Няма идеални неща... Няма идеална леща - леща, способна да построи образ на безкрайно малка точка под формата на безкрайно малка точка. Причината за това е - сферична аберация .
Сферична аберация- изкривяване, възникващо поради разликата във фокуса за лъчи, преминаващи на различни разстояния от оптичната ос. За разлика от описаните по-горе кома и астигматизъм, това изкривяване не е асиметрично и води до равномерно разминаване на лъчите от точков източник на светлина.
Сферичната аберация е присъща на в различна степенВсички обективи, с няколко изключения (един, за който знам е Era-12, неговата острота е до голяма степен ограничена от хроматизма), именно това изкривяване ограничава остротата на обектива при отворена бленда.
Схема 1 (Уикипедия). Появата на сферична аберация
Сферичната аберация има много лица – понякога я наричат благороден „софтуер“, понякога – долнопробен „сапун“, тя до голяма степен оформя бокето на обектива. Благодарение на нея Trioplan 100/2.8 е генератор на мехурчета, а Новият Petzval на Lomographic Society има контрол на размазването... Все пак първо на първо място.
Как се появява сферичната аберация в изображение?
Най-очевидната проява е размиване на контурите на обект в зоната на рязкост ("блясък на контури", "мек ефект"), прикриване на малки детайли, усещане за разфокусиране ("сапун" - в тежки случаи);
Пример за сферична аберация (софтуер) в изображение, направено на Industar-26M от FED, F/2.8
Много по-малко очевидно е проявата на сферична аберация в бокето на обектива. В зависимост от знака, степента на корекция и т.н., сферичната аберация може да образува различни кръгове на объркване.
Пример за снимка, направена с Triplet 78/2.8 (F/2.8) - кръговете на объркване имат ярка граница и светъл център - обективът има голямо количество сферична аберация
Пример за снимка, направена на апланат КО-120М 120/1.8 (F/1.8) - кръгът на объркването има слабо изразена граница, но все още е там. Съдейки по тестовете (публикувани от мен по-рано в друга статия), обективът има малка сферична аберация
И като пример за обектив, в който размерът на сферичната аберация е невероятно малък - снимка, направена с Era-12 125/4 (F/4). Кръгът изобщо няма граници, а разпределението на яркостта е много равномерно. Това показва отлична корекция на обектива (което наистина е вярно).
Премахване на сферична аберация
Основният метод е блендата. Отрязването на „допълнителни“ лъчи ви позволява да подобрите добре остротата.
Схема 2 (Wikipedia) - намаляване на сферичната аберация с помощта на диафрагма (1 фиг.) и използване на дефокусиране (2 фиг.). Методът на дефокусиране обикновено не е подходящ за фотография.
Примери за снимки на света (центърът е изрязан) при различни диафрагми - 2.8, 4, 5.6 и 8, направени с помощта на обектив Industar-61 (ранен, FED).
F/2.8 - доста силен софтуерно замазан
.jpg)
F/4 - софтуерно намален, детайлите на изображението са подобрени
.jpg)
F/5.6 - софтуер практически липсва
F/8 - без софтуер, малките детайли се виждат ясно
В графичните редактори можете да използвате функции за заточване и премахване на замъгляване, което ви позволява да намалите донякъде отрицателния ефект от сферичната аберация.
Понякога възниква сферична аберация поради неизправност на обектива. Обикновено - нарушения на пространствата между лещите. Корекцията помага.
Например, има подозрение, че нещо се е объркало при преобразуването на Юпитер-9 в LZOS: в сравнение с Юпитер-9, произведен от KMZ, LZOS просто няма острота поради огромна сферична аберация. Дефакто обективите се различават по абсолютно всичко, освен по номерата 85/2. Белият може да се бори с Canon 85/1.8 USM, а черният само с Triplet 78/2.8 и меките обективи.
Снимка, направена с черен Юпитер-9 от 80-те, LZOS (F/2)
Заснет на бял Юпитер-9 1959, KMZ (F/2)
Отношението на фотографа към сферичната аберация
Сферичната аберация намалява остротата на изображението и понякога е неприятна – изглежда, че обектът не е на фокус. Не трябва да използвате оптика с повишена сферична аберация при редовно снимане.
Сферичната аберация обаче е неразделна част от модела на лещите. Без него нямаше да има красиви меки портрети на Tair-11, луди приказни монокли пейзажи, балонче боке на известния триоплан на Майер, „грах“ на Industar-26M и „обемни“ кръгове във формата котешко окопри Zeiss Planar 50/1.7. Не трябва да се опитвате да се отървете от сферичната аберация в лещите - трябва да се опитате да намерите приложение за нея. Въпреки че, разбира се, излишната сферична аберация в повечето случаи не носи нищо добро.
заключения
В статията разгледахме подробно влиянието на сферичната аберация върху фотографията: върху остротата, бокето, естетиката и т.н.
Обикновено се разглежда като лъч от лъчи, излизащ от точка върху обект, разположен на оптичната ос. Въпреки това, сферична аберация възниква и за други снопове лъчи, излизащи от точки на обекта, отдалечени от оптичната ос, но в такива случаи се счита за компонентаберации на целия наклонен сноп лъчи. Освен това, въпреки че тази аберация се нарича сферична, то е характерно не само за сферични повърхности.
В резултат на сферична аберация, цилиндричен сноп от лъчи, след пречупване от леща (в пространството на изображението), придобива вид не на конус, а на някаква фуниевидна фигура, външна повърхносткоето в близост до тясно място се нарича каустична повърхност. В този случай изображението на точката има формата на диск с неравномерно разпределение на осветеността, а формата на каустичната крива позволява да се прецени естеството на разпределението на осветеността. IN общ случай, фигурата на разсейване, при наличие на сферична аберация, е система от концентрични окръжности с радиуси, пропорционални на третата степен на координатите на входната (или изходната) зеница.
Изчислени стойности
Разстояние δs"по протежение на оптичната ос между точките на изчезване на нулевия и крайния лъч се нарича надлъжна сферична аберация.
Диаметър δ" Кръгът на разсейване (диск) се определя по формулата
- 2ч 1 - диаметър на системния отвор;
- а"- разстояние от системата до точката на изображението;
- δs"- надлъжна аберация.
За обекти, разположени в безкрайност
Комбинирането на такива прости лещи, сферичната аберация може да бъде значително коригирана.
Намаляване и корекция
В някои случаи малка сферична аберация от трети ред може да бъде коригирана чрез леко разфокусиране на лещата. В този случай плоскостта на изображението се измества към т.нар "самолет по-добра инсталация» , разположени като правило в средата, между пресечната точка на аксиалните и крайните лъчи и не съвпадащи с най-тясната точка на пресичане на всички лъчи на широк лъч (диск с най-малко разсейване). Това несъответствие се обяснява с разпределението на светлинната енергия в диска с най-малко разсейване, образувайки максимуми на осветеност не само в центъра, но и по ръба. Тоест можем да кажем, че „дискът“ е ярък пръстен с централна точка. Следователно разделителната способност на оптичната система в равнината, съвпадаща с диска с най-малко разсейване, ще бъде по-ниска, въпреки по-ниската стойност на напречната сферична аберация. Пригодността на този метод зависи от големината на сферичната аберация и естеството на разпределението на осветеността в разсейващия диск.
Строго погледнато, сферичната аберация може да бъде напълно коригирана само за някои двойки тесни зони и освен това само за определени две конюгирани точки. На практика обаче корекцията може да бъде доста задоволителна дори при системи с две лещи.
Обикновено сферичната аберация се елиминира за една стойност на височината ч 0, съответстващ на ръба на зеницата на системата. При което най-висока стойностна височина се очаква остатъчна сферична аберация ч e се определя по проста формула
Остатъчната сферична аберация води до факта, че изображението на точка никога не се превръща в точка. Той ще остане диск, макар и с много по-малък размер, отколкото в случай на некоригирана сферична аберация.
За да се намали остатъчната сферична аберация, често се използва изчислена „свръхкорекция“ на ръба на зеницата на системата, придавайки положителна стойност на сферичната аберация на ръбовата зона ( δs"> 0). В същото време лъчите пресичат зеницата на височина ч e, се пресичат още по-близо до фокусната точка, а крайните лъчи, въпреки че се събират зад фокусната точка, не излизат извън границите на разсейващия диск. Така размерът на разсейващия диск намалява и яркостта му се увеличава. Тоест подобрява се както детайлността, така и контрастът на изображението. Въпреки това, поради особеностите на разпределението на осветеността в разсейващия диск, лещите с "свръхкоригирана" сферична аберация често имат "двойно" размазване извън зоната на фокусиране.
В някои случаи е разрешена значителна „повторна корекция“. Например ранните „Планари“ от Carl Zeiss Jena имаха положителна стойност на сферична аберация ( δs"> 0), както за маргиналната, така и за средната зона на зеницата. Това решение леко намалява контраста при пълна бленда, но забележимо увеличава разделителната способност при малки отвори.
Бележки
Литература
- Бегунов Б. Н. Геометрична оптика, Издателство на Московския държавен университет, 1966 г.
- Волосов Д.С., Фотографска оптика. М., „Искусство“, 1971 г.
- Заказнов Н.П. и др., Теория на оптичните системи, М., “Машиностроене”, 1992 г.
- Landsberg G. S. Оптика. М., ФИЗМАТЛИТ, 2003.
- Чуриловски В. Н. Теория оптични инструменти, Л., “Машиностроене”, 1966 г.
- Смит, Уорън Дж. Съвременно оптично инженерство, McGraw-Hill, 2000 г.
Фондация Уикимедия. 2010 г.
Физическа енциклопедия
Един от видовете аберации на оптични системи (виж Аберации на оптични системи); се проявява в несъответствие на фокусите за светлинни лъчи, преминаващи през осесиметрична оптична система (леща (вижте леща), леща) на различни разстояния от ... Велика съветска енциклопедия
Изкривяване на изображението в оптичните системи поради факта, че светлинните лъчи от точков източник, разположен на оптичната ос, не се събират в една точка с лъчи, преминаващи през части на системата, отдалечени от оста. * * * СФЕРИЧЕН… … енциклопедичен речник
сферична аберация- sferinė aberacija statusas T sritis fizika atitikmenys: англ. сферична аберация vok. sphärische Аберация, е рус. сферична аберация, f пранц. aberration de spéricité, f; aberration phérique, f … Fizikos terminų žodynas
СФЕРИЧНА АБЕРАЦИЯ- Вижте аберация, сферична... Речникв психологията
сферична аберация- се причинява от несъответствие във фокусите на светлинните лъчи, преминаващи на различни разстояния от оптичната ос на системата, което води до изображение на точка под формата на кръг с различна осветеност. Вижте също: Аберация хроматична аберация ... Енциклопедичен речник по металургия
Една от аберациите на оптичните системи, причинена от несъответствие на фокусите за светлинни лъчи, преминаващи през осесиметрична оптична леща. система (леща, обектив) на различни разстояния от оптичната ос на тази система. Тя се проявява в това, че изображението... ... Голям енциклопедичен политехнически речник
Оптично изкривяване на изображението системи, поради факта, че светлинните лъчи от точков източник, разположен върху опт осите не се събират в една точка с лъчи, преминаващи през части на системата, отдалечени от оста... Естествени науки. енциклопедичен речник
→ Аберация в астрономиятаДумата аберация се отнася до много оптични ефекти, свързани с изкривяването на обект по време на наблюдение. В тази статия ще говорим за няколко вида аберации, които са най-подходящи за астрономически наблюдения.
Аберация на светлинатав астрономията това е видимото изместване на небесен обект поради крайната скорост на светлината, комбинирано с движението на наблюдавания обект и наблюдателя. Ефектът на аберацията води до факта, че видимата посока към обекта не съвпада с геометричната посока към него в същия момент от времето.
Ефектът е, че поради движението на Земята около Слънцето и времето, необходимо на светлината да пътува, наблюдателят вижда звездата на различно място от това, където се намира. Ако Земята беше неподвижна или ако светлината се разпространяваше мигновено, тогава нямаше да има светлинна аберация. Следователно, когато определяме позицията на звезда в небето с помощта на телескоп, не трябва да измерваме ъгъла, под който е наклонена звездата, а леко да го увеличим по посока на движението на Земята.
Ефектът на аберация не е голям. Най-голямата му стойност се постига при условие, че земята се движи перпендикулярно на посоката на лъча. В този случай отклонението на позицията на звездата е само 20,4 секунди, тъй като земята изминава само 30 км за 1 секунда време, а светлинният лъч изминава 300 000 км.
Има и няколко вида геометрична аберация. Сферична аберация- аберация на леща или обектив, която се състои в това, че широк лъч монохроматична светлина, излъчвана от точка, разположена на главната оптична ос на лещата, когато преминава през лещата, се пресича не в една, а в много точки разположен на оптичната ос на на различни разстоянияот обектива, което води до размазване на изображението. В резултат на това точков обект като звезда може да се разглежда като малка топка, като размерът на тази топка се приема за размера на звездата.
Изкривяване на полето на изображението- аберация, в резултат на което изображението на плосък обект, перпендикулярен на оптичната ос на лещата, лежи върху повърхност, вдлъбната или изпъкнала спрямо лещата. Тази аберация причинява неравномерна острота в полето на изображението. Ето защо кога централна частАко изображението е рязко фокусирано, краищата му ще бъдат извън фокус и изображението ще бъде размазано. Ако регулирате остротата по краищата на изображението, централната му част ще бъде замъглена. Този тип аберация не е значима за астрономията.
Ето още няколко вида аберации:
Дифракционната аберация възниква поради дифракцията на светлината върху диафрагмата и рамката на фотографския обектив. Дифракционната аберация ограничава разделителната способност на фотографския обектив. Поради тази аберация минималното ъглово разстояние между точките, разрешено от лещата, е ограничено до ламбда/D радиани, където ламбда е дължината на вълната на използваната светлина (оптичният диапазон обикновено се нарича електромагнитни вълнис дължина от 400 nm до 700 nm), D е диаметърът на лещата. Разглеждайки тази формула, става ясно колко важен е диаметърът на лещата. Този параметър е ключов за най-големите и скъпи телескопи. Също така е ясно, че телескоп, способен да вижда в рентгенови лъчи, се сравнява благоприятно с конвенционален оптичен телескоп. Факт е, че дължината на вълната на рентгеновите лъчи е 100 пъти по-къса от дължината на вълната на светлината в оптичния диапазон. Следователно за такива телескопи минималното забележимо ъглово разстояние е 100 пъти по-малко, отколкото за конвенционалните оптични телескописъс същия диаметър на лещата.
Изследването на аберацията направи възможно значително подобряване на астрономическите инструменти. В съвременните телескопи ефектите от аберацията са сведени до минимум, но аберацията е тази, която ограничава възможностите на оптичните инструменти.
1От всички видове аберации, сферичната аберация е най-значимата и в повечето случаи единствената практически значима за оптичната система на окото. Тъй като нормално оковинаги приковава погледа си към най-важното в този моментобект, тогава аберациите, причинени от наклонено падане на светлинните лъчи (кома, астигматизъм), се елиминират. Невъзможно е да се елиминира сферичната аберация по този начин. Ако пречупващите повърхности на оптичната система на окото са сферични, е невъзможно по никакъв начин да се елиминира сферичната аберация. Неговият изкривяващ ефект намалява с намаляване на диаметъра на зеницата, следователно при ярка светлина разделителната способност на окото е по-висока, отколкото при слаба светлина, когато диаметърът на зеницата се увеличава и размерът на петното, което е изображение на точков източник на светлина, също се увеличава поради сферична аберация. Има само един начин за ефективно въздействие върху сферичната аберация на оптичната система на окото - чрез промяна на формата на пречупващата повърхност. Тази възможност принципно съществува, когато хирургическа корекциякривина на роговицата и при подмяна на естествена леща, която е загубила оптичните си свойства, например поради катаракта, с изкуствена. Една изкуствена леща може да има пречупващи повърхности от всякакъв тип, достъпен за модерни технологииформи. Изследването на влиянието на формата на пречупващите повърхности върху сферичната аберация може най-ефективно и точно да се извърши чрез компютърно моделиране. Тук обсъждаме сравнително прост алгоритъм за компютърно моделиране, който позволява провеждането на такова изследване, както и основните резултати, получени с помощта на този алгоритъм.
Най-простият начин за изчисляване на преминаването на светлинен лъч през единична сферична пречупваща повърхност, разделяща две прозрачни среди с различни показатели на пречупване. За да се демонстрира явлението сферична аберация, е достатъчно да се извърши такова изчисление в двумерно приближение. Светлинният лъч е разположен в главната равнина и е насочен към пречупващата повърхност, успоредна на главната оптична ос. Ходът на този лъч след пречупване може да се опише чрез уравнението на окръжността, закона за пречупването и очевидни геометрични и тригонометрични зависимости. В резултат на решаването на съответната система от уравнения може да се получи израз за координатата на пресечната точка на този лъч с главната оптична ос, т.е. координати на фокуса на пречупващата повърхност. Този израз съдържа повърхностни параметри (радиус), показатели на пречупване и разстоянието между главната оптична ос и точката на падане на лъча върху повърхността. Зависимостта на фокалната координата от разстоянието между оптичната ос и точката на падане на лъча е сферична аберация. Тази връзка е лесна за изчисляване и изобразяване графично. За единична сферична повърхност, отклоняваща лъчите към главната оптична ос, фокалната координата винаги намалява с увеличаване на разстоянието между оптичната ос и падащия лъч. Колкото по-далеч от оста лъчът пада върху пречупваща повърхност, толкова по-близо до тази повърхност той пресича оста след пречупване. Това е положителна сферична аберация. В резултат на това лъчите, падащи върху повърхността, успоредна на главната оптична ос, не се събират в една точка в равнината на изображението, а образуват петно на разсейване с краен диаметър в тази равнина, което води до намаляване на контраста на изображението, т.е. до влошаване на качеството му. Само онези лъчи, които падат на повърхността много близо до главната оптична ос (параксиални лъчи), се пресичат в една точка.
Ако събирателна леща, образувана от две сферични повърхности, се постави на пътя на лъча, тогава с помощта на изчисленията, описани по-горе, може да се покаже, че такава леща също има положителна сферична аберация, т.е. лъчите, падащи успоредно на главната оптична ос по-далеч от нея, пресичат тази ос по-близо до лещата, отколкото лъчите, пътуващи по-близо до оста. Сферична аберация практически липсва и само за параксиалните лъчи. Ако и двете повърхности на лещата са изпъкнали (като леща), тогава сферичната аберация е по-голяма, отколкото ако втората пречупваща повърхност на лещата е вдлъбната (като роговицата).
Положителната сферична аберация се причинява от прекомерна кривина на пречупващата повърхност. Когато човек се отдалечи от оптичната ос, ъгълът между допирателната към повърхността и перпендикуляра на оптичната ос се увеличава по-бързо от необходимото, за да насочи пречупения лъч към параксиалния фокус. За да се намали този ефект, е необходимо да се забави отклонението на допирателната към повърхността от перпендикуляра към оста, когато се отдалечава от нея. За да направите това, кривината на повърхността трябва да намалява с разстоянието от оптичната ос, т.е. повърхността не трябва да бъде сферична, при която кривината във всички нейни точки е еднаква. С други думи, намаляване на сферичната аберация може да се постигне само чрез използване на лещи с асферични пречупващи повърхности. Това могат да бъдат например повърхнините на елипсоид, параболоид и хиперболоид. По принцип е възможно да се използват други повърхностни форми. Привлекателността на елиптичните, параболичните и хиперболичните форми е само в това, че те, подобно на сферична повърхност, се описват с доста прости аналитични формули и сферичната аберация на лещи с тези повърхности може доста лесно да бъде изследвана теоретично с помощта на описаната по-горе техника.
Винаги е възможно да изберете параметрите на сферични, елиптични, параболични и хиперболични повърхности, така че тяхната кривина в центъра на лещата да е еднаква. В този случай за параксиалните лъчи такива лещи ще бъдат неразличими една от друга, позицията на параксиалния фокус ще бъде еднаква за тези лещи. Но докато се отдалечавате от главната ос, повърхностите на тези лещи ще се отклоняват от перпендикуляра на оста по различни начини. Сферичната повърхност ще се отклонява най-бързо, елиптичната по-бавно, параболичната още по-бавно и хиперболичната най-бавно (от тези четири). В същата последователност сферичната аберация на тези лещи ще намалява все по-забележимо. За хиперболична леща сферичната аберация може дори да промени знака - да стане отрицателна, т.е. лъчите, падащи върху леща, по-далеч от оптичната ос, ще я пресичат по-далеч от лещата, отколкото лъчите, падащи върху леща, по-близо до оптичната ос. За хиперболична леща можете дори да изберете параметри на пречупващи повърхности, които ще осигурят пълно отсъствиесферична аберация - всички лъчи, падащи върху лещата успоредно на главната оптична ос на всяко разстояние от нея, след пречупване ще бъдат събрани в една точка на оста - идеална леща. За да направите това, първата пречупваща повърхност трябва да е плоска, а втората трябва да бъде изпъкнала хиперболична, чиито параметри и показателите на пречупване трябва да бъдат свързани с определени отношения.
По този начин, чрез използване на лещи с асферични повърхности, сферичната аберация може да бъде значително намалена и дори напълно елиминирана. Възможността за отделно влияние върху силата на пречупване (позиция на параксиалния фокус) и сферичната аберация се дължи на наличието на асферични повърхности на въртене на два геометрични параметъра, две полуоси, изборът на които може да осигури намаляване на сферичната аберация без промяна на силата на пречупване. Сферичната повърхност няма тази възможност, тя има само един параметър - радиуса, и чрез промяна на този параметър е невъзможно да се промени сферичната аберация, без да се промени силата на пречупване. За параболоид на революция също няма такава възможност, тъй като параболоид на революция също има само един параметър - фокалния параметър. Така от трите споменати асферични повърхности само две са подходящи за контролирано независимо въздействие върху сферичната аберация - хиперболична и елиптична.
Изборът на единичен обектив с параметри, които осигуряват приемлива сферична аберация, не е труден. Но дали такава леща ще осигури необходимото намаляване на сферичната аберация като част от оптичната система на окото? За да се отговори на този въпрос, е необходимо да се изчисли преминаването на светлинните лъчи през две лещи - роговицата и лещата. Резултатът от такова изчисление ще бъде, както и преди, графика на зависимостта на координатите на точката на пресичане на лъча с главната оптична ос (координати на фокуса) от разстоянието между падащия лъч и тази ос. Като променяте геометричните параметри на четирите пречупващи повърхности, можете да използвате тази графика, за да изследвате влиянието им върху сферичната аберация на цялата оптична система на окото и да се опитате да я минимизирате. Може, например, лесно да се провери, че аберацията на цялата оптична система на окото с естествена леща, при условие че и четирите пречупващи повърхности са сферични, е значително по-малка от аберацията само на лещата и малко по-голяма от аберацията само на роговицата. С диаметър на зеницата от 5 mm, най-отдалечените от оста лъчи пресичат тази ос приблизително 8% по-близо от параксиалните лъчи, когато се пречупват само от лещата. Когато се пречупва само от роговицата, със същия диаметър на зеницата, фокусът за далечните лъчи е приблизително 3% по-близо, отколкото за параксиалните лъчи. Цялата оптична система на окото с тази леща и с тази роговица събира далечни лъчи около 4% по-близо от параксиалните лъчи. Можем да кажем, че роговицата частично компенсира сферичната аберация на лещата.
Може също да се види, че оптичната система на окото, състояща се от роговицата и идеална хиперболична леща с нулева аберация, инсталирана като леща, дава сферична аберация приблизително същата като роговицата сама, т.е. минимизирането на сферичната аберация на лещата само по себе си не е достатъчно за минимизиране на цялата оптична система на окото.
По този начин, за да се минимизира сферичната аберация на цялата оптична система на окото чрез избор на геометрията само на лещата, е необходимо да се избере не леща, която има минимална сферична аберация, а такава, която минимизира аберацията при взаимодействие с роговицата. Ако пречупващите повърхности на роговицата се считат за сферични, тогава за почти пълно елиминиране на сферичната аберация на цялата оптична система на окото е необходимо да се избере леща с хиперболични пречупващи повърхности, която като единична леща дава забележимо (около 17% в течната среда на окото и около 12% във въздуха) отрицателна аберация. Сферичната аберация на цялата оптична система на окото не надвишава 0,2% за всеки диаметър на зеницата. Почти същата неутрализация на сферичната аберация на оптичната система на окото (до около 0,3%) може да се постигне дори с помощта на леща, в която първата пречупваща повърхност е сферична, а втората е хиперболична.
Така че използването на изкуствена леща с асферични, по-специално с хиперболични пречупващи повърхности, позволява почти напълно да се елиминира сферичната аберация на оптичната система на окото и по този начин значително да се подобри качеството на изображението, създадено от тази система на ретината. Това показват резултатите от компютърна симулация на преминаването на лъчи през системата в рамките на доста прост двуизмерен модел.
Влиянието на параметрите на оптичната система на окото върху качеството на изображението на ретината може да се демонстрира и с помощта на много по-сложен триизмерен компютърен модел, който проследява много голям брой лъчи (от няколкостотин лъча до няколкостотин хиляди). лъчи), излизащи от една точка на източник и достигащи до различни точки на ретината в резултат на излагане на всички геометрични аберации и възможно неточно фокусиране на системата. Чрез сумиране на всички лъчи във всички точки на ретината, които са пристигнали там от всички точки на източника, такъв модел позволява да се получат изображения на разширени източници - различни тестови обекти, цветни и черно-бели. Разполагаме с такъв триизмерен компютърен модел и той ясно демонстрира значително подобрение в качеството на изображението на ретината при използване на вътреочни лещи с асферични пречупващи повърхности поради значително намаляване на сферичната аберация и по този начин намаляване на размера на разсейването петно върху ретината. По принцип сферичната аберация може да бъде елиминирана почти напълно и, изглежда, размерът на петното на разсейване може да бъде намален почти до нула, като по този начин се получи идеално изображение.
Но не трябва да се изпуска от поглед факта, че е невъзможно да се получи идеално изображение по никакъв начин, дори ако приемем, че всички геометрични аберации са напълно елиминирани. Има основно ограничение за намаляване на размера на петното на разсейване. Тази граница се определя от вълновата природа на светлината. В съответствие с теорията на дифракцията, базирана на вълнови концепции, минималният диаметър на светлинното петно в равнината на изображението, дължащ се на дифракцията на светлина върху кръгъл отвор, е пропорционален (с коефициент на пропорционалност 2,44) на произведението на фокусното разстояние и дължината на вълната на светлината и обратно пропорционални на диаметъра на отвора. Оценката за оптичната система на окото дава диаметър на петното на разсейване от около 6,5 µm с диаметър на зеницата 4 mm.
Невъзможно е да се намали диаметърът на светлинното петно под границата на дифракция, дори ако законите на геометричната оптика привеждат всички лъчи в една точка. Дифракцията ограничава границата за подобряване на качеството на изображението, осигурено от всяка пречупваща оптична система, дори идеална. В същото време дифракцията на светлината, не по-лоша от пречупването, може да се използва за получаване на изображение, което успешно се използва в дифракционно-рефракционни ВОЛ. Но това е друга тема.
Библиографска връзка
Чередник В.И., Треушников В.М. СФЕРИЧНА АБЕРАЦИЯ И АСФЕРИЧНИ ВЪТРЕОЧНИ ЛЕЩИ // Основни изследвания. – 2007. – № 8. – С. 38-41;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=3359 (дата на достъп: 23.03.2020 г.). Предлагаме на вашето внимание списания, издадени от издателство "Академия за естествени науки"
Фиг. 1Илюстрация на недостатъчно коригирана сферична аберация. Повърхността в периферията на лещата има фокусно разстояние, по-малко от това в центъра.
Повечето фотографски лещи се състоят от елементи със сферични повърхности. Такива елементи са относително лесни за производство, но тяхната форма не е идеална за формиране на изображение.
Сферична аберация- това е един от дефектите във формирането на изображението, който възниква поради сферичната форма на лещата. Ориз. Фигура 1 илюстрира сферична аберация за положителна леща.
Лъчите, които преминават през лещата по-далеч от оптичната ос, се фокусират на позиция с. Лъчите, които преминават по-близо до оптичната ос, се фокусират на позиция а, те са по-близо до повърхността на лещата. По този начин позицията на фокуса зависи от мястото, където лъчите преминават през лещата.
Ако ръбовият фокус е по-близо до лещата, отколкото аксиалният фокус, както се случва с положителна леща Фиг. 1, тогава те казват, че сферичната аберация некоригиран. Обратно, ако фокусът на ръба е зад аксиалния фокус, тогава се казва, че има сферична аберация ревизиран.
Изображението на точка, направено от леща със сферични аберации, обикновено се получава от точки, заобиколени от ореол от светлина. Сферичната аберация обикновено се появява на снимките чрез смекчаване на контраста и замъгляване на фините детайли.
Сферичната аберация е еднаква в полето, което означава, че надлъжният фокус между ръбовете на лещата и центъра не зависи от наклона на лъчите.
От фиг. 1 изглежда, че е невъзможно да се постигне добра острота на обектив със сферична аберация. Във всяка позиция зад лещата върху фоточувствителния елемент (филм или сензор), вместо ясна точка, ще се проектира диск за размазване.
Има обаче геометрично „най-добър“ фокус, който съответства на диска с най-малко размазване. Този уникален ансамбъл от светлинни конуси има минимално напречно сечение в позиция b.
Изместване на фокуса
Когато диафрагмата е зад обектива, се получава интересен феномен. Ако диафрагмата е затворена по такъв начин, че прекъсва лъчите по периферията на лещата, тогава фокусът се измества надясно. При много затворена бленда най-добрият фокус ще се наблюдава в позицията ° С, тоест позициите на дисковете с най-малко замъгляване, когато отворът е затворен и когато отворът е отворен, ще се различават.
За да получите най-добра рязкост при затворена бленда, матрицата (филмът) трябва да се постави в позиция ° С. Този пример ясно показва, че има възможност да не се постигне най-добрата острота, тъй като повечето фотографски системи са проектирани да работят с широка бленда.
Фотографът фокусира с напълно отворена бленда и прожектира диска с най-малко замъгляване в позицията върху сензора. b, тогава при снимане блендата автоматично се затваря до зададената стойност и той не подозира нищо за това, което следва в този момент изместване на фокуса, което му пречи да постигне най-добра острота.
Разбира се, затворената бленда намалява сферичните аберации и в точката b, но все пак няма да има най-добрата острота.
Потребителите на DSLR могат да затворят апертурата за визуализация, за да фокусират върху действителната апертура.
Норман Голдбърг предложи автоматична компенсация за изместване на фокуса. Zeiss пусна линия обективи за далекомер за камери Zeiss Ikon, които се отличават със специално проектиран дизайн за минимизиране на изместването на фокуса при промяна на стойностите на блендата. В същото време сферичните аберации в лещите за камери с далекомер са значително намалени. Колко важно е изместването на фокуса за обективите на камерата с далекомер, ще попитате? Според производителя на обектива LEICA NOCTILUX-M 50mm f/1 тази стойност е около 100 микрона.
Модел на замъгляване извън фокус
Ефектът от сферичните аберации върху изображение във фокус е трудно да се различи, но може да се види ясно в изображение, което е леко извън фокус. Сферичната аберация оставя видима следа в зоната извън фокуса.
Връщайки се към фиг. 1, може да се отбележи, че разпределението на интензитета на светлината в диска за размазване при наличие на сферична аберация не е равномерно.
бременна ° Сзамъгленият диск се характеризира с ярко ядро, заобиколено от слаб ореол. Докато дискът за размазване е на позиция аима по-тъмна сърцевина, заобиколена от светъл пръстен от светлина. Такива аномални разпределения на светлината могат да се появят в зоната извън фокуса на изображението.
Ориз. 2 Промени в размазването пред и зад точката на фокусиране
Пример на фиг. 2 показва точка в центъра на кадъра, заснета в макро режим 1:1 с обектив 85/1,4, монтиран върху макро обектив с мех. Когато сензорът е на 5 mm зад най-добрия фокус (средна точка), дискът за замъгляване показва ефект на ярък пръстен ( ляво място), подобни дискове за размазване се получават с огледални лещи на менискус.
И когато сензорът е с 5 mm пред най-добрия фокус (т.е. по-близо до обектива), естеството на замъгляването се е променило към ярък център, заобиколен от слаб ореол. Както можете да видите, обективът има свръхкоригирана сферична аберация, тъй като се държи обратно на примера на фиг. 1.
Следващият пример илюстрира ефекта от две аберации върху разфокусирани изображения.
На фиг. 3 показва кръст, който е сниман в центъра на кадъра със същия обектив 85/1.4. Макрокозината е удължена с приблизително 85 мм, което дава увеличение приблизително 1:1. Камерата (матрицата) беше преместена на стъпки от 1 mm в двете посоки от максималния фокус. Кръстът е по-сложно изображение от точката и цветните индикатори предоставят визуални илюстрации на неговото замъгляване.
Ориз. 3 Числата в илюстрациите показват промените в разстоянието от лещата до матрицата, това са милиметри. камерата се движи от -4 до +4 mm на стъпки от 1 mm от най-добрата позиция на фокус (0)
Сферичната аберация е отговорна за твърдия характер на замъгляването при отрицателни разстояния и за прехода към меко замъгляване при положителни. Също така представляват интерес цветните ефекти, които възникват от надлъжна хроматична аберация (аксиален цвят). Ако обективът е лошо сглобен, тогава сферичната аберация и аксиалният цвят са единствените аберации, които се появяват в центъра на изображението.
Най-често силата и понякога естеството на сферичната аберация зависи от дължината на вълната на светлината. В този случай комбинираният ефект на сферична аберация и аксиален цвят се нарича . От това става ясно, че явлението, илюстрирано на фиг. 3 показва, че този обектив не е предназначен да се използва като макро обектив. Повечето обективи са оптимизирани за фокусиране в близко поле и безкрайно фокусиране, но не и за макро 1:1. При такъв подход обикновените лещи ще се държат по-зле от макро лещите, които се използват специално на близки разстояния.
Въпреки това, дори ако обективът се използва за стандартни приложения, сферохроматизмът може да се появи в зоната извън фокуса по време на нормално снимане и да повлияе на качеството.
заключения
Разбира се, илюстрацията на фиг. 1 е преувеличено. В действителност количеството остатъчни сферични аберации във фотографските лещи е малко. Този ефект е значително намален чрез комбиниране на елементи на лещите за компенсиране на сумата от противоположни сферични аберации, използването на висококачествено стъкло, внимателно проектирана геометрия на лещите и използването на асферични елементи. В допълнение, плаващите елементи могат да се използват за намаляване на сферичните аберации в определен диапазон от работни разстояния.
В случай на лещи с недостатъчно коригирана сферична аберация ефективен методЗа да подобрите качеството на изображението, затворете блендата. За недостатъчно коригирания елемент на фиг. 1 Диаметърът на дисковете за размазване намалява пропорционално на куба на диаметъра на блендата.
Тази зависимост може да се различава за остатъчните сферични аберации в сложни конструкции на лещи, но като правило затварянето на блендата с едно спиране вече дава забележимо подобрение на изображението.
Като алтернатива, вместо да се бори със сферичната аберация, фотографът може умишлено да я използва. Омекотяващите филтри на Zeiss, въпреки плоската си повърхност, добавят сферични аберации към изображението. Те са популярни сред портретните фотографи за постигане на мек ефект и впечатляващо изображение.
© Paul van Walree 2004–2015
Превод: Иван Косареков
