Аберрация - многозначный термин, который применяется в различных сферах знаний: астрономии, оптике, биологии, фотографии, медицине и других. Что такое аберрации и какие существуют виды аберраций, будет рассмотрено в данной статье.
Значение термина
Слово "аберрация" происходит из латинского языка и буквально переводится как "отклонение, искажение, удаление". Таким образом, аберрация - это явление отклонения от определенного значения.
В каких научных областях можно наблюдать явление аберрации?
Аберрация в астрономии
В астрономии используется понятие аберрации света. Под ней понимают визуальное смещение небесного тела или объекта. Вызвано оно скоростью распространения света относительно наблюдаемого объекта и наблюдателя. Иными словами, движущийся наблюдатель видит объект не там, где наблюдал бы его, находясь в состоянии покоя. Обусловлено это тем, что наша планета находится в постоянном движении, поэтому состояние покоя наблюдателя физически невозможно.
Поскольку явление аберрации вызвано перемещением Земли, выделяют два типа:
- суточная аберрация: отклонение вызвано суточным вращением Земли вокруг своей оси;
- годичная аберрация: обусловлена обращением планеты вокруг Солнца.
Данное явление было открыто в 1727 году, и с тех пор немало ученых уделяли внимание аберрации света: Томас Юнг, Эйри, Эйнштейн и другие.
Аберрация оптической системы
Оптическая система - это набор оптических элементов, преобразующих световые пучки. Самой важной для человека системой такого рода является глаз. Также такие системы используются для конструирования оптических приборов - фотоаппаратов, телескопов, микроскопов, проекторов и т. д.
Оптические аберрации - это различные искажения изображений в оптических системах, отражающиеся на конечном результате.
Когда объект отдаляется от так называемой оптической оси, возникает рассеивание лучей, конечное изображение получается нечетким, несфокусированным, размытым или имеющим цвет, отличный от исходного. Это и есть аберрация. При определении степени аберрации могут применяться специальные формулы для ее расчета.
Аберрация линз разделяется на несколько видов.
Монохроматические аберрации
В совершенной оптической системе луч от каждой точки предмета на выходе также концентрируется в одной точке. На практике такого результата добиться невозможно: луч, достигая поверхности, концентрируется в разных точках. Именно это явление аберрации обуславливает нечеткость конечного изображения. Данные искажения присутствуют в любой реальной оптической системе и избавиться от них невозможно.
Хроматическая аберрация
Данный тип аберраций обусловлен явлением дисперсии - рассеивания света. Разные цвета спектра имеют различные скорости распространения и степени преломления. Таким образом, фокусное расстояние оказывается разным для каждого цвета. Это приводит к появлению на изображении цветных контуров или разной окрашенности участков.
Явление хроматической аберрации может быть снижено при использовании специальных ахроматических линз в оптических приборах.
Сферическая аберрация
Идеальный пучок света, в котором все лучи идут только через одну точку, называют гомоцентрическим.
При явлении сферической аберрации лучи света, проходящие на разных расстояниях от оптической оси, перестают быть гомоцентрическими. Данное явление происходит даже тогда, когда исходная точка находится непосредственно на оптической оси. Несмотря на то что лучи идут симметрично, удаленные лучи подвергаются более сильному преломлению, и конечная точка приобретает неоднородную освещенность.
Снизить явление сферической аберрации можно, используя линзу с увеличенным радиусом поверхности.
Дисторсия
Явление дисторсии (искривления) проявляется в несовпадении формы исходного объекта и его изображения. В результате на изображении появляются искаженные контуры объекта. может быть двух типов: вогнутость контуров или их выпуклость. При явлении комбинированной дисторсии изображение может иметь сложный характер искажений. Данный тип аберрации обусловлен расстоянием между оптической осью и источником.
Явление дисторсии может быть скорректировано специальным подбором линз в оптической системе. Для коррекции фотографий могут применяться графические редакторы.
Кома
Если световой пучок проходит под углом по отношению к оптической оси, то наблюдается явление комы. Изображение точки в этом случае имеет вид рассеянного пятна, напоминающего комету, что объясняет название данного типа аберраций. При фотографировании кома часто проявляется во время съемки на открытой диафрагме.
Корректировать данное явление можно, как в случае сферических аберраций или дисторсии, подбором линз, а также диафрагмированием - уменьшением сечения светового пучка с помощью диафрагм.
Астигматизм
При данном типе аберраций точка, лежащая не на оптической оси, может приобретать в изображении вид овала или линии. Эта аберрация вызвана различной кривизной оптической поверхности.
Исправляется это явление подбором особой кривизны поверхности и толщины линз.
Таковы основные аберрации, характерные для оптических систем.
Аберрации хромосом
Этот тип аберрации проявляется мутациями, перестройками в структуре хромосом.
Хромосома - это структура в ядре клетки, ответственная за передачу наследственной информации.
Аберрации хромосом обычно возникают при делении клетки. Они бывают внутрихромосомными и межхромосомными.
Виды аберраций:
Причины хромосомных аберраций следующие:
- воздействие патогенных микроорганизмов - бактерий и вирусов, проникающих в структуру ДНК;
- физические факторы: радиация, ультрафиолет, экстремальные температуры, давление, электромагнитное излучение и т. д.;
- химические соединения искусственного происхождения: растворители, пестициды, соли тяжелых металлов, окись азота и т. д.
Хромосомные аберрации приводят к серьезным последствиям для здоровья. Вызываемые ими заболевания обычно носят названия специалистов, описавших их: синдром Дауна, синдром Шершевского-Тернера, синдром Эдвардса, синдром Клайнфельтера, синдром Вольфа-Хиршхорна и другие.
Чаще всего заболевания, спровоцированные данным типом аберраций, затрагивают умственную деятельность, строение скелета, сердечно-сосудистую, пищеварительную и нервную системы, репродуктивную функцию организма.
Вероятность возникновения данных заболеваний не всегда удается предсказать. Тем не менее, уже на этапе перинатального развития ребенка с помощью специальных исследований можно увидеть имеющиеся патологии.
Аберрация в энтомологии
Энтомология - раздел зоологии, изучающий насекомых.
Данный тип аберрации проявляется спонтанно. Обычно он выражается в малозначительном изменении структуры тела или окраски насекомых. Чаще всего аберрация наблюдается у чешуекрылых и жесткокрылых.
Причинами ее возникновения служит воздействие на насекомых хромосомных или физических факторов на стадии, предшествующей имаго (взрослая особь).
Таким образом, аберрация - это явление отклонения, искажения. Данный термин появляется во многих научных отраслях. Чаще всего он используется применительно к оптическим системам, медицине, астрономии и зоологии.
Идеальных вещей не существует... Не существует и идеального объектива - объектива, способного строить изображение бесконечно малой точки в виде бесконечно малой точки. Виной тому - сферическая аберрация .
Сферическая аберрация - искажение, возникающее из-за разности фокусов для лучей, проходящих на разных расстояних от оптической оси. В отличие от описанных ранее комы и астигматизма, это искажение не является ассиметричным и приводит к равномерному расхождению лучей от точечного источника света.
Сферическая аберрация присуща в разной степени всем объективам, за немногим исключением (одно известное мне - Эра-12, у нее резкость в большей мере ограничена хроматизмом) именно это искажение ограничивает резкость объектива на открытой диафрагме.
Схема 1 (Википедия). Появление сферической аберрации
Сферическая аберрация имеет много лиц - иногда ее величают благородным "софтом", иногда - низкопробным "мылом", она в большей мере формирует боке объектива. Благодар ей Триоплан 100/2.8 - генератор пузырей, а Новый Петцваль Ломографического общества имеет контроль размытия... Впрочем, обо всем по порядку.
Как проявляется сферическая аберрация на снимке
Наиболее очевидным проявлением является нерезкость контуров объекта в зоне резкости ("свечение контуров", "софт-эффект"), скрадывание мелких деталей, ощущение дефокусировки ("мыло" - в тяжелых случаях);
Пример сферической аберрации (софт) на снимке, выполненном на Индустар-26М от ФЭД, F/2.8
Гораздо менее очевидным является проявление сферической аберрации в боке объектива. В зависимости от знака, степени исправления и пр. сферическая аберрация может формировать различные кружки нерезкости.
Пример снимка на Триплет 78/2.8 (F/2.8) - кружки нерезкости имеют яркую кайму и светлый центр - объектив имеет большую величину сферической аберрации
Пример снимка на апланат КО-120М 120/1.8 (F/1.8) - кружок нерезкости имеет слабо выраженную кайму, но она таки есть. У объектива, судя по тестам (опубликованы мною ранее в иной статье) - сферическая аберрация невелика
И, как пример объектива, у которого величина сферической аберрации несказанно мала - снимок на Эра-12 125/4 (F/4). Кружок вообще лишен каймы, распределение яркости очень ровное. Это говорит о превосходной коррекции объектива (что действительно правда).
Устранение сферической абберации
Основной способ - диафрагмирование. Отсекание "лишних" пучков позволяет хорошо поднимать резкость.
Схема 2 (Википедия) - уменьшение сферической аберрации с помощью диарфамы (1 рис.) и с помощью дефокусировки (2 рис.). Способ дефокусировки обычно не подходит для фотографии.
Примеры фотографий миры (вырезан центр) на разных диафрагмах - 2.8, 4, 5.6 и 8, выполненнах с помощью объектива Индустар-61 (ранний, ФЭД).
F/2.8 - заматен довольно сильный софт
.jpg)
F/4 - софт уменьшился, улучшилась детализация снимка
.jpg)
F/5.6 - софт практически отутствует
F/8 - софт отсутствует, хорошо видны мелкие детали
В графических редакторах можно использовать функции повышения резкости и удаления размытия, что позволяет несколько уменьшить негативный эффект сферической аберрации.
Иногда сферическая аберрация возникает из-за неисправности объектива. Обычно - нарушения промежутков между линзами. Помогает юстировка.
Например, есть подозрение, что при пересчете Юпитер-9 на ЛЗОС пошло что-то не так: в сравнении с Юпитер-9 производства КМЗ, резкость у ЛЗОС просто отсутствует из-а огромной сферической аберрации. Де-факто - объективы отличаются абсолютно всем,кроме циферок 85/2. Белый может биться с Canon 85/1.8 USM, а черный - разве что с Триплетом 78/2.8 и софт-объективами.
Снимок на черный Юпитер-9 80-х годов, ЛЗОС (F/2)
Снимок на белый Юпитер-9 1959 г., КМЗ (F/2)
Отношение к сферической аберрации фотографа
Сферическая аберрация снижает резкость снимка и иногда неприятна - кажется, что объект не в фокусе. Не следует в обычной съемке использовать оптику с повышенной сфрической аберрацией.
Однако сферическая аберрация - неотъемлемая часть рисунка обеъктива. Без нее не было бы красивых мягких портретов на Таир-11, сумасшедших сказочных моноклевых пейзажей, пузырчатого боке знаменитого Meyer Trioplan, "гороха" Индустара-26М и "объемных" кружков в виде кошачьего глаза у Zeiss Planar 50/1.7. Не стоит пытаться избавиться от сферической аберрации в объективах - стоит пытаться найти ей применение. Хотя, конечно, избыточная сферическая аберрация в большинстве случаев ничего хорошего не несет.
Выводы
В статье мы подробно разобрали влияние сферической аберрации на фотографию: на резкость, боке, эстетичность и пр.
Возникновение этой погрешности можно проследить с помощью легко доступных опытов. Возьмем простую собирающую линзу 1 (например, плосковыпуклую линзу) по возможности с большим диаметром и малым фокусным расстоянием. Небольшой и в то же время достаточно яркий источник света можно получить, если, просверлив в большом экране 2 отверстие диаметром около , укрепить перед ним кусочек матового стекла 3, освещенного сильной лампой с небольшого расстояния. Еще лучше сконцентрировать на матовом стекле свет от дугового фонаря. Эта «светящаяся точка» должна быть расположена на главной оптической оси линзы (рис. 228, а).
Рис. 228. Экспериментальное изучение сферической аберрации: а) линза, на которую падает широкий пучок, дает расплывчатое изображение; б) центральная зона линзы дает хорошее резкое изображение
С помощью указанной линзы, на которую падают широкие световые пучки, не удается получить резкое изображение источника. Как бы мы ни перемещали экран 4, на нем получается довольно расплывчатое изображение. Но если ограничить пучки, падающие на линзу, поставив перед ней кусок картона 5 с небольшим отверстием против центральной части (рис. 228, б), то изображение значительно улучшится: можно найти такое положение экрана 4, что изображение источника на нем будет достаточно резким. Это наблюдение вполне согласуется с тем, что нам известно относительно изображения, получаемого в линзе с помощью узких приосевых пучков (ср. §89).
Рис. 229. Экран с отверстиями для изучения сферической аберрации
Заменим теперь картон с центральным отверстием куском картона с небольшими отверстиями, расположенными вдоль диаметра линзы (рис. 229). Ход лучей, проходящих через эти отверстия, можно проследить, если слегка задымить воздух за линзой. Мы обнаружим, что лучи, проходящие через отверстия, расположенные на различном расстоянии от центра линзы, пересекаются в разных точках: чем дальше от оси линзы выходит луч, тем сильнее он преломляется и тем ближе к линзе находится точка его пресечения с осью.
Таким образом, наши опыты показывают, что лучи, проходящие через отдельные зоны линзы, расположенные на разных расстояниях от оси, дают изображения источника, лежащие на разных расстояниях от линзы. При данном положении экрана разные зоны линзы дадут на нем: одни - более резкие, другие - более расплывчатые изображения источника, которые сольются в светлый кружок. В результате линза большого диаметра дает изображение точечного источника не в виде точки, а в виде расплывчатого светлого пятнышка.
Итак, при использовании широких световых пучков мы не получаем точечного изображения даже в том случае, когда источник расположен на главной оси. Эта погрешность оптических систем называется сферической аберрацией.
Рис. 230. Возникновение сферической аберрации. Лучи, выходящие из линзы на разной высоте над осью, дают изображения точки в разных точках
Для простых отрицательных линз благодаря сферической аберрации фокусное расстояние лучей, проходящих через центральную зону линзы, также будет более значительным, чем для лучей, проходящих через периферическую зону. Другими словами, параллельный пучок, проходя через центральную зону рассеивающей линзы, становится менее расходящимся, чем пучок, идущий через наружные зоны. Заставив свет после собирающей линзы пройти через рассеивающую, мы увеличим фокусное расстояние. Это увеличение будет, однако, менее значительным для центральных лучей, чем для лучей периферических (рис. 231).
Рис. 231. Сферическая аберрация: а) в собирающей линзе; б) в рассеивающей линзе
Таким образом, более длинное фокусное расстояние собирающей линзы, соответствующее центральным лучам, увеличится в меньшей степени, чем более короткое фокусное расстояние периферических лучей. Следовательно, рассеивающая линза благодаря своей сферической аберрации выравнивает различие фокусных расстояний центральных и периферических лучей, обусловленное сферической аберрацией собирающей линзы. Правильно рассчитав комбинацию собирающей и рассеивающей линз, мы можем столь полно осуществить это выравнивание, что сферическая аберрация системы из двух линз: будет практически сведена к нулю (рис 232). Обычно обе простые линзы склеиваются (рис. 233).
Рис. 232. Исправление сферической аберрации путем комбинирования собирающей и рассеивающей линз
Рис. 233. Склеенный астрономический объектив, исправленный на сферическую аберрацию
Из сказанного видно, что уничтожение сферической аберрации осуществляется комбинацией двух частей системы сферические аберрации которых взаимно компенсируют друг друга. Аналогичным образом мы поступаем и при исправлении других недостатков системы.
Примером оптической системы с устраненной сферической аберрацией могут служить астрономические объективы. Если звезда находится на оси объектива, то ее изображение практически не искажено аберрацией, хотя диаметр объектива может достигать нескольких десятков сантиметров.
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
1
h e h 0 = 0.707 {\displaystyle {\frac {h_{e}}{h_{0}}}={0.707}}Из всех видов аберраций сферическая аберрация является наиболее существенной и в большинстве случаев единственной практически значимой для оптической системы глаза. Поскольку нормальный глаз всегда фиксирует взгляд на наиболее важном в данный момент объекте, то аберрации, обусловленные косым падением световых лучей (кома, астигматизм) при этом устраняются. Устранить таким способом сферическую аберрацию невозможно. Если преломляющие поверхности оптической системы глаза имеют сферическую форму, устранить сферическую аберрацию невозможно вообще никаким способом. Ее искажающее влияние уменьшается при уменьшении диаметра зрачка, поэтому при ярком освещении разрешающая способность глаза выше, чем при слабом освещении, когда диаметр зрачка увеличивается и размер пятна, представляющего собой изображение точечного источника света, тоже увеличивается из-за сферической аберрации. Эффективно воздействовать на сферическую аберрацию оптической системы глаза можно лишь одним способом - менять форму преломляющей поверхности. Такая возможность имеется в принципе при хирургической коррекции кривизны роговицы и при замене естественного хрусталика, потерявшего свои оптические свойства, например, из-за катаракты, искусственным. Искусственный хрусталик может иметь преломляющие поверхности любой доступной для современных технологий формы. Исследование влияния формы преломляющих поверхностей на сферическую аберрацию наиболее эффективно и точно может быть выполнено с помощью компьютерного моделирования. Здесь рассматривается достаточно простой алгоритм компьютерного моделирования, позволяющий выполнить такое исследование, а также основные результаты, полученные с помощью этого алгоритма.
Наиболее просто выполняется расчет прохождения светового луча через одиночную сферическую преломляющую поверхность, разделяющую две прозрачные среды с различными показателями преломления. Для демонстрации явления сферической аберрации достаточно выполнить такой расчет в двумерном приближении. Луч света располагается в главной плоскости и направляется на преломляющую поверхность параллельно главной оптической оси. Ход этого луча после преломления может быть описан с помощью уравнения окружности, закона преломления и очевидных геометрических и тригонометрических соотношений. В результате решения соответствующей системы уравнений может быть получено выражение для координаты точки пересечения этого луча с главной оптической осью, т.е. координаты фокуса преломляющей поверхности. Это выражение содержит параметры поверхности (радиус), показатели преломления и расстояние между главной оптической осью и точкой падения луча на поверхность. Зависимость координаты фокуса от расстояния между оптической осью и точкой падения луча и есть сферическая аберрация. Эту зависимость легко рассчитать и изобразить графически. Для одиночной сферической поверхности, отклоняющей лучи по направлению к главной оптической оси, координата фокуса всегда уменьшается при увеличении расстояния между оптической осью и падающим лучом. Чем дальше от оси падает луч на преломляющую поверхность, тем ближе к этой поверхности он пересекает ось после преломления. Это положительная сферическая аберрация. В результате лучи, падающие на поверхность параллельно главной оптической оси, не собираются в одной точке в плоскости изображения, а образуют пятно рассеяния конечного диаметра в этой плоскости, что приводит к снижению контраста изображения, т.е. к ухудшению его качества. В одной точке пересекаются только те лучи, которые падают на поверхность очень близко к главной оптической оси (параксиальные лучи).
Если на пути луча поместить собирательную линзу, образованную двумя сферическими поверхностями, то с помощью расчетов, описанных выше, можно показать, что такая линза также обладает положительной сферической аберрацией, т.е. лучи, падающие параллельно главной оптической оси дальше от нее, пересекают эту ось ближе к линзе, чем лучи, идущие ближе к оси. Сферическая аберрация практически отсутствует также только для параксиальных лучей. Если обе поверхности линзы выпуклые (как у хрусталика), то сферическая аберрация больше, чем в случае, когда вторая преломляющая поверхность линзы является вогнутой (как у роговицы).
Положительная сферическая аберрация обусловлена избыточной кривизной преломляющей поверхности. По мере удаления от оптической оси угол между касательной к поверхности и перпендикуляром к оптической оси увеличивается быстрее, чем это необходимо для того, чтобы направлять преломленный луч в параксиальный фокус. Для уменьшения этого эффекта необходимо замедлить отклонение касательной к поверхности от перпендикуляра к оси по мере удаления от нее. Для этого кривизна поверхности должна уменьшаться по мере удаления от оптической оси, т.е. поверхность не должна быть сферической, у которой кривизна во всех ее точках одинакова. Иными словами, уменьшение сферической аберрации может быть достигнуто только с помощью применения линз с асферическими преломляющими поверхностями. Это могут быть, например, поверхности эллипсоида, параболоида и гиперболоида. В принципе возможно использование и других форм поверхности. Привлекательность эллиптической, параболической и гиперболической форм лишь в том, что они, как и сферическая поверхность, описываются достаточно простыми аналитическими формулами и сферическая аберрация линз с этими поверхностями может быть достаточно легко исследована теоретически с помощью описанного выше приема.
Всегда имеется возможность подобрать параметры сферической, эллиптической, параболической и гиперболической поверхностей таким образом, чтобы их кривизна в центре линзы была одинаковой. В этом случае для параксиальных лучей такие линзы будут неотличимы друг от друга, положение параксиального фокуса будет одинаковым для этих линз. Но по мере удаления от главной оси поверхности этих линз будут отклоняться от перпендикуляра к оси по-разному. Быстрее всего будет отклоняться сферическая поверхность, медленнее - эллиптическая, еще медленнее - параболическая и медленнее всех (из этих четырех) - гиперболическая. В такой же последовательности будет все заметнее уменьшаться и сферическая аберрация указанных линз. Для гиперболической линзы сферическая аберрация может даже сменить знак - стать отрицательной, т.е. лучи, падающие на линзу дальше от оптической оси, будут пересекать ее дальше от линзы, чем лучи, падающие на линзу ближе к оптической оси. Для гиперболической линзы можно даже подобрать такие параметры преломляющих поверхностей, которые будут обеспечивать полное отсутствие сферической аберрации - все лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси на любом расстоянии от нее, после преломления будут собираться в одной точке на оси - идеальная линза. Для этого первая преломляющая поверхность должна быть плоской, а вторая - выпуклой гиперболической, параметры которой и показатели преломления должны быть связаны определенными соотношениями.
Таким образом, применением линз с асферическими поверхностями сферическая аберрация может быть существенно уменьшена и даже полностью устранена. Возможность раздельного воздействия на преломляющую силу (положение параксиального фокуса) и сферическую аберрацию обусловлена наличием у асферических поверхностей вращения двух геометрических параметров, двух полуосей, подбором которых можно обеспечивать уменьшение сферической аберрации без изменения преломляющей силы. У сферической поверхности нет такой возможности, у нее только один параметр - радиус и изменением этого параметра изменить сферическую аберрацию без изменения преломляющей силы невозможно. Для параболоида вращения тоже такой возможности нет, так как у параболоида вращения тоже только один параметр - фокальный параметр. Таким образом, из трех упомянутых асферических поверхностей только две пригодны для управляемого независимого воздействия на сферическую аберрацию - гиперболическая и эллиптическая.
Подобрать одиночную линзу с параметрами, обеспечивающими приемлемую сферическую аберрацию, несложно. Но будет ли такая линза обеспечивать требуемое уменьшение сферической аберрации в составе оптической системы глаза? Для ответа на этот вопрос необходимо рассчитать прохождение световых лучей через две линзы - роговицу и хрусталик. Результатом такого расчета будет, как и раньше, график зависимости координаты точки пересечения луча с главной оптической осью (координаты фокуса) от расстояния между падающим лучом и этой осью. Варьируя геометрические параметры всех четырех преломляющих поверхностей, можно с помощью этого графика изучать их влияние на сферическую аберрацию всей оптической системы глаза и пытаться минимизировать ее. Можно, например, легко убедиться, что аберрация всей оптической системы глаза с естественным хрусталиком при условии, что все четыре преломляющие поверхности являются сферическими, заметно меньше, чем аберрация одного только хрусталика, и немного больше, чем аберрация одной только роговицы. При диаметре зрачка 5 мм самые далекие от оси лучи пересекают эту ось примерно на 8% ближе, чем параксиальные лучи при преломлении одним только хрусталиком. При преломлении одной только роговицей при таком же диаметре зрачка фокус для дальних лучей ближе примерно на 3%, чем для параксиальных лучей. Вся оптическая система глаза с этим хрусталиком и с этой роговицей собирает дальние лучи примерно на 4% ближе, чем параксиальные лучи. Можно сказать, что роговица частично компенсирует сферическую аберрацию хрусталика.
Можно убедиться также, что оптическая система глаза, состоящая из роговицы и идеальной гиперболической линзы с нулевой аберрацией, установленной в качестве хрусталика, дает сферическую аберрацию, примерно такую же, как и одна только роговица, т.е. минимизация сферической аберрации одного только хрусталика недостаточна для минимизации всей оптической системы глаза.
Таким образом, для минимизации сферической аберрации всей оптической системы глаза за счет выбора геометрии одного только хрусталика необходимо подбирать не такую линзу, у которой минимальна сферическая аберрация, а такую, которая минимизирует аберрацию во взаимодействии с роговицей. Если преломляющие поверхности роговицы считать сферическими, то для практически полного устранения сферической аберрации всей оптической системы глаза необходимо подобрать хрусталик с гиперболическими преломляющими поверхностями, который в качестве одиночной линзы дает ощутимую (около 17% в жидкой среде глаза и около 12% в воздухе) отрицательную аберрацию. Сферическая аберрация всей оптической системы глаза при этом не превышает 0.2% ни при каких диаметрах зрачка. Почти такую же нейтрализацию сферической аберрации оптической системы глаза (примерно до 0.3%) можно получить даже с помощью хрусталика, у которого первая преломляющая поверхность является сферической, а вторая - гиперболической.
Итак, применение искусственного хрусталика с асферическими, в частности, с гиперболическими преломляющими поверхностями позволяет практически полностью устранить сферическую аберрацию оптической системы глаза и тем самым значительно улучшить качество изображения, даваемого этой системой на сетчатке. Это показывают результаты компьютерного моделирования прохождения лучей через систему в рамках достаточно простой двумерной модели.
Влияние параметров оптической системы глаза на качество ретинального изображения может быть продемонстрировано также с помощью значительно более сложной трехмерной компьютерной модели, выполняющей трассировку очень большого количества лучей (от нескольких сотен лучей до нескольких сотен тысяч лучей), вышедших их одной точки источника и попадающих в разные точки сетчатки в результате воздействия всех геометрических аберраций и возможной неточной фокусировки системы. Складывая все лучи во всех точках сетчатки, пришедшие туда от всех точек источника, такая модель позволяет получить изображения протяженных источников - различных тест-объектов, как цветных, так и черно-белых. В нашем распоряжении имеется такая трехмерная компьютерная модель и она наглядно демонстрирует значительное улучшение качества ретинального изображения при применении интраокулярных линз с асферическими преломляющими поверхностями за счет значительного уменьшения сферической аберрации и уменьшения тем самым размеров пятна рассеяния на сетчатке. В принципе сферическая аберрация может быть устранена практически полностью и, казалось бы, размер пятна рассеяния можно уменьшить практически до нуля, получив тем самым идеальное изображение.
Но не следует упускать из виду то обстоятельство, что идеальное изображение получить невозможно никаким способом, даже если предположить, что все геометрические аберрации устранены полностью. Есть принципиальный предел уменьшения размера пятна рассеяния. Этот предел устанавливает волновая природа света. В соответствии с дифракционной теорией, основывающейся на волновых представлениях, минимальный диаметр светового пятна в плоскости изображения, обусловленный дифракцией света на круглом отверстии, пропорционален (с коэффициентом пропорциональности 2.44) произведению фокусного расстояния на длину волны света и обратно пропорционален диаметру отверстия. Оценка для оптической системы глаза дает диаметр пятна рассеяния около 6.5 мкм при диаметре зрачка 4 мм.
Уменьшить диаметр светового пятна меньше дифракционного предела невозможно, даже если законы геометрической оптики сводят все лучи в одну точку. Дифракция ограничивает предел улучшения качества изображения, даваемого любой рефракционной оптической системой, даже идеальной. Вместе с тем дифракция света не хуже, чем рефракция, может быть использована для получения изображения, что успешно применяется в дифракционно-рефракционных ИОЛ. Но это уже другая тема.
Библиографическая ссылка
Чередник В.И., Треушников В.М. СФЕРИЧЕСКАЯ АБЕРРАЦИЯ И АСФЕРИЧЕСКИЕ ИНТРАОКУЛЯРНЫЕ ЛИНЗЫ // Фундаментальные исследования. – 2007. – № 8. – С. 38-41;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=3359 (дата обращения: 23.03.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
