Объектив с исправленной сферической аберрацией. Фундаментальные исследования. Уменьшение и исправление

Сферическая аберрация ()

Если все коэффициенты, за исключением В, равны нулю, то (8) принимает вид

Аберрационные кривые в этом случае имеют форму концентрических окружностей, центры которых расположены в точке параксиального изображения, а радиусы пропорциональны третьей степени радиуса зоны, но не зависят от положения () предмета в зоне зрения. Такой дефект изображения называется сферической аберрацией.

Сферическая аберрация, будучи независимой от искажает как осевые, так и внеосевые точки изображения. Лучи, выходящие из осевой точки предмета и составляющие существенные углы с осью, пересекут её в точках, лежащих перед параксиальным фокусом или за ним (рис. 5.4). Точка, в которой пересекаются с осью лучи от края диафрагмы, назывался краевым фокусом. Если экран в области изображения помещен под прямым углом к оси, то существует такое положение экрана, при котором круглое пятно изображения на нем минимально; это минимальное «изображение» называется наименьшим кружком рассеяния.

Кома ()

Аберрация, характеризующаяся отличным от нуля коэффициентом F, называется комой. Компоненты лучевой аберрации в этом случае имеют, согласно (8). вид

Как мы видим, при фиксированных и радиусе зоны точка, (см. рис. 2.1) при изменении от 0 до дважды описывает в плоскости изображения окружность. Радиус окружности равен, а её центр находится на расстоянии от параксиального фокуса в сторону отрицательных значений у . Следовательно, эта окружность касается двух прямых, проходящих через параксиальное изображение, и составляющих с осью у углы в 30°. Если прибегает все возможные значения, то совокупность подобных окружностей образует область, ограниченную отрезками этих прямых и дугой наибольшей аберрационной окружности (рис. 3.3). Размеры получающейся области линейно возрастают с увеличением расстояния точки предмета от оси системы. При выполнении условия синусов Аббе система дает резкое изображение элемента плоскости предмета, расположенного в непосредственной близости от оси. Следовательно, в этом случае разложение функции аберрации не может содержать члены, линейно зависящие от. Отсюда вытекает, что если условие синусов выполняется, первичная кома отсутствует.

Астигматизм () и кривизна поля ()

Аберрации, характеризующиеся коэффициентами С и D, удобнее рассматривать совместно. Если все остальные коэффициенты в (8) равны нулю, то

Чтобы продемонстрировать важность таких аберраций, предположим вначале, что пучок, формирующий изображение, очень узок. Согласно § 4.6 лучи такого пучка пересекают два коротких отрезка кривых, одна из которых (тангенциальная фокальная линия) ортогональна меридиональной плоскости, а другая (сагиттальная фокальная линия) лежит в этой плоскости. Рассмотрим теперь свет, исходящий от всех точек конечной области плоскости предмета. Фокальные линии в пространстве изображения перейдут в тангенциальную и сагиттальную фокальные поверхности. В первом приближении эти поверхности можно считать сферами. Пусть и -- их радиусы, которые считаются положительными, если соответствующие центры кривизны расположены по ту сторону от плоскости изображения, откуда распространяется свет (в случае, изображенном на рис. 3.4. и).

Радиусы кривизны можно выразить через коэффициенты С и D . Для этого при вычислении лучевых аберраций с учетом кривизны удобнее использовать обычные координаты, а не переменные Зайделя. Имеем (рис. 3.5)

где u - малое по величине расстояние между сагиттальной фокальной линией и плоскостью изображении. Если v - расстояние от этой фокальной линии до оси, то

если еще пренебречь и по сравнению с, то из (12) находим

Аналогично

Запишем теперь эти соотношения через переменные Зайделя. Подставляя в них (2.6) и (2.8), получим

и аналогично

В последних двух соотношениях можно заменить на и тогда, используя (11) и (6), получим

Величину 2С + D обычно называют тангенциальной кривизной поля , величину D -- сагиттальной кривизной поля , а их полусумму

которая пропорциональна их среднему арифметическому значению,-- просто кривизной поля .

Из (13) и (18) следует, что на высоте от оси расстояние между двумя фокальными поверхностями (т.е. астигматическая разность пучка, формирующего изображение) равно

Полуразность

называется астигматизмом . В отсутствие астигматизма (С = 0) имеем. Радиус R общей, совпадающей, фокальной поверхности можно в этом случае вычислить с помощью простой формулы, в которую входят радиусы кривизны отдельных поверхностей системы и показатели преломления всех сред.

Дисторсия ()

Если в соотношениях (8) отличен от нуля лишь коэффициент Е , то

Поскольку сюда не входят координаты и, отображение получится стигматическим и не будет зависеть от радиуса выходного зрачка; однако расстояния точек изображения до оси не будут пропорциональны соответствующим расстояниям для точек предмета. Эта аберрация называется дисторсией.

При наличии такой аберрации изображение любой прямой в плоскости предмета, проходящей через ось, будет прямой линией, но изображение любой другой прямой будет искривленным. На рис. 3.6, а показан предмет в виде сетки прямых, параллельных осям х и у и расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Рис. 3.6. б иллюстрирует так называемую бочкообразную дисторсию (Е>0 ), а рис. 3.6. в - подушкообразную дисторсию (Е<0 ).

Рис. 3.6.

Ранее указывалось, что из пяти аберраций Зайделя три (сферическая, кома и астигматизм) нарушают резкость изображения. Две другие (кривизна поля и дисторсия) изменяют его положение и форму. В общем случае невозможно сконструировать систему, свободную как от всех первичных аберраций, так и от аберраций более высокого порядка; поэтому всегда приходится искать какое-то подходящее компромиссное решение, учитывающее их относительные величины. В некоторых случаях аберрации Зайделя можно существенно уменьшить за счет аберраций более высокого порядка. В других случаях необходимо полностью уничтожить некоторые аберрации, несмотря на то, что при этом появляются аберрации других типов. Например, в телескопах должна быть полностью устранена кома, потому что при наличии ее, изображение будет несимметричным и все прецизионные астрономические измерения положения потеряют смысл. С другой стороны, наличие некоторой кривизны поля и дисторсии относительно безвредно, поскольку от них можно избавиться с помощью соответствующих вычислений.

оптический аберрация хроматический астигматизм дисторсия

Словом аберрация обозначают множество оптических эффектов связанных с искажением объекта при наблюдении. В этой статье мы расскажет о нескольких видах аберрации, наиболее актуальных для астрономических наблюдений.

Аберрация света в астрономии это кажущееся смещение небесного объекта вследствие конечной скорости распространения света в сочетании с движением наблюдаемого объекта и наблюдателя. Действие аберрации приводит к тому, что видимое направление на объект не совпадает с геометрическим направлением на него в тот же момент времени.

Эффект состоит в том, что вследствие движения Земли вокруг Солнца и времени, необходимого для распространения света, наблюдатель видит звезду не в том месте, где она находится. Если бы Земля была неподвижна, или если бы свет распространялся мгновенно, то световой аберрации не было бы. Поэтому, определяя положение звезды на небе посредством телескопа, мы должны отсчитать не тот угол, под которым наклонена звезда, а несколько увеличив его в сторону движения Земли.

Эффект аберрации не велик. Наибольшая его величина достигается при условии движения земли перпендикулярного направлению луча. При этом отклонение положения звезды составляет всего 20,4 секунды, потому что земля в 1 секунду времени проходит только 30км, а луч света— 300 000км.

Существует также несколько видов геометрической аберрации . Сферическая аберрация — аберрация линзы или объектива, заключающаяся в том, что широкий пучок монохроматического света, исходящий из точки, лежащей на главной оптической оси линзы, при прохождении через линзу пересекается не в одной, а во многих точках, расположенных на оптической оси на разном удалении от линзы, вследствие чего изображение получается нерезким. В результате такой точечный объект как звезду можно видеть как небольшой шарик, принимая размер этого шарика за размеры звезды.

Кривизна поля изображения — аберрация, в результате которой изображение плоского объекта, перпендикулярного к оптической оси объектива, лежит на поверхности, вогнутой либо выпуклой к объективу. Эта аберрация вызывает неравномерную резкость по полю изображения. Поэтому, когда центральная часть изображения сфокусирована резко, то его края будут лежать не в фокусе и изображение нерезко. Если установку на резкость производить по краям изображения, то его центральная часть будет нерезкой. Этот вид аберрации не существенен для астрономии.

А вот и еще несколько видов аберрации:

Дифракциoнная аберрация возникает вследствие дифракции света на диафрагме и оправе фотообъектива. Дифракционная аберрация ограничивает разрешающую способность фотообъектива. Из-за этой аберрации минимальное угловое расстояние между точками, разрешаемое объективом, ограничено величиной лямда/D радиан, где ламда — длина волны используемого света (к оптическому диапазону обычно относят электромагнитные волны с длиной от 400 нм до 700 нм), D — диаметр объектива. Глядя на эту формулу становится понятным, на сколько важен диаметр объектива. Именно этот параметр является ключевым для самых больших и самых дорогих телескопов. Также ясно, что телескоп способный видеть в рентгеновских лучах выгодно отличается от обычного оптического телескопа. Дело в том, что длинна волны рентгеновских лучей в 100 раз меньше длинны волны света в оптическом диапазоне. Следовательно для таких телескопов минимально различимое угловое расстояние в 100 раз меньше чем для обычных оптических телескопов с тем же диаметром объектива.

Изучение аберрации позволило существенно усовершенствовать астрономические приборы. В современных телескопах эффекты аберрации сведены в минимуму, однако именно аберрация ограничивает возможности оптических приборов.

Рис.1 Иллюстрация недоисправленных сферической аберрации. Поверхрность на периферии линзы имеет фокусное расстояние короче, чем в центре.

Большинство фотографических объективов состоят из элементов со сферическими поверхностями. Такие элементы относительно легко изготовить, но их форма неидеальна для формирования изображения.

Сферическая аберрация - это один из дефектов при формировании изображения, возникающий из-за сферической формы линзы. Рис. 1 иллюстрирует сферическую аберрацию для положительной линзы.

Лучи, которые проходят сквозь линзу дальше от оптической оси, сфокусированы в позиции с . Лучи, которые проходят ближе к оптической оси, сфокусированы в позиции a , они находятся ближе к поверхности линзы. Таким образом положение фокуса зависит от места, в котором проходят лучи сквозь линзу.

Если краевой фокус ближе к линзе, чем осевой фокус, как происходит с положительной линзой Рис. 1, тогда говорят, что сферическая аберрация недоисправленная . И наоборот, если краевой фокус находится за осевым фокусом, то говорят, что сферическая аберрация переисправленная .

Изображение точки, сделанное объективом со сферическими аберрациями обычно получаются точками, окруженными ореолом света. Сферическая аберрация обычно проявляются на фотографиях смягчением контраста и размытием мелких деталей.

Сферическая аберрация однородна по полю, это значит, что продольный фокус между краями линзы и центром не зависит от наклона лучей.

Из Рис.1 кажется, что на линзе со сферической аберрацией невозможно добиться хорошей резкости. В любом положении сзади линзы на светочувствительном элементе (пленка или матрица) вместо четкой точки будет проецироваться диск размытия.

Тем не менее, существует геометрически "лучший" фокус, который соответствует диску наименьшего размытия. Это своеродный ансамбль световых конусов имеет минимальное сечение, в положении b .

Смещение фокуса (Focus shift)

Когда диафрагма находится за линзой, наблюдается интересное явление. Если диафрагма прикрыта таким образом, что срезает лучи на периферии линзы, то фокус сдвигается вправо. При сильно прикрытой диафрагме наилучший фокус будет наблюдаться в положении c , то есть положения дисков наименьшего размытия при прикрытой диафрагме и при открытой диафрагме будут различаться.

Чтобы получить наилучшую резкость на прикрытой диафрагме, матрица (пленка) должна размещаться в положении c . Этот пример четко показывает, что существует вероятность того, что наилучшая резкость не будет достигнута, поскольку большинство фотографических систем рассчитываются на работу с открытой диафрагмой.

Фотограф фокусируется при полностью открытой диафрагме, и проецирует на матрицу диск наименьшего размытия в позиции b , затем при съемке диафрагма автоматически закрывается до установленного значения, и он ничего не подозревает о последующем в этот момент сдвиге фокуса , что не позволяет ему добиться наилучшей резкости.

Конечно, прикрытая диафрагма уменьшает сферические аберрации также и в точке b , но все же в ней будет не наилучшая резкость.

Пользователи зеркальных фотоаппаратов могут закрыть диафрагму для предварительного просмотра , чтобы сфокусироваться при реальной диафрагме.

Автоматическую компенсацию смещения фокуса предложил Норман Гольдберг. Фирма Zeiss запустила линию дальномерных объективов для фотоаппаратов Zeiss Ikon, которые имеют специально разработанную схему для минимизации смещения фокуса с изменением значений диафрагмы. При этом сферические аберрации у объективов для дальномерных фотоаппаратов существенно снижаются. Вы спросите насколько смещение фокуса существенно для объективов дальномерных фотоаппаратов? По заявлению производителя объектива LEICA NOCTILUX-M 50mm f/1, это значение порядка 100 мкм.

Характер размытия вне зоны фокуса

Влияние сферических аберраций на изображение в фокусе трудно различить, но их можно четко увидеть в изображении, которое находится в легком расфокусе. Сферическая аберрация оставляет видимый след в зоне нерезкости.

Возвращаясь к Рис.1 можно отметить, что распределение интенсивности света в диске размытия при наличии сферической аберрации не является равномерным.

В положении c диск размытия характеризуется яркой сердцевиной, окруженной слабым ореолом. В то время как диск размытия в положении a имеет более темную сердцевину, окруженную ярким кольцом света. Такие аномальные распределения света могут проявляться в зоне нерезкости изображения.

Рис. 2 Изменения размытия перед и за точкой в фокусе

Пример на Рис. 2 показывает точку в центре кадра, снятую в режиме макро 1:1 объективом 85/1.4, установленным на макромех. Когда матрица находится на 5 мм сзади наилучшего фокуса (точка посредине), диск размытия показывает эффект яркого кольца (левое пятно), подобные диски размытия получаются у зеркально-менисковых объективов.

А когда матрица находится на 5 мм впереди наилучшего фокуса, (т.е. ближе к объективу), характер размытия изменился в сторону яркого центра, окуженного слабым ореолом. Как видно, у объектива переисправлена сферическая аберрация, поскольку он ведет себя противоположно примеру на Рис. 1.

Следующий пример иллюстрирует действие двух аберраций, на изображениях вне фокуса.

На Рис. 3 изображен крестик, который сфотографирован по центру кадра, тем же объективом 85/1.4. Макромех вытянут примерно на 85 мм, что дает увеличение примерно 1:1. Фотоаппарат (матрица) перемещался с шагом 1 мм в обе стороны от максимального фокуса. Крестик является более сложным изображением чем точка, а показатели цвета дают наглядные иллюстрации его размытий.

Рис. 3 Цифры на иллюстрациях указывают на изменения дистанции от объектива до матрицы, это миллиметры. камера двигается от -4 до +4 мм с шагом 1 мм от положения наилучшего фокуса (0)

Сферическая аберрация отвечает за жесткий характер размытия при отрицательных расстояниях и за переход к мягкому размытию при положительных. Также интерес представляют цветовые эффекты, которые возникают из-за продольной хроматической аберрации (осевой цвет). Если объектив плохо собран, то сферическая аберрация и осевой цвет это единственные аберрации, которые проявляются в центре изображения.

Чаще всего сила а иногда и характер сферической аберрации зависит от длинны волны света. В таком случае совместное воздействие сферической аберрации и осевого цвета называется . Из этого становится ясно, что явление, проиллюстрированное на Рис. 3 показывает, что данный объектив не предназначен для использовании в качестве макрообъектива. Большинство объективов оптимизированы для использования в ближнем поле фокусировки а также для фокусировки на бесконечность, но не для макро 1:1. При таком приближении обычные объективы будут вести себя хуже чем макрообъективы, которые используются специально на ближних дистанциях.

Тем не менее, даже если объектив используется для стандартного применения, сферохроматизм может проявляться в зоне нерезкости при обыкновенной съемке и влиять на качество .

Выводы
Конечно, иллюстрация на Рис. 1 является преувеличением. В реальности количество остаточных сферических аберраций в фотографических объективах мало. Этот эффект значительно уменьшен благодаря комбинированию элементов объектива в следствии чего компенсируются суммы противоположных сферических аберраций, использованию высококачественного стекла, тщательно продуманной геометрией линз и использованием асферических элементов. Кроме того, могут быть использованы плавающие элементы для уменьшения сферических аберраций в определенном диапазоне рабочих расстояний.

В случае объективов, с недоисправленой сферической аберрацией эффективный способ улучшить качество изображения это прикрыть диафрагму. Для недоисправленного элемента на Рис. 1 диаметр дисков размытия уменьшается пропорционально кубу диаметра диафрагмы.

Эта зависимость может отличаться для остаточных сферических аберраций в сложных схемах объективов, но, как правило закрытие диафрагмы на одну ступень уже дает заметное улучшение изображения.

Альтернативно, вместо того, чтобы бороться со сферической аберрацией, фотограф может намеренно ее использовать. Смягчающие фильтры Zeiss, несмотря на плоскую поверхность добавляют в изображение сферические аберрации. Они популярны среди фотографов-портретистов для получения софт-эффекта и импрессивного характера изображения.

© Paul van Walree 2004–2015
Перевод: Иван Косареков

И астигматизма). Различают сферическую аберрацию третьего, пятого и высшего порядков .

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Расстояние δs" по оптической оси между точками схода нулевых и крайних лучей называется продольной сферической аберрацией .

  Диаметр δ" кружка (диска) рассеяния при этом определяется по формуле

  δ ′ = 2 h 1 δ s ′ a ′ {\displaystyle {\delta "}={\frac {2h_{1}\delta s"}{a"}}} ,

  • 2h 1 - диаметр отверстия системы;
  • a" - расстояние от системы до точки изображения;
  • δs" - продольная аберрация.

  Для объектов расположенных в бесконечности

  A ′ = f ′ {\displaystyle {a"}={f"}} ,

  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 для поперечной аберрации по оси абсцисс откладывают тангенсы апертурных углов в пространстве изображений, а по оси ординат радиусы кружков рассеяния δg"

  Комбинируя такие простые линзы, можно значительно исправить сферическую аберрацию.

  Уменьшение и исправление

  В отдельных случаях небольшая величина сферической аберрации третьего порядка может быть исправлена за счёт некоторой дефокусировки объектива. При этом плоскость изображения смещается к, так называемой, «плоскости лучшей установки» , находящейся, как правило, посередине, между пересечением осевых и крайних лучей, и не совпадающей с самым узким местом пересечения всех лучей широкого пучка (диском наименьшего рассеяния) . Это несовпадение объясняется распределением световой энергии в диске наименьшего рассеяния, образующей максимумы освещённости не только в центре, но и на краю . То есть, можно сказать, что «диск» представляет из себя яркое кольцо с центральной точкой. Поэтому, разрешение оптической системы, в плоскости совпадающей с с диском наименьшего рассеяния, будет ниже, несмотря на меньшую величину поперечной сферической аберрации. Пригодность этого метода зависит от величины сферической аберрации, и характера распределения освещённости в диске рассеяния.

  Достаточно успешно сферическая аберрация исправляется при помощи комбинации из положительной и отрицательной линз . Причём, если линзы не склеиваются, то, кроме кривизны поверхностей компонентов, на величину сферической аберрации будет влиять и величина воздушного зазора (даже в том случае, если поверхности, ограничивающие этот воздушный промежуток, имеют одинаковую кривизну). При этом способе коррекции, как правило исправляются и хроматические аберрации .

  Строго говоря, сферическая аберрация может быть вполне исправлена только для какой-нибудь пары узких зон, и притом лишь для определенных двух сопряженных точек. Однако, практически исправление может быть весьма удовлетворительным даже для двухлинзовых систем.

  Обычно сферическую аберрацию устраняют для одного значения высоты h 0 соответствующего краю зрачка системы. При этом наибольшее значение остаточной сферической аберрации ожидается на высоте h e определяемой по простой формуле
  h e h 0 = 0.707 {\displaystyle {\frac {h_{e}}{h_{0}}}={0.707}}