеристики и состояние рефракции для стимулов и задач, типичных для ночного видения. Журнал оптометрии.
Сентябрь 2018 г.
Страница опубликована в четверг, 27 мая 2021 г.
Проверено врачом в воскресенье, 29 августа 2021 г.
SphericalAberration | Научные объемные изображения
Сферическая аберрация — это оптический эффект, возникающий, когда косые лучи, попадающие в объектив, фокусируются в другом месте, чем центральные лучи. Расстояние в этом смещении фокуса зависит от глубины фокуса в образце.
ZX (оптическая ось горизонтальная) срез линзы со сферической аберрацией.
В микроскопии основной причиной сферической аберрации (СА) являются несоответствия между показателем преломления иммерсионной среды объектива и среды, в которую помещается образец. Когда свет пересекает границу между материалами с разными показателями преломления, он изгибается через граничную поверхность по-разному в зависимости от угла падения (Light Refraction): косые лучи изгибаются больше, чем центральные, и поэтому фокусировка портится.
Если несоответствие велико, т.е. при переходе от масляной иммерсионной среды для линз к водной среде для заливки образцов функция рассеяния точки (PSF) станет асимметричной уже на глубине в несколько микрон. Что касается деконволюции, SA особенно вреден для деконволюции широкопольного микроскопа.
XZ (оптическая ось вертикальная) срез распределения фокуса объектива с числовой апертурой = 1,3. Слева: сферическая аберрация отсутствует; справа: визуализация в среду с показателем преломления 1,4 на глубине 10 микрон.
Более подробные иллюстрации см. в разделе Mismatch Distorts Psf.
Обходной путь: сделайте Z-диапазон данных как можно меньше. Решение: используйте линзу с иммерсионной средой с показателем преломления, соответствующим показателю препарата. (В приведенном выше случае необходим водянистый показатель преломления линзы).
Коррекция после съемки
Программное обеспечение Huygens адаптирует теоретическую функцию рассеяния точки (PSF) к глубине образца для коррекции сферической аберрации при выполнении деконволюции.
Если ваш микроскоп хорошо выровнен и его ФРТ достаточно хорошо подходит для идеальных моделей, вы можете использовать только теоретические ФРТ. Это позволит использовать PSF, зависящий от глубины.
Если измеренный PSF далек от хорошего (т.е. он сильно отличается от теоретического по размеру или симметрии), то лучше использовать этот. Он будет учитывать все несоосности микроскопа. Если ваш образец не очень толстый, экспериментальный PSF, не зависящий от глубины, тоже подойдет.
Вы можете использовать генератор ФРТ в Калькуляторе Найквиста, чтобы смоделировать условия сферической аберрации на разных глубинах внутри образца и сравнить результаты с вашим экспериментальным ФРТ.
Геометрия
Чтобы сделать коррекцию глубины теоретического PSF, программное обеспечение считает, что покровное стекло помещено внизу изображения, в более низких координатах Z (как в инвертированном микроскопе). Если ваше изображение имеет несоответствие показателя преломления, вы должны адаптировать изображение к этому условию, прежде чем выполнять деконволюцию.
Для этой цели в Huygens Essential и Huygens Professional есть зеркальный инструмент на случай, если ваше покровное стекло находится сверху. В Huygens Scripting это делается с помощью mir команда, как в
myimage mirr z
Если вы не уверены, какова ориентация вашего набора данных, вы всегда можете догадаться об этом по асимметрии PSF конусов света. См. Несоответствие искажений Psf.
Избегать коррекции
Чтобы отключить коррекцию SA (поскольку, несмотря на несоответствие показателя преломления, в вашей установке есть другие физические корректоры), просто установите параметры микроскопа изображения, чтобы они имели совпадающий показатель преломления объектива и средний показатель преломления до деконволюции.
Воздушные линзы
Воздушные линзы требуют особого внимания: они могут быть скорректированы на сферическую аберрацию и могут вести себя как, например, глицериновые линзы, и поэтому вы не будете ожидать проблем, если будете использовать глицерин в качестве заливочной среды.
