Basis onderzoek. Sferische aberratie in lenzen Het beeld van een punt met sferische aberratie heeft de vorm

Sferische aberratie ()

Als alle coëfficiënten, met uitzondering van B, gelijk zijn aan nul, dan heeft (8) de vorm

Aberratiecurven hebben in dit geval de vorm van concentrische cirkels, waarvan de middelpunten zich op het punt van het paraxiale beeld bevinden, en de stralen zijn evenredig met de derde macht van de zoneradius, maar zijn niet afhankelijk van de positie () van het object in de visuele zone. Dit beelddefect wordt sferische aberratie genoemd.

Sferische aberratie, die er onafhankelijk van is, vervormt zowel punten op de as als punten buiten de as van het beeld. Stralen die uit het axiale punt van een object komen en aanzienlijke hoeken met de as maken, zullen het object snijden op punten die voor of achter het asparallelle brandpunt liggen (fig. 5.4). Het punt waarop de stralen vanaf de rand van het diafragma de as kruisen, werd het randfocus genoemd. Als het scherm in het beeldgebied loodrecht op de as wordt geplaatst, dan is er een positie van het scherm waarbij de ronde plek van het beeld erop minimaal is; dit minimale ‘beeld’ wordt de kleinste verstrooiingscirkel genoemd.

Coma()

Een afwijking die wordt gekenmerkt door een F-coëfficiënt die niet nul is, wordt coma genoemd. De componenten van stralingsafwijking zijn in dit geval volgens (8). weergave

Zoals we zien, beschrijft een punt (zie figuur 2.1) bij een vaste zoneradius bij het veranderen van 0 naar tweemaal een cirkel in het beeldvlak. De straal van de cirkel is gelijk en het middelpunt bevindt zich op een afstand van de paraaxiale focus in de richting van negatieve waarden bij. Bijgevolg raakt deze cirkel twee rechte lijnen die door het asparallelle beeld en componenten met de as lopen bij hoeken van 30°. Als alle mogelijke waarden worden gebruikt, vormt de verzameling soortgelijke cirkels een gebied dat wordt begrensd door de segmenten van deze rechte lijnen en de boog van de grootste aberratiecirkel (Fig. 3.3). De afmetingen van het resulterende gebied nemen lineair toe met toenemende afstand van het objectpunt tot de systeemas. Wanneer aan de Abbe-sinusvoorwaarde wordt voldaan, levert het systeem een scherp beeld van een element van het objectvlak dat zich dicht bij de as bevindt. Bijgevolg kan de uitbreiding van de aberratiefunctie in dit geval geen termen bevatten die lineair afhankelijk zijn van. Hieruit volgt dat als aan de sinusvoorwaarde wordt voldaan, er geen sprake is van een primaire coma.

Astigmatisme () en veldkromming ()

Het is handiger om aberraties te beschouwen die worden gekenmerkt door de coëfficiënten C en D samen. Als alle andere coëfficiënten in (8) gelijk zijn aan nul, dan

Om het belang van dergelijke aberraties aan te tonen, moeten we eerst aannemen dat de beeldbundel erg smal is. Volgens § 4.6 snijden de stralen van een dergelijke bundel twee korte segmenten van krommen, waarvan er één (tangentiële brandpuntslijn) orthogonaal staat op het meridionale vlak, en de andere (sagittale brandpuntslijn) in dit vlak ligt. Laten we nu eens kijken naar het licht dat uit alle punten van het eindige gebied van het objectvlak komt. Brandpuntslijnen in de beeldruimte zullen transformeren in tangentiële en sagittale brandpuntsvlakken. Bij een eerste benadering kunnen deze oppervlakken als bollen worden beschouwd. Laten en zijn hun stralen, die als positief worden beschouwd als de overeenkomstige krommingscentra zich aan de andere kant van het beeldvlak bevinden van waaruit het licht zich voortplant (in het geval weergegeven in figuur 3.4.i).

De kromtestralen kunnen worden uitgedrukt via de coëfficiënten MET En D. Om dit te doen, is het bij het berekenen van straalafwijkingen, rekening houdend met de kromming, handiger om gewone coördinaten te gebruiken in plaats van Seidel-variabelen. We hebben (Fig. 3.5)

Waar u- kleine afstand tussen de sagittale brandpuntslijn en het beeldvlak. Als v is dan de afstand van deze brandpuntslijn tot de as

als het nog steeds verwaarloosd wordt En vergeleken met, dan vinden we uit (12).

Insgelijks

Laten we deze relaties nu schrijven in termen van Seidel-variabelen. Als we (2.6) en (2.8) daarin vervangen, verkrijgen we

en op soortgelijke wijze

In de laatste twee relaties kunnen we vervangen door en dan verkrijgen we met behulp van (11) en (6).

Maat 2C + D meestal genoemd tangentiële veldkromming, grootte D -- sagittale veldkromming, en hun halve som

wat evenredig is aan hun rekenkundig gemiddelde, eenvoudigweg veld kromming.

Uit (13) en (18) volgt dat op een hoogte vanaf de as de afstand tussen de twee brandpuntsvlakken (dat wil zeggen het astigmatische verschil van de bundel die het beeld vormt) gelijk is aan

Half verschil

genaamd astigmatisme. Bij afwezigheid van astigmatisme (C = 0) hebben we dat wel gedaan. Straal R Het totale samenvallende brandpuntsoppervlak kan in dit geval worden berekend met behulp van een eenvoudige formule, die de kromtestralen van de afzonderlijke oppervlakken van het systeem en de brekingsindices van alle media omvat.

Vervorming()

Als in relaties (8) alleen de coëfficiënt verschillend is van nul E, Dat

Omdat dit geen coördinaten bevat, zal de weergave stigmatisch zijn en niet afhankelijk zijn van de straal van de uittredepupil; de afstanden van de beeldpunten tot de as zullen echter niet evenredig zijn met de overeenkomstige afstanden voor de objectpunten. Deze aberratie wordt vervorming genoemd.

In aanwezigheid van een dergelijke aberratie zal het beeld van elke lijn in het vlak van het object dat door de as gaat een rechte lijn zijn, maar het beeld van elke andere lijn zal gebogen zijn. In afb. 3.6, en het object wordt weergegeven in de vorm van een raster van rechte lijnen evenwijdig aan de assen X En bij en op dezelfde afstand van elkaar gelegen. Rijst. 3.6. b illustreert de zogenaamde tonvormige vervorming (E>0), en afb. 3.6. V- kussenvormige vervorming (E<0 ).

Rijst. 3.6.

Eerder werd gesteld dat van de vijf Seidel-afwijkingen er drie (sferisch, coma en astigmatisme) de beeldscherpte verstoren. De andere twee (veldkromming en vervorming) veranderen van positie en vorm. In het algemeen is het onmogelijk een systeem te construeren dat zowel vrij is van alle primaire aberraties als van hogere orde aberraties; daarom moeten we altijd zoeken naar een geschikte compromisoplossing die rekening houdt met hun relatieve waarden. In sommige gevallen kunnen Seidel-afwijkingen aanzienlijk worden verminderd door afwijkingen van hogere orde. In andere gevallen is het noodzakelijk om bepaalde afwijkingen volledig te elimineren, ook al treden er andere soorten afwijkingen op. Coma moet bijvoorbeeld volledig worden geëlimineerd in telescopen, want als het aanwezig is, zal het beeld asymmetrisch zijn en zullen alle nauwkeurige astronomische positiemetingen zinloos zijn. . Aan de andere kant kan de aanwezigheid van enige veldkromming en vervorming is relatief onschadelijk, omdat deze kan worden geëlimineerd met behulp van geschikte berekeningen.

optische aberratie chromatische astigmatisme vervorming

Het optreden van deze fout kan worden opgespoord met behulp van gemakkelijk toegankelijke experimenten. Laten we een eenvoudige convergerende lens 1 nemen (bijvoorbeeld een plano-convexe lens) met een zo groot mogelijke diameter en een zo klein mogelijke brandpuntsafstand. Een kleine en tegelijkertijd vrij heldere lichtbron kan worden verkregen door in een groot scherm 2 een gat te boren met een diameter van ongeveer , en daarvoor een stuk matglas 3 te bevestigen, verlicht door een sterke lamp van een korte afstand. afstand. Nog beter is het om het licht van een boogzaklamp op het matglas te concentreren. Dit "lichtgevende punt" moet zich op de optische hoofdas van de lens bevinden (Fig. 228, a).

Rijst. 228. Experimenteel onderzoek naar sferische aberratie: a) een lens waarop een brede straal valt geeft een wazig beeld; b) de centrale zone van de lens geeft een goed scherp beeld

Met behulp van deze lens, waarop brede lichtbundels vallen, is het niet mogelijk een scherp beeld van de bron te verkrijgen. Hoe we scherm 4 ook bewegen, het levert een nogal wazig beeld op. Maar als je de stralen die op de lens vallen beperkt door er een stuk karton 5 voor te plaatsen met een klein gaatje tegenover het centrale deel (Fig. 228, b), dan zal het beeld aanzienlijk verbeteren: je kunt zo'n positie vinden voor het scherm 4 zal het beeld van de bron erop behoorlijk scherp zijn. Deze waarneming komt redelijk overeen met wat we weten over het beeld dat wordt verkregen in een lens met behulp van smalle paraaxiale bundels (vgl. §89).

Rijst. 229. Scherm met gaten voor het bestuderen van sferische aberratie

Laten we nu het karton met een centraal gat vervangen door een stuk karton met kleine gaatjes langs de diameter van de lens (Fig. 229). Het pad van de stralen die door deze gaten gaan, kan worden gevolgd als de lucht achter de lens lichtjes wordt gerookt. We zullen ontdekken dat stralen die door gaten op verschillende afstanden van het midden van de lens gaan, elkaar op verschillende punten kruisen: hoe verder de straal uit de as van de lens komt, hoe meer deze wordt gebroken en hoe dichter bij de lens het punt ligt. van het snijpunt met de as.

Onze experimenten laten dus zien dat stralen die door afzonderlijke zones van de lens gaan die zich op verschillende afstanden van de as bevinden, beelden opleveren van de bron die op verschillende afstanden van de lens ligt. Op een bepaalde positie van het scherm zullen verschillende zones van de lens erop verschijnen: sommige zijn scherper, andere zijn waziger beelden van de bron, die zullen overgaan in een lichte cirkel. Als gevolg hiervan produceert een lens met een grote diameter een beeld van een puntbron, niet in de vorm van een punt, maar in de vorm van een wazig lichtvlekje.

Bij het gebruik van brede lichtbundels krijgen we dus geen puntbeeld, zelfs niet als de bron zich op de hoofdas bevindt. Deze fout in optische systemen wordt sferische aberratie genoemd.

Rijst. 230. De opkomst van sferische aberratie. Stralen die op verschillende hoogten boven de as uit de lens komen, geven beelden van een punt op verschillende punten

Voor eenvoudige negatieve lenzen zal, als gevolg van sferische aberratie, de brandpuntsafstand van stralen die door de centrale zone van de lens gaan ook groter zijn dan voor stralen die door de perifere zone gaan. Met andere woorden, een evenwijdige bundel die door de centrale zone van de divergerende lens gaat, wordt minder divergent dan een bundel die door de buitenste zones gaat. Door licht na een convergerende lens door een divergerende lens te laten gaan, vergroten we de brandpuntsafstand. Deze toename zal echter minder significant zijn voor de centrale stralen dan voor de perifere stralen (Fig. 231).

Rijst. 231. Sferische aberratie: a) in een verzamellens; b) in een divergerende lens

De langere brandpuntsafstand van de convergerende lens die correspondeert met de centrale stralen zal dus minder toenemen dan de kortere brandpuntsafstand van de perifere stralen. Dientengevolge egaliseert de divergerende lens, als gevolg van zijn sferische aberratie, het verschil in brandpuntsafstanden van de centrale en perifere stralen, veroorzaakt door de sferische aberratie van de verzamellens. Door de combinatie van convergerende en divergerende lenzen correct te berekenen, kunnen we deze uitlijning zo volledig uitvoeren dat de sferische aberratie van een systeem van twee lenzen praktisch tot nul wordt teruggebracht (Fig. 232). Meestal worden beide eenvoudige lenzen aan elkaar gelijmd (Fig. 233).

Rijst. 232. Correctie van sferische aberratie door het combineren van een convergerende en divergerende lens

Rijst. 233. Gelijmde astronomische lens, gecorrigeerd voor sferische aberratie

Uit het bovenstaande is het duidelijk dat de vernietiging van sferische aberratie wordt uitgevoerd door een combinatie van twee delen van het systeem, waarvan de sferische aberraties elkaar wederzijds compenseren. Hetzelfde doen we bij het corrigeren van andere systeemtekortkomingen.

Een voorbeeld van een optisch systeem met geëlimineerde sferische aberratie zijn astronomische lenzen. Als de ster zich op de as van de lens bevindt, wordt het beeld praktisch niet vervormd door aberratie, hoewel de diameter van de lens enkele tientallen centimeters kan bereiken.

Het wordt meestal beschouwd als een stralenbundel die uit een punt op een object op de optische as komt. Sferische aberratie treedt echter ook op bij andere stralenbundels die uit punten van het object komen die zich op afstand van de optische as bevinden, maar in dergelijke gevallen wordt deze beschouwd als een integraal onderdeel van de aberraties van de gehele schuine stralenbundel. Bovendien, hoewel deze afwijking wordt genoemd bolvormig Het is niet alleen kenmerkend voor bolvormige oppervlakken.

Als gevolg van sferische aberratie neemt een cilindrische straalstraal, na breking door een lens (in de beeldruimte), niet de vorm aan van een kegel, maar van een trechtervormige figuur, waarvan het buitenoppervlak, nabij een knelpunt, wordt een bijtend oppervlak genoemd. In dit geval heeft het beeld van het punt de vorm van een schijf met een niet-uniforme verlichtingsverdeling, en de vorm van de bijtende curve stelt ons in staat de aard van de verlichtingsverdeling te beoordelen. Over het algemeen is de verstrooiingsfiguur, in de aanwezigheid van sferische aberratie, een systeem van concentrische cirkels met stralen die evenredig zijn met de derde macht van de coördinaten op de ingangs- (of uitgangs-) pupil.

Berekende waarden

Afstand δs" langs de optische as tussen de verdwijnpunten van de nul- en extreme stralen wordt genoemd longitudinale sferische aberratie.

Diameter δ" De verstrooiingscirkel (schijf) wordt bepaald door de formule

2H 1 - diameter van het systeemgat;
A"- afstand van het systeem tot het beeldpunt;
δs"- longitudinale aberratie.

Voor objecten die zich op oneindig bevinden

Door dergelijke eenvoudige lenzen te combineren, kan sferische aberratie aanzienlijk worden gecorrigeerd.

Vermindering en correctie

In sommige gevallen kan een kleine hoeveelheid sferische aberratie van de derde orde worden gecorrigeerd door de lens enigszins onscherp te maken. In dit geval verschuift het beeldvlak naar het zogenaamde “beste installatievlakken”, in de regel in het midden gelegen, tussen de kruising van de axiale en uiterste stralen, en niet samenvallend met het smalste snijpunt van alle stralen van een brede straal (schijf met de minste verstrooiing). Deze discrepantie wordt verklaard door de verdeling van de lichtenergie in de schijf met de minste verstrooiing, waardoor niet alleen verlichtingsmaxima in het midden, maar ook aan de rand worden gevormd. Dat wil zeggen, we kunnen zeggen dat de "schijf" een heldere ring is met een centraal punt. Daarom zal de resolutie van het optische systeem in het vlak dat samenvalt met de schijf met de minste verstrooiing lager zijn, ondanks de lagere waarde van transversale sferische aberratie. De geschiktheid van deze methode hangt af van de grootte van de sferische aberratie en de aard van de verlichtingsverdeling in de verstrooiingsschijf.

Strikt genomen kan sferische aberratie alleen volledig worden gecorrigeerd voor een paar smalle zones, en bovendien alleen voor bepaalde twee samengevoegde punten. In de praktijk kan de correctie echter zelfs bij systemen met twee lenzen zeer bevredigend zijn.

Typisch wordt sferische aberratie geëlimineerd voor één hoogtewaarde H 0 overeenkomend met de rand van de pupil van het systeem. In dit geval wordt de hoogste waarde van resterende sferische aberratie op hoogte verwacht H e bepaald door een eenvoudige formule

Residuele sferische aberratie leidt ertoe dat het beeld van een punt nooit een punt wordt. Het blijft een schijf, zij het van een veel kleiner formaat dan bij ongecorrigeerde sferische aberratie.

Om resterende sferische aberratie te verminderen, wordt vaak een berekende "overcorrectie" gebruikt aan de rand van de pupil van het systeem, waardoor de sferische aberratie in de randzone een positieve waarde krijgt ( δs"> 0). Tegelijkertijd kruisen de stralen de pupil op hoogte H e, snijden elkaar nog dichter bij het brandpunt, en de randstralen, hoewel ze achter het brandpunt convergeren, gaan niet verder dan de grenzen van de verstrooiingsschijf. De grootte van de verstrooiingsschijf neemt dus af en de helderheid ervan neemt toe. Dat wil zeggen dat zowel de details als het contrast van het beeld verbeteren. Vanwege de eigenaardigheden van de verlichtingsverdeling in de verstrooiingsschijf hebben lenzen met ‘overgecorrigeerde’ sferische aberratie echter vaak ‘dubbele’ onscherpte buiten het scherpstelgebied.

In sommige gevallen is een aanzienlijke “hercorrectie” toegestaan. De vroege ‘Planars’ van Carl Zeiss Jena hadden bijvoorbeeld een positieve sferische aberratiewaarde ( δs"> 0), zowel voor de marginale als de middelste zone van de pupil. Deze oplossing vermindert het contrast enigszins bij volle opening, maar verhoogt de resolutie merkbaar bij kleine openingen.

Opmerkingen

Literatuur

Begunov BN Geometrische optica, Uitgeverij van de Staatsuniversiteit van Moskou, 1966.
Volosov D.S., Fotografische optica. M., “Iskusstvo”, 1971.
Zakaznov N.P. et al., Theorie van optische systemen, M., “Machine Building”, 1992.
Landsberg GS Optics. M., FIZMATLIT, 2003.
Churilovsky V.N. Theorie van optische instrumenten, Leningrad, "Machinebouw", 1966.
Smith, Warren J. Moderne optische techniek, McGraw-Hill, 2000.

Wikimedia Stichting. 2010.

Fysieke encyclopedie

Een van de soorten aberraties van optische systemen (zie Aberraties van optische systemen); manifesteert zich in een mismatch van focuspunten voor lichtstralen die door een assymmetrisch optisch systeem (lens (zie lens), lens) gaan op verschillende afstanden van ... Grote Sovjet-encyclopedie

Beeldvervorming in optische systemen als gevolg van het feit dat lichtstralen van een puntbron die zich op de optische as bevindt, niet op één punt worden opgevangen terwijl stralen door delen van het systeem gaan die zich op afstand van de as bevinden. * * * SFERISCH… … encyclopedisch woordenboek

sferische aberratie- sferinė aberacija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. sferische aberratie vok. sphärische aberratie, f rus. sferische aberratie, f pranc. aberration de spéricité, f; aberratie sphérique, f … Fizikos terminų žodynas

SFERISCHE ABERRATIE- Zie aberratie, sferisch... Verklarend woordenboek van de psychologie

sferische aberratie- veroorzaakt door de mismatch van de brandpunten van lichtstralen die op verschillende afstanden van de optische as van het systeem passeren, wat leidt tot het beeld van een punt in de vorm van een cirkel met verschillende verlichting. Zie ook: Aberratie chromatische aberratie... Encyclopedisch woordenboek van de metallurgie

Een van de afwijkingen van optische systemen, veroorzaakt door een verkeerde combinatie van brandpunten voor lichtstralen die door een asymmetrische optische lens gaan. systeem (lens, objectief) op verschillende afstanden van de optische as van dit systeem. Het manifesteert zich in het feit dat het beeld... ... Groot encyclopedisch polytechnisch woordenboek

Beeldvervorming in optisch systemen, vanwege het feit dat lichtstralen afkomstig zijn van een puntbron die zich op het optische vlak bevindt assen komen niet op één punt samen, waarbij stralen door delen van het systeem gaan die ver van de as verwijderd zijn... Natuurwetenschap. encyclopedisch woordenboek

Figuur 1 Illustratie van ondergecorrigeerde sferische aberratie. Het oppervlak aan de rand van de lens heeft een brandpuntsafstand die korter is dan in het midden.

De meeste fotografische lenzen bestaan uit elementen met bolvormige oppervlakken. Dergelijke elementen zijn relatief eenvoudig te vervaardigen, maar hun vorm is niet ideaal voor beeldvorming.

Sferische aberratie- dit is een van de defecten in de beeldvorming die optreden als gevolg van de bolvorm van de lens. Rijst. Figuur 1 illustreert sferische aberratie voor een positieve lens.

Stralen die verder van de optische as door de lens gaan, worden op hun positie gefocusseerd Met. Stralen die dichter bij de optische as passeren, worden op hun positie gefocusseerd A, ze bevinden zich dichter bij het oppervlak van de lens. De focuspositie hangt dus af van de locatie waar de stralen door de lens gaan.

Als de randfocus dichter bij de lens ligt dan de axiale focus, zoals gebeurt bij een positieve lens. 1, dan zeggen ze dat sferische aberratie ongecorrigeerd. Omgekeerd, als de randfocus zich achter de axiale focus bevindt, is er sprake van sferische aberratie opnieuw gecorrigeerd.

Het beeld van een punt gemaakt door een lens met sferische aberraties wordt gewoonlijk verkregen door punten omgeven door een halo van licht. Sferische aberratie treedt meestal op foto's op door het contrast te verzachten en fijne details te vervagen.

Sferische aberratie is uniform over het veld, wat betekent dat de longitudinale focus tussen de randen van de lens en het midden niet afhankelijk is van de inclinatie van de stralen.

Uit figuur 1 blijkt dat het onmogelijk is om een goede scherpte te bereiken op een lens met sferische aberratie. Op elke positie achter de lens op het lichtgevoelige element (film of sensor) wordt in plaats van een helder punt een onscherpe schijf geprojecteerd.

Er is echter een geometrisch "beste" focus die overeenkomt met de schijf met de minste onscherpte. Dit unieke ensemble van lichtkegels heeft in positie een minimale doorsnede B.

Focusverschuiving

Wanneer het diafragma zich achter de lens bevindt, doet zich een interessant fenomeen voor. Als het diafragma zo gesloten is dat het de stralen aan de rand van de lens afsnijdt, verschuift de focus naar rechts. Met een zeer gesloten diafragma wordt de beste focus in de positie waargenomen C Dat wil zeggen dat de posities van de schijven met de minste onscherpte wanneer het diafragma gesloten is en wanneer het diafragma open is, zullen verschillen.

Om bij gesloten diafragma de beste scherpte te krijgen, moet de matrix (film) in de juiste positie worden geplaatst C. Dit voorbeeld laat duidelijk zien dat de mogelijkheid bestaat dat niet de beste scherpte wordt bereikt, aangezien de meeste fotografische systemen zijn ontworpen om met een groot diafragma te werken.

De fotograaf stelt scherp met het diafragma volledig open en projecteert de schijf met de minste onscherpte op de positie op de sensor. B, dan sluit het diafragma bij het fotograferen automatisch tot de ingestelde waarde, en hij vermoedt op dit moment niets van wat volgt focusverschuiving, waardoor de beste scherpte niet wordt bereikt.

Uiteraard vermindert een gesloten diafragma ook op het punt de sferische aberraties B, maar toch zal het niet de beste scherpte hebben.

DSLR-gebruikers kunnen het voorbeelddiafragma sluiten om scherp te stellen op het werkelijke diafragma.

Norman Goldberg stelde automatische compensatie voor focusverschuivingen voor. Zeiss heeft een lijn meetzoekerlenzen voor Zeiss Ikon-camera's gelanceerd met een speciaal ontworpen ontwerp om focusverschuiving bij veranderende diafragmawaarden te minimaliseren. Tegelijkertijd worden sferische aberraties in lenzen voor meetzoekercamera's aanzienlijk verminderd. Hoe belangrijk is focusverschuiving voor meetzoekercameralenzen, vraagt u zich af? Volgens de fabrikant van de LEICA NOCTILUX-M 50mm f/1 lens bedraagt deze waarde ongeveer 100 micron.

Onscherp vervagingspatroon

Het effect van sferische aberraties op een scherpgesteld beeld is moeilijk waar te nemen, maar kan duidelijk worden gezien in een beeld dat enigszins onscherp is. Sferische aberratie laat een zichtbaar spoor achter in het onscherpe gebied.

Terugkerend naar figuur 1 kan worden opgemerkt dat de verdeling van de lichtintensiteit in de onscherpe schijf in de aanwezigheid van sferische aberratie niet uniform is.

Zwanger C een onscherpe schijf wordt gekenmerkt door een heldere kern omgeven door een zwakke halo. Terwijl de vervagingsknop in positie is A heeft een donkerdere kern omgeven door een heldere ring van licht. Dergelijke abnormale lichtverdelingen kunnen verschijnen in het onscherpe gebied van het beeld.

Rijst. 2 Veranderingen in onscherpte voor en achter het scherpstelpunt

Voorbeeld in afb. Figuur 2 toont een punt in het midden van het beeld, opgenomen in de 1:1 macromodus met een 85/1.4 lens gemonteerd op een macrobalglens. Wanneer de sensor 5 mm achter de beste focus (middenpunt) staat, vertoont de onscherpteschijf het effect van een heldere ring (linkervlek). Soortgelijke onscherpteschijven worden verkregen met meniscusreflexlenzen.

En wanneer de sensor 5 mm voorloopt op de beste focus (dat wil zeggen dichter bij de lens), is de aard van de onscherpte veranderd in de richting van een helder centrum omgeven door een zwakke halo. Zoals u kunt zien, heeft de lens de sferische aberratie overgecorrigeerd, omdat deze zich tegengesteld gedraagt aan het voorbeeld in Fig. 1.

Het volgende voorbeeld illustreert het effect van twee aberraties op onscherpe beelden.

In afb. Figuur 3 toont een kruis, dat in het midden van het beeld is gefotografeerd met dezelfde 85/1,4 lens. De macrobont wordt met ongeveer 85 mm verlengd, wat een toename geeft van ongeveer 1:1. De camera (matrix) werd in stappen van 1 mm in beide richtingen verplaatst vanaf de maximale focus. Een kruis is een complexer beeld dan een punt, en kleurindicatoren geven visuele illustraties van de vervaging ervan.

Rijst. 3 De cijfers in de afbeeldingen geven veranderingen in de afstand van de lens tot de matrix aan, dit zijn millimeters. de camera beweegt van -4 tot +4 mm in stappen van 1 mm vanaf de beste focuspositie (0)

Sferische aberratie is verantwoordelijk voor de harde aard van onscherpte op negatieve afstanden en voor de overgang naar zachte onscherpte op positieve afstanden. Ook interessant zijn kleureffecten die voortkomen uit longitudinale chromatische aberratie (axiale kleur). Als de lens slecht is gemonteerd, zijn sferische aberratie en axiale kleur de enige aberraties die in het midden van het beeld verschijnen.

Meestal hangt de sterkte en soms de aard van sferische aberratie af van de golflengte van het licht. In dit geval wordt het gecombineerde effect van sferische aberratie en axiale kleur genoemd. Hieruit wordt duidelijk dat het fenomeen geïllustreerd in Fig. Uit figuur 3 blijkt dat deze lens niet bedoeld is om als macrolens te worden gebruikt. De meeste lenzen zijn geoptimaliseerd voor scherpstelling in het nabije veld en scherpstelling op oneindig, maar niet voor 1:1 macro. Bij een dergelijke benadering zullen gewone lenzen zich slechter gedragen dan macrolenzen, die specifiek op korte afstanden worden gebruikt.

Maar zelfs als de lens voor standaardtoepassingen wordt gebruikt, kan er tijdens normale opnamen sferochromatisme in het onscherpe gebied verschijnen en de kwaliteit beïnvloeden.

conclusies
Natuurlijk is de illustratie in Fig. 1 is overdreven. In werkelijkheid is de hoeveelheid resterende sferische aberraties in fotografische lenzen klein. Dit effect wordt aanzienlijk verminderd door lenselementen te combineren om de som van tegengestelde sferische aberraties te compenseren, het gebruik van hoogwaardig glas, zorgvuldig ontworpen lensgeometrie en het gebruik van asferische elementen. Bovendien kunnen zwevende elementen worden gebruikt om sferische aberraties over een bepaald bereik van werkafstanden te verminderen.

Voor lenzen met ondergecorrigeerde sferische aberratie is het sluiten van het diafragma een effectieve manier om de beeldkwaliteit te verbeteren. Voor het ondergecorrigeerde element in Fig. 1 De diameter van de vervagingsschijven neemt af in verhouding tot de derde macht van de diafragmadiameter.

Deze afhankelijkheid kan verschillen voor resterende sferische aberraties in complexe lensontwerpen, maar in de regel geeft het sluiten van het diafragma met één stop al een merkbare verbetering van het beeld.

Als alternatief kan een fotograaf, in plaats van sferische aberratie te bestrijden, deze opzettelijk exploiteren. Zeiss-verzachtingsfilters voegen, ondanks hun platte oppervlak, sferische aberraties toe aan het beeld. Ze zijn populair onder portretfotografen om een zacht effect en een indrukwekkend beeld te bereiken.

Er zijn geen ideale dingen... Er is geen ideale lens - een lens die in staat is een beeld te construeren van een oneindig klein punt in de vorm van een oneindig klein punt. De reden hiervoor is - sferische aberratie.

Sferische aberratie- vervorming die ontstaat als gevolg van het verschil in focus voor stralen die op verschillende afstanden van de optische as passeren. In tegenstelling tot de eerder beschreven coma en astigmatisme is deze vervorming niet asymmetrisch en resulteert in een uniforme divergentie van stralen uit een puntlichtbron.

Sferische aberratie is in verschillende mate inherent aan alle lenzen, op enkele uitzonderingen na (een die ik ken is de Era-12, de scherpte ervan wordt grotendeels beperkt door kleurkwaliteit). Het is deze vervorming die de scherpte van de lens bij een open diafragma beperkt .

Schema 1 (Wikipedia). Het optreden van sferische aberratie

Sferische aberratie heeft vele gezichten - soms wordt het nobele "software" genoemd, soms - laagwaardige "soap", het bepaalt grotendeels de bokeh van de lens. Dankzij haar is Trioplan 100/2.8 een bellengenerator en heeft de New Petzval van de Lomographic Society onscherptecontrole... Maar eerst en vooral.

Hoe verschijnt sferische aberratie in een afbeelding?

De meest voor de hand liggende manifestatie is het vervagen van de contouren van een object in de scherptezone ("gloed van contouren", "zacht effect"), het verbergen van kleine details, een gevoel van onscherpte ("zeep" - in ernstige gevallen);

Een voorbeeld van sferische aberratie (software) in een afbeelding gemaakt met een Industar-26M van FED, F/2.8

Veel minder voor de hand liggend is de manifestatie van sferische aberratie in de bokeh van de lens. Afhankelijk van het teken, de mate van correctie, etc. kan sferische aberratie verschillende verwarringscirkels vormen.

Een voorbeeld van een foto gemaakt met een Triplet 78/2.8 (F/2.8) - de verwarringscirkels hebben een heldere rand en een licht centrum - de lens heeft een grote hoeveelheid sferische aberratie

Een voorbeeld van een foto gemaakt met een aplanat KO-120M 120/1.8 (F/1.8) - de cirkel van verwarring heeft een zwak gedefinieerde rand, maar is er nog steeds. Afgaande op de tests (door mij eerder in een ander artikel gepubliceerd) heeft de lens weinig sferische aberratie

En als voorbeeld van een lens waarin de hoeveelheid sferische aberratie ongelooflijk klein is: een foto gemaakt met de Era-12 125/4 (F/4). De cirkel heeft helemaal geen rand en de helderheidsverdeling is zeer gelijkmatig. Dit duidt op een uitstekende lenscorrectie (wat inderdaad waar is).

Eliminatie van sferische aberratie

De belangrijkste methode is diafragma. Door “extra” balken af te snijden, kun je de scherpte goed verbeteren.

Schema 2 (Wikipedia) - sferische aberratie verminderen met behulp van een diafragma (1 fig.) en gebruik maken van defocussering (2 fig.). De defocusmethode is meestal niet geschikt voor fotografie.

Voorbeelden van foto's van de wereld (het midden is uitgesneden) bij verschillende diafragma's - 2,8, 4, 5,6 en 8, gemaakt met een Industar-61-lens (vroeg, FED).

F/2.8 - vrij sterke software verduisterd

F/4 - software verminderd, beelddetails verbeterd

F/5.6 - software is vrijwel afwezig

F/8 - geen software, kleine details zijn duidelijk zichtbaar

In grafische editors kunt u functies voor verscherping en onscherpte gebruiken, waarmee u het negatieve effect van sferische aberratie enigszins kunt verminderen.

Soms treedt sferische aberratie op als gevolg van een lensstoring. Meestal - schendingen van de ruimtes tussen de lenzen. Aanpassing helpt.

Zo bestaat het vermoeden dat er iets mis is gegaan bij het ombouwen van Jupiter-9 naar LZOS: in vergelijking met Jupiter-9 geproduceerd door KMZ mist LZOS simpelweg scherpte door enorme sferische aberratie. De facto verschillen de lenzen in absoluut alles behalve de cijfers 85/2. Wit kan vechten met Canon 85/1.8 USM, en zwart kan alleen vechten met Triplet 78/2.8 en zachte lenzen.

Foto gemaakt met zwarte Jupiter-9 uit de jaren 80, LZOS (F/2)

Geschoten op witte Jupiter-9 1959, KMZ (F/2)

De houding van de fotograaf tegenover sferische aberratie

Sferische aberratie vermindert de scherpte van het beeld en is soms onaangenaam: het lijkt erop dat het object onscherp is. Bij normale opnamen mag u geen optica met verhoogde sphric-aberratie gebruiken.

Sferische aberratie is echter een integraal onderdeel van het lenspatroon. Zonder dit zouden er geen prachtige zachte portretten zijn op Tair-11, waanzinnige fantastische monocle-landschappen, de bubbelbokeh van het beroemde Meyer Trioplan, de “polka dots” van Industar-26M en de “volumineuze” cirkels in de vorm van een kat. oog op de Zeiss Planar 50/1.7. Je moet niet proberen sferische aberratie in lenzen weg te werken; je moet proberen er een toepassing voor te vinden. Hoewel overmatige sferische aberratie in de meeste gevallen natuurlijk niets goeds oplevert.

conclusies

In het artikel hebben we de invloed van sferische aberratie op fotografie in detail onderzocht: op scherpte, bokeh, esthetiek, enz.