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 оптических систем. Большая российская энциклопедия

Содержание

Геометрические аберрации

Физические свойства

Аберра́ции опти́ческих систе́м (от лат. aberratio – уклонение, удаление, отвлечение), искажения изображений, создаваемых оптическими системами. Проявляются в том, что оптические изображения не вполне отчётливы, неточно соответствуют объектам или оказываются окрашенными. Существует несколько видов аберраций. Наиболее распространёнными являются хроматическая аберрация и следующие геометрические аберрации: сферическая, коматическая (кома), астигматизм, дисторсия, кривизна поля изображения.

Геометрические аберрации

Сферическая аберрация заключается в том, что световые лучи, испущенные одной точкой объекта и прошедшие либо вблизи оптической оси, либо через отдалённые от оси части оптической системы, не собираются в одной точке. Так, монохроматические лучи по-разному преломляются в линзе (т. е. имеют разный фокус) в зависимости от расстояния между лучом и оптической осью линзы. Это приводит к тому, что центральная часть изображения оказывается наиболее резкой, а периферийные участки – размытыми. В случае параллельного пучка лучи, близкие к оси, проходят через фокус, внешние лучи пересекаются ближе к линзе. Эффект сферической аберрации можно устранить, если использовать только центральную часть линзы. Для этого в оптических приборах применяют диафрагмы, отсекающие краевые лучи широкого пучка. Кроме того, сферическую аберрацию можно почти полностью устранить специальным подбором линз (собирающих и рассеивающих).

Рис. 1. Астигматическая аберрация. БРЭ. Т. 1. Рис. 1. Астигматическая аберрация. БРЭ. Т. 1.Астигматизм проявляется в том, что изображение точки, не лежащей на главной оптической 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). Лучи света от объекта, идущие в разных плоскостях, фокусируются не на плоскости, а на некоторой искривлённой поверхности, что также искажает изображение. Астигматизм обусловлен неодинаковостью кривизны оптической поверхности в разных плоскостях сечения падающего на неё светового пучка и возникает либо вследствие асимметрии оптической системы (например, в цилиндрических линзах), либо в обычных сферических линзах при падении светового пучка под большим углом к оптической оси. Астигматизм исправляют таким подбором линз, чтобы одна компенсировала астигматизм другой. Астигматизмом может обладать человеческий глаз (астигматизм глаза).

Коматическая аберрация (кома) – это внеосевая аберрация, которая возникает при наклонном падении лучей на оптическую систему в результате нарушения симметрии пучка. В этом случае изображение точечного источника света имеет вид несимметричного пятна рассеяния (вид капли). Его размеры пропорциональны квадрату угловой апертуры оптической системы и угловому удалению точки-объекта от оптической оси. Коматическая аберрация велика в телескопах с параболическими зеркалами; исправляют её подбором линз.

Рис. 2. Дисторсия. БРЭ. Т. 1.Рис. 2. Дисторсия. БРЭ. Т. 1.Дисторсия характеризуется нарушением геометрического подобия между объектом и его изображением. Она обусловлена неодинаковым линейным увеличением оптической системы на разных участках изображения (т. е. масштаб изображения на различном расстоянии от центра поля различен). Вследствие этого, например, изображение квадрата (рис. 2) будет иметь вид либо подушки (подушкообразная, положительная дисторсия), либо вид бочки (бочкообразная, отрицательная дисторсия). Дисторсия устраняется подбором линз.

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

Перечисленные геометрические аберрации имеют место даже при освещении оптических систем монохроматическим светом.

Хроматическая аберрация

При использовании немонохроматического излучения возникает ещё один вид аберраций – хроматическая аберрация. Её причиной является дисперсия света, связанная с зависимостью показателя преломления от длины волны.

Хроматическая аберрация проявляется в том, что световые лучи разных цветов, находящихся на одинаковом расстоянии от оптической оси линзы, преломляются по-разному (т. е. имеют разный фокус). Это явление возникает вследствие дисперсии среды (зависимости показателя преломления материала линзы от частоты световой волны). Когда преломляется белый свет, фокусные расстояния линзы различны для света различных цветов. Наименьшее фокусное расстояние у фиолетовых лучей, наибольшее – у красных, поэтому изображение становится нечётким и окрашенным.

Оптические системы могут одновременно обладать несколькими аберрациями; устранить их все сразу – очень сложная задача. Обычно аберрации устраняют частично в зависимости от назначения оптической системы. В некоторых случаях используют методы адаптивной оптики.

Несовершенства изображений, формируемых оптической 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 хроматическая аберрации.

Короленко Павел Васильевич Дата публикации:  17 ноября 2022 г. в 17:07 (GMT+3)

аберраций: сферические и хроматические | japanistry.com

Аберрации — это дефекты оптики объектива камеры, приводящие к ухудшению качества изображения. Различные объективы будут подвержены аберрациям в разной степени, и в некоторых случаях эти нежелательные эффекты можно смягчить путем уменьшения диафрагмы или с помощью алгоритмов коррекции объектива, встроенных в камеры более высокого класса. В фотографии нас интересуют два типа аберраций — сферические и хроматические.

Изгиб Света

Работа объектива в любой фотосистеме заключается в фокусировке света, попадающего в объектив, на матрицу. Вогнутый кусок стекла является основной частью линзы, используемой для достижения этого результата. Благодаря преломлению — искривлению света при прохождении через другую среду — свет, попадающий в объектив, фокусируется на датчике или пленке. Это искривление происходит потому, что волны распространяются с разной скоростью в разных средах. Например, свет будет распространяться быстрее через вакуум, чем через воздух или стекло.

Связь между скоростью света в вакууме и скоростью, с которой он движется в другой среде, определяется его показателем преломления , n:

n = c/v

… где c — скорость света в вакууме, а v — скорость света в рассматриваемом веществе. Например, показатель преломления воды равен 1,33. Это означает, что свет распространяется в воде в 1,33 раза медленнее, чем в вакууме.

Закон Снеллиуса показывает, как изменение показателя преломления от одной среды к другой зависит от угла преломления света; но, по существу, чем больше относительный показатель преломления, тем больше угол преломления. Стекло, в зависимости от состава и качества, обычно имеет показатель преломления в пределах 1,5-1,7. Следовательно, свет больше преломляется, попадая в стекло из вакуума, чем в воду из вакуума.

К сожалению, линзы не идеальны и не всегда могут заставить световые лучи искривляться так, как нам хочется. Кроме того, задача фокусировки становится еще более сложной, поскольку показатель преломления также зависит от длины волны!

Сферические аберрации

Сферические аберрации отвечают за «более мягкие» изображения, которые мы часто получаем при съемке с широко открытой диафрагмой или близкой к ней светосильным объективом. Они возникают из-за повышенного преломления на краю линзы по сравнению с центром (где световой луч падает на стекло под более острым углом) и приводят к тому, что лучи не сходятся в одной и той же фокусной точке.

Эффекты сферических аберраций можно уменьшить, остановив линзу и, таким образом, расширив плоскость фокусировки, но, очевидно, за счет потери той «резкости», за которую мы так дорого платим за светосильные объективы (наряду с возможность съемки при слабом освещении). В результате финальное изображение имеет менее четкие локальные детали по сравнению со съемкой со средней диафрагмой (сравните текст при ƒ/2 и ƒ/8).

Закрывая линзу, вы увеличиваете глубину резкости и, таким образом, даете линзе более широкую цель, в которой должны сходиться лучи света.

Хроматические аберрации

Хроматические аберрации возникают потому, что степень преломления света линзой зависит от длины волны. Другими словами, он не может заставить все цвета в луче света сходиться в одной и той же точке, что иногда приводит к нежелательной цветовой окантовке, как это видно на фотографии ниже.

Как упоминалось выше, показатель преломления зависит не только от скорости волны в среде, но и от длины ее волны. Для стекла показатель преломления немного увеличивается с увеличением длины волны в видимом спектре. Это означает, что цвета на более коротком конце спектра (например, синий) рассеиваются стеклом сильнее, чем цвета на более длинном конце (например, красный). Именно это явление объясняет радугу цветов, наблюдаемую при прохождении света через призму. Размышляя о фотографии и о необходимости сфокусировать все видимые цвета в одной точке, мы можем увидеть проблему, которую представляет вогнутое стекло:

На приведенной выше диаграмме показано то, что мы называем продольной (или осевой) хроматической аберрацией . Этот тип хроматической аберрации можно устранить, закрывая линзу, потому что это расширяет плоскость фокуса, что дает лучам более широкую область, в которой они сходятся, чтобы избежать заметного ухудшения изображения (аналогично тому, как мы могли бы смягчить эффекты сферических аберраций, остановка вниз).

Другим типом хроматической аберрации является латеральная (или поперечная) хроматическая аберрация . Это основано на тех же концепциях, что и выше, но возникает из-за того, что цвета попадают в плоскость фокуса в разных точках по вертикали. Обычно на высококонтрастных изображениях он виден только по углам в виде фиолетовой окантовки (как на фотографии выше).

В отличие от своего продольного собрата, его нельзя скорректировать диафрагмой (проблема не связана с глубиной плоскости фокусировки). Некоторые современные зеркальные фотокамеры позволяют пользователям предварительно загружать профиль объектива, с помощью которого камера запускает алгоритмы для компенсации эффекта боковых хроматических аберраций.

Идея объектива камеры как единого куска вогнутого стекла, очевидно, слишком упрощена, а влияние аберраций резко снижается (но не устраняется полностью) за счет конструкции линзы и соединения нескольких кусочков стекла для устранения нежелательных физических эффектов.

 

Анатомия микроскопа. Оптические аберрации

Ошибки объектива в современной оптической микроскопии представляют собой досадную проблему, вызванную артефактами, возникающими при взаимодействии света со стеклянными линзами. Есть две основные причины неидеального действия линзы : Геометрические или сферические аберрации связаны со сферической природой линзы и приближениями, используемыми для получения уравнения линзы Гаусса; и Хроматические аберрации, возникающие из-за вариаций показателей преломления в широком диапазоне частот видимого света.

Как правило, эффекты оптических аберраций заключаются в том, чтобы вызвать дефекты в особенностях изображения, наблюдаемого через микроскоп. Хроматическая аберрация в конденсоре предметного столика показана на рис. 1, где синяя окантовка на краю изображения полевой диафрагмы обусловлена ​​хроматической аберрацией. Эти артефакты были впервые рассмотрены в восемнадцатом веке, когда физик Джон Доллонд обнаружил, что хроматические аберрации можно уменьшить или исправить, используя комбинацию двух разных типов стекла при изготовлении линз. Позже, в девятнадцатом веке, были разработаны ахроматические объективы с высокой числовой апертурой, хотя геометрические проблемы с линзами все еще оставались. Современные составы стекла и просветляющие покрытия в сочетании с передовыми технологиями шлифования и производства почти полностью устранили большинство аберраций в объективах современных микроскопов, хотя этим эффектам по-прежнему необходимо уделять особое внимание, особенно при проведении количественной видеомикроскопии с большим увеличением и фотомикрофотографии.

Сферическая аберрация . Эти артефакты возникают, когда световые волны, проходящие через периферию линзы, не сфокусированы с волнами, проходящими через центр, как показано на рисунке 2. Волны, проходящие вблизи центра линзы, преломляются лишь незначительно, тогда как волны, проходящие вблизи периферии, преломляются в большей степени, что приводит к образованию разных фокусных точек вдоль оптической оси. Это один из самых серьезных артефактов разрешения, поскольку изображение образца расплывается, а не находится в резком фокусе.

На рис. 2 показано увеличенное изображение трех гипотетических монохроматических световых лучей, проходящих через выпуклую линзу. Наибольшее преломление периферийных лучей, за ними следуют средние, а затем лучи в центре. Большее преломление крайними лучами приводит к возникновению фокуса (обозначенного как фокус 1), который находится перед фокусами лучей, проходящих ближе к центру линзы (фокусы 2 и 3). Большая часть этого несоответствия в фокальных точках возникает из-за аппроксимации эквивалентности значений синуса и тангенса соответствующих углов, сделанных для Уравнение линзы Гаусса для сферической преломляющей поверхности :

n/s + n’/s’ = (n’-n)/r

, где n и и представляют собой показатель преломления воздуха и стекла, составляющего линзу, соответственно, s и s’ — расстояние до объекта и изображения, а r — радиус кривизны линзы. Это выражение определяет взаимное расположение изображений, образованных криволинейной поверхностью линзы радиусом r зажат между средами с показателями преломления n и n’ . Уточнение этого уравнения часто называют коррекцией более высокого порядка (первого, второго или третьего) за счет включения членов в куб угла апертуры, что приводит к более точному расчету.

Сферические аберрации очень важны с точки зрения разрешающей способности объектива, поскольку они влияют на совпадающее изображение точек вдоль оптической оси и ухудшают работу объектива, что серьезно влияет на резкость и четкость образца. Эти дефекты линзы можно уменьшить, ограничивая внешние края линзы от воздействия света с помощью диафрагм, а также используя асферические поверхности линз внутри системы. Современные высококачественные объективы для микроскопов устраняют сферические аберрации несколькими способами, включая специальные методы шлифовки линз, улучшенные составы стекла и лучший контроль оптических путей.

Хроматические аберрации . Этот тип оптического дефекта является результатом того, что белый свет состоит из множества длин волн. Когда белый свет проходит через выпуклую линзу, длины волн компонентов преломляются в соответствии с их частотой. Синий свет преломляется в наибольшей степени, за ним следуют зеленый и красный свет, явление, обычно называемое дисперсией . Неспособность объектива свести все цвета в общий фокус приводит к немного разным размеру изображения и точке фокусировки для каждой преобладающей группы длин волн. Это приводит к цветным полосам, окружающим изображение, как показано на рисунке 3 ниже 9.0067 :

, где мы сильно преувеличили различия в преломляющих свойствах длин волн компонентов белого света. Это описывается как дисперсия показателей преломления компонентов белого света. Показатель преломления — это отношение скорости света в вакууме к его скорости в такой среде, как стекло. Для всех практических целей скорость света в воздухе практически идентична скорости света в вакууме. Как видно на рисунке 3, каждая длина волны образует свою собственную независимую точку фокусировки на оптической оси линзы, эффект, называемый осевая или продольная хроматическая аберрация . Конечным результатом этой ошибки объектива является то, что изображение точки в белом свете окружено цветом. Например, если бы вы сфокусировались на «синей плоскости», точка изображения была бы окружена светом других цветов, с красным снаружи кольца. Точно так же, если бы вы сфокусировали точку на «красной плоскости», точка изображения была бы окружена зеленым и синим цветом.

Хроматическая аберрация очень часто встречается у одиночных тонких линз, изготовленных с использованием классического Формула производителя линз , которая связывает расстояние между образцом и изображением для параксиальных лучей. Для одной тонкой линзы, изготовленной из материала с показателем преломления n и радиусами кривизны r(1) и r(2) , мы можем написать следующее уравнение :

1/с + 1 /s’ = (n-1)(1/r(1)-1/r(2))

, где s и s’ определяются как расстояние до объекта и изображения соответственно. В случае сферической линзы фокусное расстояние ( f ) определяется как расстояние до изображения для параллельных падающих лучей :

1/f = 1/с + 1/с’

Фокусное расстояние f зависит от длины волны света, как показано на Рисунок 3. Это отклонение можно частично исправить, используя две линзы с разными оптическими свойствами, склеенные вместе. Коррекция линз была впервые предпринята во второй половине 18 века, когда Доллонд, Листер и другие разработали способы уменьшения продольной хроматической аберрации. Объединив краун-стекло и бесцветное стекло (каждый тип имеет различную дисперсию показателя преломления), им удалось свести синие и красные лучи в общий фокус, близкий, но не идентичный зеленым лучам. Эта комбинация называется линзой дублет , где каждая линза имеет разные показатели преломления и дисперсионные свойства. Дублеты линз также известны как ахроматические линзы или 9.0009 ахроматы для краткости, производные от греческих терминов «а», означающих отсутствие, и «цветность», означающих цвет. Эта простая форма коррекции позволяет точкам изображения на 486 нанометрах в синей области и 656 нанометрах в красной области теперь совпадать. Это наиболее широко используемый объектив, который обычно используется в лабораторных микроскопах. Объективы, не имеющие специальной надписи, указывающей иное, скорее всего, являются ахроматами. Ахроматы являются удовлетворительными объективами для рутинного лабораторного использования, но, поскольку они не исправлены для всех цветов, бесцветная деталь образца, вероятно, покажет в белом свете бледно-зеленый цвет в лучшем фокусе (так называемая вторичный спектр ). Простая ахроматическая линза показана на рисунке 4 ниже.

Как видно на этом рисунке, правильное сочетание толщины линзы, кривизны, показателя преломления и дисперсии позволяет дублету уменьшить хроматическую аберрацию за счет помещения двух групп длин волн в общую фокальную плоскость. Если в состав стекла, используемого для изготовления линзы, ввести плавиковый шпат, то три цвета: красный, зеленый и синий могут быть сведены в одну фокусную точку, что приведет к незначительной хроматической аберрации. Эти линзы известны как апохроматические линзы , и они используются для создания высококачественных объективов микроскопов без хроматических аберраций. В современных микроскопах используется эта концепция, и сегодня часто встречаются оптические линзы , тройки (рис. 5), изготовленные из трех линз, склеенных вместе, особенно в объективах более высокого качества. Для коррекции хроматических аберраций типичный объектив ахроматического микроскопа с 10-кратным увеличением состоит из двух двойных линз, как показано на рис. 5 слева. Объектив апохромата, показанный справа на рис. 5, содержит два дуплета и тройку линз для улучшенной коррекции как хроматических, так и сферических аберраций.

Известный немецкий производитель линз Эрнст Аббе в конце 19 века первым преуспел в изготовлении апохроматических объективов. Поскольку Аббе по конструктивным причинам в то время не выполнял всю хроматическую коррекцию самих объективов, он решил выполнить часть коррекции через окуляр; отсюда и термин компенсирующие окуляры .

В дополнение к коррекции продольной (или осевой) хроматической аберрации объективы микроскопа также имеют другой хроматический дефект. Даже при подведении всех трех основных цветов к одинаковым фокальным плоскостям в осевом направлении (как во флюоритовых и апохроматических объективах) точечные изображения деталей вблизи периферии поля зрения имеют разный размер. Это происходит из-за того, что внеосевые потоки лучей рассеиваются, в результате чего длины волн компонентов формируют изображения на разных высотах в плоскости изображения. Например, синее изображение детали немного больше, чем зеленое или красное изображение в белом свете, что приводит к цветовому кольцу деталей образца во внешних областях поля зрения. Таким образом, зависимость осевого фокусного расстояния от длины волны дает также зависимость поперечного увеличения от длины волны. Этот дефект известен как боковая хроматическая аберрация или хроматическая разность увеличения . При освещении белым светом линза с боковой хроматической аберрацией создаст серию перекрывающихся изображений, различающихся по размеру и цвету.

В микроскопах с конечной длиной тубуса для коррекции боковой хроматической аберрации используется компенсирующий окуляр с хроматической разницей увеличения, прямо противоположной хроматической разнице увеличения объектива. Поскольку этот дефект встречается и у ахроматов с большим увеличением, для таких объективов часто используются компенсирующие окуляры. Действительно, многие производители конструируют свои ахроматы со стандартной боковой хроматической ошибкой и используют компенсирующие окуляры для всех своих объективов. Такие окуляры часто имеют надпись K или C или Компенсирует . В результате компенсирующие окуляры имеют встроенную боковую хроматическую ошибку и сами по себе не полностью исправлены. В 1976 году компания Nikon представила оптику CF, которая корректирует боковую хроматическую аберрацию без помощи окуляра. Более новые микроскопы с коррекцией на бесконечность решают эту проблему, вводя фиксированную величину боковой хроматической аберрации в тубусную линзу, используемую для формирования промежуточного изображения со светом, исходящим от объектива.

Интересно отметить, что человеческий глаз имеет значительное количество хроматических аберраций. К счастью, мы можем компенсировать этот артефакт, когда мозг обрабатывает изображения, но можно продемонстрировать аберрацию, используя маленькую фиолетовую точку на листе бумаги. Если поднести к глазу, фиолетовая точка будет казаться синей в центре, окруженной красным ореолом. По мере того, как бумага отодвигается дальше, точка становится красной, окруженной синим ореолом.

Хотя производители микроскопов тратят значительные ресурсы на производство объективов без сферической аберрации, пользователь может непреднамеренно внести этот артефакт в хорошо скорректированную оптическую систему. Используя неподходящую монтажную среду (например, живую ткань или клетки в водной среде) с масляным иммерсионным объективом или вводя аналогичные несоответствия показателей преломления, микроскописты часто могут создавать артефакты сферической аберрации в нормальном в остальном микроскопе. Кроме того, при использовании сухих объективов с большим увеличением и высокой числовой апертурой правильная толщина покровного стекла (рекомендуется 0,17 мм) имеет решающее значение; следовательно, включение корректирующий воротник на такие объективы, чтобы можно было отрегулировать неправильную толщину покровного стекла, как показано на рис. 6 ниже. Объектив слева был отрегулирован для толщины покровного стекла 0,20 мм путем сближения элементов линзы корректирующего кольца. Перемещая элементы линзы далеко друг от друга в другую крайность (объектив справа на рис. 6), объектив корректируется для толщины покровного стекла 0,13 мм. Точно так же вставка аксессуаров в световой путь объективов с конечной трубкой может привести к аберрациям при перефокусировке образца, если только такие аксессуары не были должным образом разработаны с дополнительной оптикой. Мы построили интерактивный учебник по Java , предназначенный для ознакомления наших читателей с воротниками для объективной коррекции изменений толщины покровного стекла.

Различные объективы для контроля качества различаются тем, насколько хорошо они приводят различные цвета к общему фокусу и одинаковому размеру в поле зрения. Между ахроматической и апохроматической коррекцией типа есть также объективы, известные как полуапохроматы или, что несколько сбивает с толку, флюориты. Флюориты стоят дешевле, но корректируются почти так же хорошо, как и апохроматы; в результате они обычно также хорошо подходят для микрофотографии в белом свете.

Коррекция толщины покровного стекла

Узнайте, как можно отрегулировать объектив микроскопа для корректировки изменений толщины покровного стекла.

Начать обучение

Другие геометрические аберрации — К ним относятся различные эффекты, включая астигматизм , кривизна поля и 9006 7 кома аберрации, которые легко исправить при правильном изготовлении линз. Тема кривизна поля уже подробно обсуждался в предыдущем разделе. Коматические аберрации аналогичны сферическим аберрациям, но они возникают только у объектов вне оси и наиболее выражены, когда микроскоп не отрегулирован. В этом случае изображение точки асимметрично, что приводит к кометоподобной форме (отсюда и термин кома). Кома часто считается наиболее проблематичной аберрацией из-за асимметрии, которую она вызывает на изображениях. Это также одна из самых простых аберраций для демонстрации. В яркий солнечный день с помощью увеличительного стекла сфокусируйте изображение солнца на тротуаре и слегка наклоните стекло по отношению к основным солнечным лучам. Изображение солнца, проецируемое на бетон, затем вытягивается в форму кометы, что характерно для коматической аберрации.

Четкая форма, отображаемая на изображениях с коматической аберрацией, является результатом различий в преломлении световых лучей, проходящих через различные зоны линзы по мере увеличения угла падения. Серьезность коматической аберрации является функцией тонкой формы линзы, которая в крайнем случае заставляет меридиональные лучи, проходящие через периферию линзы, достигать плоскости изображения ближе к оси, чем лучи, проходящие ближе к оси и ближе к главной линзе. луч (см. рис. 7). В этом случае периферические лучи дают наименьшее изображение, и говорят, что знак аберрации комы равен 9.0067 минус

. Напротив, когда периферийные лучи фокусируются дальше по оси и создают изображение гораздо большего размера, аберрация называется положительной . Форма «кометы» может иметь «хвост», направленный к центру поля зрения или от него, в зависимости от того, имеет ли коматическая аберрация положительное или отрицательное значение.

Коматические аберрации обычно исправляются с помощью сферических аберраций или путем разработки линз различной формы для устранения этой ошибки. Объективы, предназначенные для получения превосходных изображений для окуляров с широким полем зрения, должны быть скорректированы на кому и астигматизм с помощью специально разработанной многоэлементной оптики в тубусной линзе, чтобы избежать этих артефактов на периферии поля зрения. .

Аберрации астигматизма похожи на коматические аберрации, однако эти артефакты не так чувствительны к размеру апертуры и сильнее зависят от угла наклона светового луча. Аберрация проявляется внеосевым изображением точки образца в виде линии или эллипса вместо точки. В зависимости от угла внеосевых лучей, входящих в линзу, линейчатое изображение может быть ориентировано в одном из двух разных направлений (рис.