АБЕРРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ • Большая российская энциклопедия

АБЕРРА́ЦИИ ОПТИ́ЧЕСКИХ СИСТЕ́М (от лат. aberratio – ук­ло­не­ние), ис­ка­же­ния изо­бра­же­ний, соз­да­вае­мых оп­тич. сис­те­ма­ми. Про­яв­ля­ют­ся в том, что оп­тич. изо­бра­же­ния не впол­не от­чёт­ли­вы, неточ­но со­от­вет­ст­ву­ют объ­ек­там или ока­зы­ва­ют­ся ок­ра­шен­ны­ми. Су­ще­ст­ву­ет неск. ви­дов абер­ра­ций. Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ны­ми яв­ля­ют­ся хро­ма­ти­че­ская абер­ра­ция и сле­дую­щие гео­мет­рич. абер­ра­ции: сфе­ри­че­ская, ас­тиг­ма­тизм, ко­ма, дис­тор­сия, кри­виз­на по­ля изо­бра­же­ния.

Сфе­ри­че­ская абер­ра­ция за­клю­ча­ет­ся в том, что све­то­вые лу­чи, ис­пу­щен­ные од­ной точ­кой объ­ек­та и про­шед­шие од­ни из них вбли­зи оп­тич. оси, а дру­гие че­рез от­да­лён­ные от оси час­ти сис­те­мы, не со­би­ра­ют­ся в од­ной точ­ке. Вслед­ст­вие это­го изо­бра­же­ние, соз­да­вае­мое па­рал­лель­ным пуч­ком лу­чей на пер­пен­дику­ляр­ном оси эк­ра­не, име­ет вид не точ­ки, а круж­кá с яр­ким ядром и ос­ла­бе­ваю­щим по яр­ко­сти оре­о­лом (т.  н. кру­жок рас­сея­ния). Спе­ци­аль­ным под­бо­ром линз (со­би­раю­щих и рас­сеи­ваю­щих) сфе­рич. абер­ра­цию мож­но поч­ти пол­но­стью уст­ра­нить.

Рис. 1. Световой пучок, прошедший через оптическую систему, обладающую астигматизмом. Внизу показаны сечения пучка плоскостями, перпендикулярными оптической оси системы.

Ас­тиг­ма­тизм про­яв­ля­ет­ся в том, что изо­бра­же­ние точ­ки, не ле­жа­щей на глав­ной оп­тич. оси, пред­став­ля­ет со­бой не точ­ку, а две вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ные ли­нии, рас­по­ло­жен­ные в раз­ных плос­ко­стях на не­ко­то­ром рас­стоя­нии друг от дру­га. Изо­бра­же­ния точ­ки в про­ме­жу­точ­ных ме­ж­ду эти­ми плос­ко­стя­ми се­че­ни­ях име­ют вид эл­лип­сов (рис. 1). Ас­тиг­ма­тизм обу­слов­лен не­оди­на­ко­во­стью кри­виз­ны оп­тич. по­верх­но­сти в раз­ных плос­ко­стях се­че­ния па­даю­ще­го на неё све­то­во­го пуч­ка и воз­ни­ка­ет ли­бо вслед­ст­вие асим­мет­рии оп­тич. сис­те­мы (напр., в ци­лин­д­рич. лин­зах), ли­бо в обыч­ных сфе­рич. лин­зах при па­де­нии све­то­во­го пуч­ка под боль­шим уг­лом к оси. Ас­тигма­тизм ис­прав­ля­ют та­ким под­бо­ром линз, что­бы од­на ком­пен­си­ро­ва­ла ас­тиг­ма­тизм дру­гой. Ас­тиг­ма­тиз­мом мо­жет об­ла­дать че­ло­ве­че­ский глаз (см. Асти­гма­тизм гла­за).

При на­клон­ном па­де­нии лу­чей на оп­тич. си­сте­му в ре­зуль­та­те на­ру­ше­ния сим­мет­рии пуч­ка воз­ни­ка­ет ещё од­на абер­ра­ция – ко­ма, при ко­то­рой изо­бра­же­ние точ­ки име­ет вид не­сим­мет­рич­но­го пят­на рас­се­я­ния. Её раз­ме­ры про­пор­ци­о­наль­ны квад­ра­ту уг­ло­вой апер­ту­ры оп­тич. си­сте­мы и уг­ло­во­му уда­ле­нию точ­ки-объ­е­кта от оп­тич. оси. Ко­ма ве­ли­ка в те­ле­ско­пах с па­ра­бо­лич. зер­ка­ла­ми. Ис­прав­ля­ют ко­му под­бо­ром линз.

Рис. 2. Дисторсия.

Для дис­тор­сии ха­рак­тер­но на­ру­ше­ние гео­мет­рич. по­до­бия ме­ж­ду объ­ек­том и его изо­бра­же­ни­ем. Дис­тор­сия обус­лов­ле­на не­оди­на­ко­вым ли­ней­ным уве­ли­че­ни­ем оп­тич. сис­те­мы на раз­ных уча­ст­ках изо­бра­же­ния. При­мер ис­ка­же­ний, ко­то­рые да­ёт сис­те­ма, об­ла­даю­щая дис­тор­си­ей, при­ве­дён на рис. 2. Сле­ва от цен­траль­но­го квад­ра­та по­ка­за­но его изо­бра­же­ние, ис­ка­жён­ное за счёт по­душ­ко­об­раз­ной (по­ло­жи­тель­ной) дис­тор­сии, спра­ва – ис­ка­жён­ное за счёт боч­ко­об­раз­ной (от­ри­ца­тель­ной) дис­тор­сии. Дис­тор­сия ус­тра­ня­ет­ся под­бо­ром линз.

Кри­виз­на по­ля – абер­ра­ция осе­сим­мет­рич­ной оп­тич. сис­те­мы, она за­клю­ча­ет­ся в том, что изо­бра­же­ние плос­ко­го пред­ме­та по­лу­ча­ет­ся пло­ским не в плос­ко­сти, как долж­но быть в иде­аль­ной сис­те­ме, а на ис­крив­лён­ной по­верх­но­сти. В слож­ных оп­тич. сис­те­мах кри­виз­ну по­ля ис­прав­ля­ют, со­че­тая лин­зы с по­верх­но­стя­ми раз­ной кри­виз­ны.

Оп­тич. сис­те­мы мо­гут об­ла­дать од­но­вре­мен­но неск. абер­ра­ция­ми, уст­ра­нить их все сра­зу – очень слож­ная за­да­ча. Обыч­но абер­ра­ции уст­ра­ня­ют час­тич­но в за­ви­си­мо­сти от на­зна­че­ния оп­тич. сис­те­мы. В не­ко­то­рых слу­ча­ях ис­поль­зу­ют ме­то­ды адап­тив­ной оп­ти­ки.

Хро­ма­тич. абер­ра­ция свя­за­на с за­ви­си­мо­стью по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния сред от дли­ны вол­ны све­та.

Не­со­вер­шен­ст­ва изо­бра­же­ний, фор­ми­руе­мых оп­тич. сис­те­мой, воз­ни­ка­ют так­же в ре­зуль­та­те ди­фрак­ции све­та на оп­ра­вах линз, диа­фраг­мах и т. п. Та­кие абер­ра­ции прин­ци­пи­аль­но не­уст­ра­ни­мы, хо­тя и мо­гут быть умень­ше­ны. Но они обыч­но не так силь­но влия­ют на изо­бра­же­ние, как гео­мет­ри­че­ские и хро­ма­ти­че­ские.

Аберрации и их влияние на изображение

Статья описывает базовые понятия аберраций, классификацию аберраций, а также возможные методики устранения аберраций применительно к микроскопным объективам. В статье описана методика выбора микроскопных объективов исходя из задач исследователя.
Аберрации в оптических системах — погрешность изображения, вызванная любым отклонением реальных лучей от геометрических направлений по которым они должны были бы идти в идеальной оптической системе. Аберрации можно классифицировать на монохроматические (то есть присущие монохроматическим лучам – лучам одной длины волны) и хроматические.

Монохроматические аберрации

Монохроматические аберрации – погрешности, присущие любой реальной оптической системе. Возникновение связано с тем, что поверхности, преломляющие лучи неспособны собрать в точку широкие пучки лучей, падающие на них под большими углами. Монохроматические аберрации приводят к искажению изображения точки в некоторую фигуру рассеяния, что снижает четкость изображения и нарушает подобие изображения и предмета.
Монохроматические аберрации классифицируют пятью аберрациями Зейделя:

S

_I — сферическая аберрацияСферическая аберрация оптической системы. Лучи, параллельные оси оптической системы сходится не в точке, а в перетяжке.

Сферическая аберрация оптических систем из-за несовпадения фокусов для лучей света проходящих на разных расстояниях от оптической оси. Нарушает гомоцентричность пучка света, но не нарушает симметричность.
Существует несколько путей исправления сферической аберрации:
Во-первых, снижение кривизны линзы (использование стекла с большим показателем преломления в совокупности с увеличением радиусов поверхностей линзы, сохраняя, тем самым, ее оптическую силу).
Во-вторых, применением комбинации из положительных и отрицательных линз. Обычно параллельно с исправлением сферической аберрации исправляют также хроматические аберрации.
В-третьих, применяют диафрагмирование – отсечение краевых лучей широкого пучка. Способ позволяет снизить значение рассеяния, но непригоден для оптических систем требующих высокой светосилы.
Полностью избавиться от сферической аберрации невозможно, но способы снизить ее эффективно применяются в микроскопии.

S

_II – комаАберрация Кома. Лучи, приходящие под углом к оптической оси не собираются в одной точке

Аберрация Кома обусловлена тем, что лучи, приходящие под углом к оптической оси, собираются не в одной точке. Методика исправления Комы схожа с методикой исправления сферических аберраций и, в основном, строится на использовании комбинаций положительных и отрицательных линз.

S

_III – астигматизм

Астигматизм оптической системы. Аберрация, при которой изображение точки, лежащей вне оси и сформированное узким пучком лучей представляет собой два перпендикулярных отрезка расположенных на разном расстоянии плоскости Гаусса (плоскости безаберрационного фокуса).
Астигматизм не может быть исправлен диафрагмированием, т.к. проявляется и на узких пучках. Для коррекции астигматизма применяют дуплеты положительных и отрицательных линз.

S

_IV – кривизна поля изображенияКривизна поля оптической системы. Изображение плоского объекта перпендикулярного оси оптической системы в плоскостях F1 и F2

Аберрация, при которой изображение плоского объекта, перпендикулярного оси оптической системы лежит на выпуклой или вогнутой (обычно сферической в случае симметричной оптики) поверхности относительно объектива.
Погрешность вносимая аберрацией, очень сильно сказывается в микроскопии, так как получаемое изображение плоского объекта не находится полностью в фокальной плоскости и, таким образом, на нескорректированной системе мы не можем наблюдать полностью резкое изображение объекта по всему полю.
Кривизна поля корректируется при помощи расчета системы содержащей две и более отрицательных линз, а также использующей воздушное пространство между линзами.

S

_V – дисторсияИзменение коэффициента линейного увеличения по полю зрения. Подушкообразная и бочкообразная дисторсия.

Дисторсия – изменение коэффициента линейного увеличения оптической системы по полю зрения. Дисторсия не приемлема в микроскопии, так как система, подверженная дисторсии, не обеспечивает геометрическое подобие наблюдаемого объекта и его изображения. Дисторсия исправляется подбором линз на этапе проектировки объектива. Также возможно исправление дисторсии на этапе компьютерной обработки изображения.

Хроматические аберрации (ХА)

Хроматические аберрации. Разница показателя преломления оптической системы для лучей с различной длиной волны.

Хроматические аберрации – погрешности вносимые в изображение разницей коэффициента преломления для пучков с различными длинами волн.
При прохождении света через оптические материалы наблюдается дисперсия – разложение белого света на спектр. Именно явление дисперсии запечатлено на самой знаменитой обложке музыкального альбома 20 века — Pink Floyd – The Dark Side of the Moon.
Паразитная дисперсия не позволяет лучам с различными длинами волн сфокусироваться в одной точке.
Таким образом, различают три вида хроматизма: хроматизм положения, хроматизм увеличения и хроматизм разности геометрических аберраций. В статье мы рассмотрим хроматизм положения, так как природа ХА абсолютно одинакова во всех случаях.
Для любой оптической линзы коэффициент преломления синих лучей, как правило, больше, чем красных, поэтому точка фокуса синих лучей F_blue расположена ближе к задней главной точке линзы, чем точка фокуса красных лучей F_red. Отсюда следует, что лучи, полученные разложением белого света, будут иметь различное фокусное расстояние. Единого фокусного расстояния у одной линзы не существует, а есть совокупность фокусных расстояний — по одному фокусу на луч каждого цвета.
Разность F_blue-F_red это и есть «хроматизм положения» (или хроматической разностью положения, продольной хроматической аберрацией)
Диафрагмирование несколько уменьшает хроматизм положения. При этом изображения предмета в лучах разного цвета будут находиться на разных расстояниях от задней главной точки. Если наводить оптическую систему на резкость по красным лучам, изображение в синих лучах будет не в фокусе, и наоборот.
Конструкция микроскопных объективов рассчитана на устранение хроматических аберраций. Система линз, выполняющих сближение фокусов двух (например, синих и жёлтых) лучей, называется ахроматической, а при сближении фокусов трёх лучей —апохроматической системой.
Основное правило при исправлении ХА является исправление ХА суммарно для всей системы. Нет необходимости исправлять хроматизм каждого элемента. Важно, чтобы суммарная положительная и отрицательная дисперсия элементов системы была равна нулю.

Критерии при выборе микроскопных объективов

Рассмотрев основные типы различных оптических аберраций мы можем описать основные критерии при выборе объективов для лабораторного микроскопа, ведь именно характеристиками объектива определяются разрешающая способность микроскопа, дисторсия, возможность проведения точных измерений, возможность качественного получения большого поля изображения при сильном увеличении путем сшивки частичных полей.
В большинстве случаев при выборе объективов работает правило, что чем качественнее и дороже объектив – тем он лучше для решения любых задач. Но на самом деле, во-первых, это не всегда абсолютно достоверно, во-вторых – экономическую составляющую вопроса это правило не затрагивает. А ведь порой именно она играет решающую роль при выборе оборудования того или иного класса.
Объективы для микроскопов делятся на различные классы в зависимости от коррекции монохроматических и хроматических аберраций. Каждый производитель имеет свою классификацию и свои уникальные названия для каждого из классов, что крайне усложняет прозрачность выбора той или иной линейки.
Все производители различают три больших класса объективов: Ахроматы, Полу-апохроматы (или Флюотары) и Апохроматы. Критерием внесения объектива в тот или иной класс будет являться сходимость фокальных плоскостей для трех основных цветов: красного, зеленого и синего.
Компания Leica Microsystems предлагает следующую оценку критериев (она может незначительно отличаться от оценки других производителей – Zeiss, Olympus, Nikon и др). Эта оценка дает максимально прозрачное представление коррекции ХА в зависимости от класса объектива.

Класс объективов	Коррекция хроматических аберраций	Применение
Ахроматы (Achromats)	Между Fred и Fblue < 2x DoF*. т.е. красный и синий лучи сведены в одну область, длиной менее 2 глубин резкости. Расстояние до фокуса зеленого луча не определено.	Рутинная микроскопия в видимом световом диапазоне
Полу-Апохроматы (Semi-Apochromats)	Fred, Fblue и Fgreen <2,5x DoF*. т.е. фокус красного, синего и зеленого лучей сведены в одну область шириной 2,5 глубины резкости.	Для качественной визуализации в видимом световом диапазоне, а также достижения высококонтрастного изображения.
Апохроматы (Apochromats)	Fred, Fblue и Fgreen <1x DoF*. т.е. фокус красного, синего и зеленого лучей сведены в одну точку. (Коррекция ХА по трем цветам)	Для решения задач сверхточной микроскопии, измерительной микроскопии при большом увеличении, а также для работы в УФ и ИК диапазонах.

* DoF – Depth of field – глубина резко изображаемого пространства
Каждый класс объективов делится на несколько групп в зависимости от задач применения. В основном речь идет о коррекции монохроматических аберраций, к примеру, План Ахромат и просто Ахромат будут отличаться наличием коррекции сферы, кривизны поля и дисторсии у объектива План Ахромат.
Дополнительно некоторые объективы имеют конструктивные отличия, к примеру, LD (Long distance) объективы – объективы с увеличенным рабочим расстоянием для работы с чашками Петри в биологии, или контроля объектов со сложной топографией в материаловедении. PH – объективы для фазового контраста с установленным фазовым кольцом (могут использоваться и в светлом поле, но светопропускание таких объективов ниже). OIL-объективы с использованием иммерсионного масла и т. д.

Шесть оптических аберраций, которые могут повлиять на вашу систему зрения Teledyne Lumenera

Опубликовано 19 февраля 2020 г. Опубликовано в Знаете ли вы, что представляет интерес, характеристики и технологии | Teledyne Lumenera

Что такое оптическая аберрация?  

Для получения наилучшего качества изображения объектив должен корректировать оптические аберрации. Без надлежащих исправлений изображения могут каким-то образом размыться и потерять важные данные изображения. Этот блог посвящен шести оптическим аберрациям, тому, как они возникают и как их предотвратить/уменьшить их негативное воздействие.

Оптическая аберрация относится к дефекту конструкции объектива, из-за которого свет рассеивается, а не фокусируется для формирования резкого изображения. Это варьируется от всего света на изображении до некоторых пятен или краев, которые не в фокусе. Существует несколько типов оптических аберраций, которые могут возникать при визуализации. Создание идеальной системы зрения с исправлением всех возможных аберраций значительно увеличило бы стоимость линзы. На практике всегда существует некоторая форма аберрации, которую можно обнаружить в объективе, но крайне важно свести к минимуму последствия аберрации. Поэтому обычно при изготовлении любого объектива идут на некоторые компромиссы.

Чтобы объяснить, как аберрации размывают изображение, полезно сначала объяснить: что такое кружок нерезкости? Когда точка света от цели достигает линзы, а затем сходится на датчике, она будет резкой. В противном случае, если он сходится до или после датчика, свет на датчике будет шире. Это можно увидеть на Рисунке 1, где точечный источник света сходится к датчику, но по мере изменения положения датчика меняется и количество света, распространяющегося вдоль датчика.

Чем более рассеянным становится свет, тем менее сфокусированным будет изображение. Если апертура не мала, объекты, находящиеся на большом расстоянии друг от друга на изображении, часто будут иметь не в фокусе либо фон, либо передний план. Это связано с тем, что свет, сходящийся на переднем плане, будет сходиться в другой точке, чем свет от цели, находящейся дальше на заднем плане. Для получения дополнительной информации о преимуществах использования апертуры в системах технического зрения прочитайте блог Teledyne Lumenera «Повышение производительности системы обработки изображений с помощью оптимизации апертуры объектива» 9.0003

Кома  

Кома создает свет, который должен фокусироваться как одна точка на изображении и превращает его в световой конус. Это связано с тем, что при коме свет, попадающий в разные части объектива, фокусируется все дальше и дальше друг от друга вдоль плоскости изображения, в которой расположен датчик.

Свет, попадающий в объектив под углом, может привести к тому, что на плоскости изображения световой след образует расширяющиеся круги нерезкости. Это может привести к тому, что след расширяющегося света повлияет на любой точечный источник света, который пытается отобразить, как показано на рисунке 2. В верхней части рисунка 2 изображение аберрации комы можно увидеть как точечный источник с расширяющимися вниз кругами нерезкости. , создавая конусообразное изображение. Часто это происходит из-за неправильной настройки оптики.

Кома случается с точечными источниками света, такими как звезды, поэтому это особенно важная аберрация для астрофотографии. Уменьшая апертуру, можно удалить некоторые световые лучи, вызывающие эффект, но для чего-то вроде астрофотографии удаляется большая часть объекта, который необходимо отобразить. В таких случаях требуются линзы, разработанные специально для коррекции комы.

Астигматизм  

Лучи, распространяющиеся в двух перпендикулярных плоскостях, могут иметь астигматизм, если они фокусируются в разных точках. Это видно на рисунке 3, где две точки фокусировки представлены красной горизонтальной и синей вертикальной плоскостями. Точка оптимальной резкости изображения будет находиться между этими двумя точками, где круг нерезкости для любой плоскости не слишком широк. Астигматизм вызывает искажение по бокам и краям изображения, когда оптика смещена. Это часто описывается как отсутствие резкости при взгляде на линию на изображении. Кома и астигматизм обычно являются результатом одинакового смещения внутренней оптики системы линз. При ухудшении астигматизма можно с уверенностью сказать, что также наступит кома.

Эту форму аберрации можно скорректировать с помощью линз соответствующей конструкции, используемых в большинстве качественных оптических устройств. Первоначальные конструкции оптики, устраняющей астигматизм, были разработаны компанией Carl Zeiss и разрабатывались более ста лет. На данный момент это обычно встречается только в линзах очень низкого качества или в случаях, когда внутренняя оптика была повреждена или смещена через каплю линзы.

(Пецваль) Кривизна поля  

Многие объективы имеют закругленное поле фокусировки. Это может привести к размытию углов изображения и, в первую очередь, удерживает центр изображения в фокусе. Однако большинство объективов имеют закругленное поле фокусировки и не могут сфокусировать все изображение без обрезки. Это связано с изогнутой поверхностью оптики большинства линз. Кривизна поля является результатом того, что плоскость изображения не является плоской из-за нескольких фокусных точек. На рисунке 4 плоскость изображения показана изогнутой, поскольку каждая точка фокуса находится в другой плоскости, перпендикулярной оптической оси. Когда линия используется для соединения этих точек, она показывает изогнутую плоскость. Когда свет попадает в объектив не по оптической оси, в результате фокусная точка не фокусируется на датчике.

Объективы камер в значительной степени скорректированы для этого, но некоторая кривизна поля, вероятно, будет обнаружена на многих объективах. Некоторые производители датчиков на самом деле работают над изогнутыми датчиками, которые корректируют искривленное поле фокусировки. Такая конструкция позволила бы датчику корректировать аберрацию вместо того, чтобы требовать изготовления дорогих линз с такой точностью. При использовании датчика этого типа можно было бы использовать более недорогие объективы для получения высококачественных результатов. Реальные примеры этого можно увидеть в космической обсерватории Кеплера, где изогнутая матрица датчиков используется для коррекции большой сферической оптики телескопа. Для получения дополнительной информации о телескопе Кеплер см. https://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/main/index.html.

Искажение  

Искажение относится к тому, как изображение искривляется по краям и сторонам кадра изображения. Для камер, которые используют очень большие фокусные расстояния или очень малые фокусные расстояния, эффекты искажения могут быть наиболее заметными. Двумя наиболее распространенными формами искажения являются бочкообразная и подушкообразная.

Бочкообразное искажение

Изображения с бочкообразным искажением имеют края и стороны, изогнутые от центра. Визуально это выглядит так, как будто на изображении есть выпуклость, поскольку оно отражает появление искривленного поля зрения (FoV). Например, при использовании объектива с меньшим фокусным расстоянием (также называемого широкоугольным объективом) с высоты в высоком здании можно захватить гораздо более широкое поле зрения. Это особенно заметно при использовании объектива типа «рыбий глаз», который создает очень искаженное и широкое поле зрения, как показано на рисунке 5. На этом изображении линии сетки используются, чтобы проиллюстрировать, как эффект искажения создает более растянутое изображение ближе к краям и края.

Свет, попадающий в объектив, отклоняется от оптической оси и вызывает бочкообразную дисторсию. В случае широкоугольного объектива дополнительное преимущество гораздо более широкого поля зрения может быть более значительным, чем аберрация на концах изображения, поскольку обеспечивается большая область изображения. Следует отметить, что существуют прямолинейные объективы, компенсирующие бочкообразную дисторсию и выпрямляющие поле зрения. Это может быть важно для анализа изображений, так как требует использования короткого фокусного расстояния.

Для аэрофотосъемки, требующей широкого поля зрения для лучшего захвата ландшафта, альтернативой использованию очень малых фокусных расстояний является использование нескольких расположенных рядом камер. Поскольку наиболее важной частью для изображения большой области является ширина пикселя сенсора, а не полное разрешение камеры, одновременная съемка изображений с нескольких камер может быть весьма полезной. Это более подробно рассматривается в официальном документе Teledyne Lumenera «Использование одной или нескольких камер в аэрофотосъемке».

Тем не менее, это возможно на определенных высотах, но в большинстве случаев на определенной высоте камере потребуется большее фокусное расстояние, чтобы иметь возможность четко отображать цели, которые находятся дальше. Следовательно, широкоугольные объективы могут обеспечить детализацию для аэрофотосъемки или других приложений, таких как точное земледелие, но необходимо учитывать требования к высоте. Ключевым фактором является расстояние отсчета до земли (GSD), которое потребуется системе технического зрения. В условиях, когда камера зафиксирована и высота камеры остается постоянной, например, в теплице, использование широкоугольного объектива может помочь в изображении большей части целевой среды. Чтобы узнать больше о GSD и о том, как настроить систему аэрофотосъемки, прочитайте блог Teledyne Lumenera «Проблемы аэрофотосъемки: получение четкого и четкого изображения» 9.0003

Подушкообразное искажение

Когда свет отклоняется к оптической оси из-за подушкообразного искажения, изображение кажется вытянутым внутрь. Следовательно, края и стороны изображения будут казаться изогнутыми к центру изображения, как показано на рис. 6, где линии сетки изгибаются к центру по мере их удаления.

Эта форма аберрации чаще всего встречается у телеобъективов с большим фокусным расстоянием. Телеобъектив будет увеличивать цель на изображении, и чем больше фокусное расстояние, тем более обрезанным и увеличенным будет результирующее изображение. Как и в случае с другими аберрациями, она в основном влияет на края и стороны изображения. Таким образом, самый простой способ сохранить резкость изображения — установить меньшую диафрагму объектива. На рис. 6 центр изображения остается неискаженным, поэтому при использовании меньшей апертуры искаженный свет, попадающий с края, блокируется.

Искажение усов

Искажение усов представляет собой сочетание подушкообразной и бочкообразной дисторсии. Это приводит к тому, что внутренняя часть изображения изгибается, а внешняя часть изображения изгибается внутрь. Искажение «усы» — это довольно редкая аберрация, при которой на изображение влияет более одного шаблона искажения. Дисторсия усов обычно является признаком того, что объектив очень плохо спроектирован, так как это кульминация оптических ошибок, вызывающих слияние аберраций.

Расфокусировка  

Почти каждый, кто использовал какую-либо камеру, знаком с аберрацией расфокусировки. Когда изображение просто не в фокусе, оно испытывает аберрацию расфокусировки. Снижение резкости и контрастности изображения приведет к тому, что детали станут более размытыми при постепенных переходах.

Обычно это происходит потому, что ни одна из целей на изображении не находится в положении, в котором свет, излучаемый или отражающийся от них, сходится на датчике. Это означает, что свет будет фокусироваться в другой плоскости изображения, достаточно далекой от сенсора, что приведет к полному размытию изображения. Весь свет будет иметь достаточно большой кружок нерезкости, чтобы казаться полностью не в фокусе, как показано на рисунке 7.9.0003

Чтобы устранить расфокусировку, просто отрегулируйте фокус на объективе или положение камеры, пока цель не окажется в фокусе. Однако в определенных условиях камера не может сфокусироваться на конкретной цели. Это часто зависит от расстояния: либо объект находится слишком близко, либо слишком далеко от объектива. В случае, когда фокусировка невозможна, может потребоваться применение другого объектива камеры для изменения фокусного расстояния и минимального расстояния фокусировки. В качестве альтернативы, уменьшение диафрагмы может позволить объективу сфокусироваться на дополнительных целях, которые находятся дальше, эффективно увеличивая глубину резкости, которая представляет собой расстояние между ближайшей и самой дальней целью, которые остаются в фокусе. Чтобы понять, какое фокусное расстояние требуется для системы машинного зрения, прочитайте официальный документ TeledyneLumenera «Правильно: выбор объектива для системы машинного зрения».

Хроматический  

Продольная/осевая аберрация

Цвет света соответствует определенной длине волны света. Цветное изображение будет иметь несколько длин волн, попадающих в объектив и фокусирующихся в разных точках из-за преломления. Продольная или осевая хроматическая аберрация возникает из-за того, что разные длины волн фокусируются в разных точках вдоль оптической оси. Чем короче длина волны, тем ближе будет ее фокус к линзе, в то время как для более длинных волн, фокусирующихся дальше от линзы, верно обратное, как показано на рис. точки, но ширина (диаметр) «кружков нерезкости» будет намного меньше и приведет к менее резкому размытию.

Поперечная/латеральная аберрация

Внеосевой свет, который приводит к распределению различных длин волн вдоль плоскости изображения, называется поперечной или боковой хроматической аберрацией. Это приводит к появлению цветной окантовки по краям объектов на изображении. Это сложнее исправить, чем продольную хроматическую аберрацию.

Можно зафиксировать с помощью ахроматического дублета, который вводит разные показатели преломления. Соединяя два конца видимого спектра в одну точку фокусировки, можно удалить цветовую окантовку. Как при боковых, так и при продольных хроматических аберрациях также может помочь уменьшение размера апертуры. Кроме того, может быть полезно не отображать цели в условиях высокой контрастности (т. е. изображения с очень светлым фоном). В микроскопии в линзе может использоваться апохромат (APO) вместо ахроматической линзы, в которой используются три линзы для коррекции всех длин волн падающего света. Когда цвет имеет первостепенное значение, снижение хроматической аберрации даст наилучшие результаты.

Итоги  

По мере того, как количество пикселей сенсора продолжает увеличиваться, слабость конструкции объектива может стать более очевидной, а аберрации станут очевидными. Существует несколько типов аберраций, но постоянная тенденция заключается в том, что они размывают изображение по бокам и по краям.

Самый простой способ улучшить фокусировку изображения, чтобы большая часть поля зрения оставалась в фокусе, — уменьшить диафрагму объектива. Это обычное решение в ситуациях с небольшим отклонением от нормы. Это обеспечит большую глубину резкости, но также снизит яркость изображения. Таким образом, это жизнеспособное решение только при наличии достаточного освещения.

Однако оптика в системе линз может быть смещена. В этих случаях, когда аберрация очень велика, единственным решением может быть более пристальный взгляд на внутреннюю оптику объектива камеры. Чтобы избежать этого, с объективом всегда следует обращаться осторожно и закреплять его, чтобы избежать чрезмерных ударов или вибрации. Некоторые аберрации можно исправить, отрегулировав внутреннюю оптику объектива, но это требует большой точности и рекомендуется, чтобы это делали только обученные профессионалы.

Следует отметить, что еще одной распространенной аберрацией является сферическая аберрация. Из-за формы сферических элементов линзы с изогнутой поверхностью свет будет изгибаться под более крутым углом, чем ближе он подходит к краю, заставляя его фокусироваться в разных точках вдоль оптической оси. Чтобы узнать больше о сферической аберрации, прочитайте специальный блог «Минимизация сферической аберрации: правильный выбор объектива для вашей системы обработки изображений» 9.0003

За дополнительной информацией обращайтесь к специалистам по визуализации Teledyne Lumenera. Они также могут помочь с выбором камер, которые наилучшим образом соответствуют вашим требованиям. Свяжитесь с нами по адресу [email protected].

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

аберрация | оптика | Британика

аберрация

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Сэмюэл Молинье

Похожие темы:

Хроматическая аберрация искажение кружок путаницы разность оптических путей кома

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

аберрация , в оптических системах, таких как линзы и изогнутые зеркала, отклонение световых лучей через линзы, вызывающее размытие изображений объектов. В идеальной системе каждая точка объекта будет сфокусирована на точку нулевого размера на изображении. Однако практически каждая точка изображения занимает объем конечного размера и несимметричной формы, вызывая некоторое размытие всего изображения. В отличие от плоского зеркала, дающего изображения без аберраций, линза является несовершенным источником изображения, становясь идеальной только для лучей, проходящих через ее центр параллельно оптической оси (линия, проходящая через центр, перпендикулярно поверхностям линзы). Уравнения, разработанные для отношений объект-изображение в линзе со сферическими поверхностями, являются лишь приближенными и имеют дело только с параксиальными лучами — 9.0059 т. е.

лучей, образующих лишь малые углы с оптической осью. Когда присутствует свет только с одной длиной волны, необходимо учитывать пять аберраций, называемых сферической аберрацией, комой, астигматизмом, кривизной поля и дисторсией. Шестая аберрация, встречающаяся в линзах (но не в зеркалах), а именно хроматическая аберрация, возникает, когда свет не монохроматичен (не одной длины волны).

При сферической аберрации лучи света, исходящие из точки на оптической оси линзы со сферическими поверхностями, не все встречаются в одной и той же точке изображения. Лучи, проходящие через линзу вблизи ее центра, фокусируются дальше, чем лучи, проходящие через круглую зону вблизи ее края. Для каждого конуса лучей от осевой точки объекта, встречающихся с линзой, существует конус лучей, который сходится, образуя точку изображения, причем конус имеет разную длину в зависимости от диаметра круговой зоны. Везде, где плоскость, перпендикулярная оптической оси, пересекает конус, лучи образуют круглое поперечное сечение. Площадь поперечного сечения меняется в зависимости от расстояния вдоль оптической оси, наименьший размер известен как круг наименьшего нерезкости. На этом расстоянии находится изображение, наиболее свободное от сферических аберраций.

Подробнее по этой теме

оптика: аберрации линзы

Если бы линза была идеальной, а объект представлял собой единую точку монохроматического света, то, как отмечалось выше, световая волна, выходящая из. ..

Кома, называемая так потому, что изображение точки размывается в форме кометы, возникает, когда лучи от точки объекта вне оси попадают в разные зоны линзы. При сферической аберрации изображения точки объекта на оси, которые падают на плоскость под прямым углом к ​​оптической оси, имеют круглую форму, разный размер и накладываются вокруг общего центра; при коме изображения внеосевой точки объекта имеют круглую форму, разный размер, но смещены друг относительно друга. На прилагаемой диаграмме показан преувеличенный случай двух изображений, одно из которых является результатом центрального конуса лучей, а другое — конусом, проходящим через край. Обычный способ уменьшения комы — использование диафрагмы для устранения внешних конусов лучей.

Астигматизм, в отличие от сферической аберрации и комы, является результатом неспособности одной зоны линзы сфокусировать изображение внеосевой точки в одной точке. Как показано на трехмерной схеме, две плоскости, расположенные под прямым углом друг к другу и проходящие через оптическую ось, представляют собой плоскость меридиана и сагиттальную плоскость, при этом плоскость меридиана содержит внеосевую точку объекта.

Лучи не в плоскости меридиана, называемые косыми лучами, фокусируются дальше от линзы, чем лежащие в плоскости. В любом случае лучи встречаются не в точечном фокусе, а в виде линий, перпендикулярных друг другу. Промежуточные между этими двумя позициями изображения имеют эллиптическую форму.

Кривизна поля и искажение относятся к расположению точек изображения относительно друг друга. Несмотря на то, что первые три аберрации могут быть скорректированы в конструкции объектива, эти две аберрации могут остаться. При кривизне поля изображение плоского объекта, перпендикулярного оптической оси, будет лежать на параболоидальной поверхности, называемой поверхностью Петцваля (в честь Йожефа Петцваля, венгерского математика). Плоские поля изображения желательны в фотографии, чтобы совпадать с плоскостью пленки и проекцией, когда увеличивающая бумага или проекционный экран лежат на плоской поверхности. Искажение относится к деформации изображения. Существует два вида искажений, каждый из которых может присутствовать в объективе: бочкообразное искажение, при котором увеличение уменьшается с расстоянием от оси, и подушкообразное искажение, при котором увеличение увеличивается с расстоянием от оси.