Podstawowe badania. Aberracja sferyczna w soczewkach Obraz punktu z aberracją sferyczną ma postać

Aberracja sferyczna ()

Jeśli wszystkie współczynniki, z wyjątkiem B, są równe zeru, wówczas (8) przyjmuje postać

Krzywe aberracji mają w tym przypadku postać koncentrycznych okręgów, których środki znajdują się w punkcie obrazu przyosiowego, a promienie są proporcjonalne do trzeciej potęgi promienia strefy, ale nie zależą od położenia () obiekt w strefie wizualnej. Ta wada obrazu nazywana jest aberracją sferyczną.

Aberracja sferyczna, będąc niezależną od niej, zniekształca zarówno punkty osiowe, jak i pozaosiowe obrazu. Promienie wychodzące z punktu osiowego obiektu i tworzące z osią znaczny kąt będą go przecinać w punktach leżących przed lub za ogniskiem przyosiowym (ryc. 5.4). Punkt, w którym promienie wychodzące z krawędzi przysłony przecinają się z osią, nazywa się ogniskiem brzegowym. Jeżeli ekran w obszarze obrazowym jest umieszczony pod kątem prostym do osi, to mamy do czynienia z położeniem ekranu, w którym okrągły punkt obrazu na nim jest minimalny; ten minimalny „obraz” nazywany jest najmniejszym kołem rozpraszania.

Śpiączka()

Aberracja charakteryzująca się niezerowym współczynnikiem F nazywana jest komą. Składowe aberracji radiacyjnej w tym przypadku mają, zgodnie z (8). pogląd

Jak widzimy, przy stałym promieniu strefy, punkt (patrz ryc. 2.1) przy zmianie od 0 do dwukrotnie opisuje okrąg w płaszczyźnie obrazu. Promień okręgu jest równy, a jego środek znajduje się w pewnej odległości od ogniska przyosiowego w kierunku wartości ujemnych Na. W konsekwencji okrąg ten styka się z dwiema prostymi liniami przechodzącymi przez obraz i składowe przyosiowe z osią Na kąty 30°. Jeśli zastosuje się wszystkie możliwe wartości, wówczas zbiór podobnych okręgów tworzy obszar ograniczony odcinkami tych prostych i łukiem największego koła aberracyjnego (ryc. 3.3). Wymiary powstałego obszaru rosną liniowo wraz ze wzrostem odległości punktu obiektu od osi układu. Gdy spełniony jest warunek sinus Abbego, system zapewnia ostry obraz elementu płaszczyzny obiektu znajdującego się w bliskiej odległości od osi. W związku z tym w tym przypadku rozwinięcie funkcji aberracji nie może zawierać wyrazów, od których zależy liniowo. Wynika z tego, że jeśli spełniony jest warunek zatokowy, nie ma śpiączki pierwotnej.

Astygmatyzm () i krzywizna pola ()

Wygodniej jest rozpatrywać aberracje charakteryzujące się współczynnikami C i D łącznie. Jeżeli wszystkie pozostałe współczynniki w (8) są równe zero, to

Aby wykazać znaczenie takich aberracji, załóżmy najpierw, że wiązka obrazująca jest bardzo wąska. Zgodnie z § 4.6 promienie takiej wiązki przecinają dwa krótkie odcinki krzywych, z których jeden (styczna ogniskowa) jest prostopadła do płaszczyzny południkowej, a drugi (ogniskowa strzałkowa) leży w tej płaszczyźnie. Rozważmy teraz światło emanujące ze wszystkich punktów skończonego obszaru płaszczyzny obiektu. Linie ogniskowe w przestrzeni obrazu przekształcą się w styczne i strzałkowe powierzchnie ogniskowe. W pierwszym przybliżeniu powierzchnie te można uznać za kule. Niech i będą ich promieniami, które uważa się za dodatnie, jeśli odpowiadające im środki krzywizny znajdują się po drugiej stronie płaszczyzny obrazu, z której rozchodzi się światło (w przypadku pokazanym na rys. 3.4.i).

Promienie krzywizny można wyrazić za pomocą współczynników Z I D. W tym celu przy obliczaniu aberracji promieni z uwzględnieniem krzywizny wygodniej jest używać zwykłych współrzędnych niż zmiennych Seidla. Mamy (ryc. 3.5)

Gdzie ty- mała odległość między strzałkową linią ogniskową a płaszczyzną obrazu. Jeśli w jest zatem odległością od tej linii ogniskowej do osi

jeśli nadal zaniedbywane I w porównaniu do, następnie z (12) znajdujemy

Podobnie

Zapiszmy teraz te relacje w kategoriach zmiennych Seidla. Podstawiając do nich (2.6) i (2.8) otrzymujemy

i podobnie

W dwóch ostatnich relacjach możemy zastąpić przez i wtedy korzystając z (11) i (6) otrzymujemy

Rozmiar 2C + D zwykle tzw styczna krzywizna pola, ogrom D -- krzywizna pola strzałkowego i ich połowę

co jest proporcjonalne do ich średniej arytmetycznej, - po prostu krzywizna pola.

Z (13) i (18) wynika, że na wysokości od osi odległość pomiędzy dwiema powierzchniami ogniskowymi (czyli różnica astygmatyczna wiązki tworzącej obraz) jest równa

Połowa różnicy

zwany astygmatyzm. Przy braku astygmatyzmu (C=0) mamy. Promień R Całkowitą, zbieżną, ogniskową powierzchnię można w tym przypadku obliczyć za pomocą prostego wzoru, który uwzględnia promienie krzywizny poszczególnych powierzchni układu oraz współczynniki załamania światła wszystkich ośrodków.

Zniekształcenie()

Jeżeli w zależnościach (8) tylko współczynnik jest różny od zera mi, To

Ponieważ nie obejmuje to współrzędnych, wyświetlacz będzie stygmatyczny i nie będzie zależał od promienia źrenicy wyjściowej; jednakże odległości punktów obrazu od osi nie będą proporcjonalne do odpowiednich odległości punktów obiektu. Ta aberracja nazywana jest dystorsją.

W przypadku takiej aberracji obraz dowolnej linii w płaszczyźnie obiektu przechodzącej przez oś będzie linią prostą, natomiast obraz dowolnej innej linii będzie zakrzywiony. Na ryc. 3.6, a obiekt przedstawiono w postaci siatki linii prostych równoległych do osi X I Na i położone w tej samej odległości od siebie. Ryż. 3.6. b ilustruje tzw zniekształcenie beczkowe (E>0) i rys. 3.6. V - zniekształcenie poduszkowe (mi<0 ).

Ryż. 3.6.

Już wcześniej stwierdzono, że z pięciu aberracji Seidla trzy (sferyczna, koma i astygmatyzm) zakłócają ostrość obrazu. Pozostałe dwa (krzywizna pola i zniekształcenie) zmieniają jego położenie i kształt. W ogóle nie da się zbudować układu wolnego od wszelkich aberracji pierwotnych i aberracji wyższego rzędu; dlatego zawsze musimy szukać odpowiedniego rozwiązania kompromisowego, które uwzględnia ich względne wartości. W niektórych przypadkach aberracje Seidla można znacznie zmniejszyć za pomocą aberracji wyższego rzędu. W innych przypadkach konieczne jest całkowite wyeliminowanie niektórych aberracji, mimo że pojawiają się aberracje innego typu. Przykładowo w teleskopach trzeba całkowicie wyeliminować komę, bo jeśli wystąpi, obraz będzie asymetryczny i wszelkie precyzyjne pomiary pozycji astronomicznych będą pozbawione sensu . Z drugiej strony obecność pewnej krzywizny pola i zniekształcenie jest stosunkowo nieszkodliwe, ponieważ można je wyeliminować za pomocą odpowiednich obliczeń.

aberracja optyczna astygmatyzm chromatyczny zniekształcenie

Występowanie tego błędu można prześledzić za pomocą łatwo dostępnych eksperymentów. Weźmy prostą soczewkę skupiającą 1 (na przykład soczewkę płasko-wypukłą) o możliwie dużej średnicy i możliwie małej ogniskowej. Małe, a jednocześnie dość jasne źródło światła można uzyskać poprzez wywiercenie otworu w dużym ekranie 2 o średnicy około , a przed nim przymocowanie kawałka matowego szkła 3, oświetlanego mocną lampą z krótkiej dystans. Jeszcze lepiej jest skoncentrować światło latarki łukowej na matowym szkle. Ten „punkt świetlny” powinien znajdować się na głównej osi optycznej soczewki (ryc. 228, a).

Ryż. 228. Eksperymentalne badanie aberracji sferycznej: a) soczewka, na którą pada szeroka wiązka światła, daje obraz rozmyty; b) środkowa strefa obiektywu daje dobry, ostry obraz

Za pomocą tej soczewki, na którą padają szerokie wiązki światła, nie jest możliwe uzyskanie ostrego obrazu źródła. Niezależnie od tego, jak przesuniemy ekran 4, obraz będzie dość rozmazany. Ale jeśli ograniczysz wiązki padające na obiektyw, umieszczając przed nim kawałek tektury 5 z małym otworem naprzeciwko środkowej części (ryc. 228, b), obraz znacznie się poprawi: możesz znaleźć taką pozycję dla ekranu 4, że obraz źródła na nim będzie w miarę ostry. Obserwacja ta jest w pełni zgodna z tym, co wiemy o obrazie uzyskanym w obiektywie przy użyciu wąskich wiązek przyosiowych (por. §89).

Ryż. 229. Ekran z otworami do badania aberracji sferycznej

Zamieńmy teraz tekturę z centralnym otworem na kawałek tektury z małymi otworami rozmieszczonymi wzdłuż średnicy soczewki (ryc. 229). Ścieżkę promieni przechodzących przez te otwory można prześledzić, jeśli powietrze za soczewką jest lekko przydymione. Przekonamy się, że promienie przechodzące przez otwory znajdujące się w różnych odległościach od środka soczewki przecinają się w różnych punktach: im dalej promień wychodzi od osi soczewki, tym bardziej ulega załamaniu i im bliżej soczewki znajduje się punkt jego przecięcia z osią.

Zatem z naszych doświadczeń wynika, że promienie przechodzące przez oddzielne strefy soczewki znajdujące się w różnych odległościach od osi dają obrazy źródła leżącego w różnych odległościach od soczewki. Przy danym położeniu ekranu dadzą się na nim różne strefy obiektywu: jedne będą ostrzejsze, inne bardziej rozmyte obrazy źródła, które zbiegną się w jasny okrąg. W rezultacie soczewka o dużej średnicy wytwarza obraz źródła punktowego nie w postaci punktu, ale w postaci rozmytej plamki światła.

Zatem przy zastosowaniu szerokich wiązek światła nie uzyskamy obrazu punktowego nawet wtedy, gdy źródło znajduje się na głównej osi. Ten błąd w układach optycznych nazywany jest aberracją sferyczną.

Ryż. 230. Pojawienie się aberracji sferycznej. Promienie wychodzące z soczewki na różnych wysokościach nad osią dają obrazy punktu w różnych punktach

W przypadku prostych soczewek negatywowych, ze względu na aberrację sferyczną, ogniskowa promieni przechodzących przez strefę centralną soczewki będzie również większa niż promieni przechodzących przez strefę peryferyjną. Innymi słowy, wiązka równoległa przechodząca przez strefę środkową soczewki rozbieżnej staje się mniej rozbieżna niż wiązka przechodząca przez strefy zewnętrzne. Zmuszając światło za soczewką skupiającą do przejścia przez soczewkę rozpraszającą, zwiększamy ogniskową. Wzrost ten będzie jednak mniej znaczący dla promieni centralnych niż dla promieni obwodowych (ryc. 231).

Ryż. 231. Aberracja sferyczna: a) w soczewce zbierającej; b) w soczewce rozpraszającej

Zatem dłuższa ogniskowa soczewki skupiającej odpowiadająca promieniom centralnym wzrośnie w mniejszym stopniu niż krótsza ogniskowa promieni obwodowych. W konsekwencji soczewka rozpraszająca, dzięki swojej aberracji sferycznej, wyrównuje różnicę ogniskowych promieni centralnego i obwodowego, spowodowaną aberracją sferyczną soczewki zbierającej. Obliczając poprawnie kombinację soczewek skupiających i rozbieżnych, możemy przeprowadzić to ustawienie tak dokładnie, że aberracja sferyczna układu dwóch soczewek zostanie praktycznie zredukowana do zera (ryc. 232). Zwykle obie proste soczewki są sklejane ze sobą (ryc. 233).

Ryż. 232. Korekcja aberracji sferycznej poprzez połączenie soczewki skupiającej i rozpraszającej

Ryż. 233. Klejona soczewka astronomiczna, skorygowana na aberrację sferyczną

Z powyższego jasno wynika, że zniszczenie aberracji sferycznej odbywa się poprzez połączenie dwóch części układu, których aberracje sferyczne wzajemnie się kompensują. Podobnie postępujemy przy usuwaniu innych braków systemowych.

Przykładem układu optycznego z wyeliminowaną aberracją sferyczną są soczewki astronomiczne. Jeśli gwiazda znajduje się na osi obiektywu, wówczas jej obraz praktycznie nie jest zniekształcony przez aberrację, chociaż średnica obiektywu może sięgać kilkudziesięciu centymetrów.

Zwykle rozważa się wiązkę promieni wychodzącą z punktu na obiekcie znajdującym się na osi optycznej. Jednakże aberracja sferyczna występuje także w przypadku innych wiązek promieni wychodzących z punktów obiektu oddalonych od osi optycznej, jednak w takich przypadkach jest ona rozpatrywana jako integralna część aberracji całej nachylonej wiązki promieni. Co więcej, chociaż ta aberracja nazywa się kulisty, jest charakterystyczne nie tylko dla powierzchni kulistych.

W wyniku aberracji sferycznej cylindryczna wiązka promieni po załamaniu przez soczewkę (w przestrzeni obrazu) przybiera postać nie stożka, ale jakiejś figury w kształcie lejka, której zewnętrzna powierzchnia w pobliżu wąskiego gardła nazywa się powierzchnią żrącą. W tym przypadku obraz punktu ma postać dysku o nierównomiernym rozkładzie oświetlenia, a kształt krzywej kaustycznej pozwala ocenić charakter rozkładu oświetlenia. Ogólnie rzecz biorąc, liczba rozpraszania, w obecności aberracji sferycznej, jest układem koncentrycznych okręgów o promieniach proporcjonalnych do trzeciej potęgi współrzędnych źrenicy wejściowej (lub wyjściowej).

Obliczone wartości

Dystans δs” wzdłuż osi optycznej pomiędzy punktami zanikania promieni zerowych i skrajnych podłużna aberracja sferyczna.

Średnica δ" Koło rozpraszające (tarcza) jest określone przez wzór

2H 1 - średnica otworu systemowego;
A"- odległość systemu od punktu obrazu;
δs”- aberracja podłużna.

Dla obiektów znajdujących się w nieskończoności

Łącząc tak proste obiektywy, można znacząco skorygować aberrację sferyczną.

Redukcja i korekta

W niektórych przypadkach niewielką aberrację sferyczną trzeciego rzędu można skorygować poprzez nieznaczne rozogniskowanie obiektywu. W tym przypadku płaszczyzna obrazu przesuwa się do tzw „najlepsze samoloty instalacyjne”, znajdujący się z reguły pośrodku między przecięciem promieni osiowych i skrajnych i nie pokrywający się z najwęższym punktem przecięcia wszystkich promieni szerokiej wiązki (tarcza najmniejszego rozproszenia). Rozbieżność tę tłumaczy się rozkładem energii świetlnej w dysku o najmniejszym rozproszeniu, tworząc maksima oświetlenia nie tylko w środku, ale także na krawędzi. Oznacza to, że możemy powiedzieć, że „dysk” jest jasnym pierścieniem z centralnym punktem. Dlatego rozdzielczość układu optycznego w płaszczyźnie pokrywającej się z dyskiem najmniejszego rozproszenia będzie niższa, pomimo mniejszej wartości poprzecznej aberracji sferycznej. Przydatność tej metody zależy od wielkości aberracji sferycznej i charakteru rozkładu oświetlenia na dysku rozpraszającym.

Ściśle mówiąc, aberrację sferyczną można całkowicie skorygować tylko dla jakiejś pary wąskich stref, a co więcej, tylko dla pewnych dwóch punktów sprzężonych. Jednak w praktyce korekcja może być całkiem zadowalająca nawet w przypadku systemów dwusoczewkowych.

Zwykle aberracja sferyczna jest eliminowana dla jednej wartości wysokości H 0 odpowiadająca krawędzi źrenicy układu. W tym przypadku największej wartości szczątkowej aberracji sferycznej oczekuje się na wysokości H e określone za pomocą prostego wzoru

Resztkowa aberracja sferyczna powoduje, że obraz punktu nigdy nie staje się punktem. Pozostanie dyskiem, choć o znacznie mniejszych rozmiarach niż w przypadku nieskorygowanej aberracji sferycznej.

Aby zmniejszyć resztkową aberrację sferyczną, często stosuje się obliczoną „nadmierną korektę” na krawędzi źrenicy systemu, nadając aberracji sferycznej strefy brzegowej wartość dodatnią ( δs”> 0). Jednocześnie promienie przechodzą przez źrenicę na wysokości H e, przecinają się jeszcze bliżej ogniska, a promienie krawędziowe, choć zbiegają się za ogniskiem, nie wychodzą poza granice dysku rozpraszającego. W ten sposób zmniejsza się rozmiar dysku rozpraszającego, a jego jasność wzrasta. Oznacza to, że poprawia się zarówno szczegółowość, jak i kontrast obrazu. Jednak ze względu na specyfikę rozkładu oświetlenia na dysku rozpraszającym soczewki z „nadmiernie skorygowaną” aberracją sferyczną często mają „podwójne” rozmycie poza obszarem ostrości.

W niektórych przypadkach dozwolona jest znaczna „ponowna korekta”. Na przykład wczesne „Planary” firmy Carl Zeiss Jena miały dodatnią wartość aberracji sferycznej ( δs”> 0), zarówno dla strefy brzeżnej, jak i środkowej źrenicy. Rozwiązanie to nieznacznie zmniejsza kontrast przy pełnej przysłonie, ale zauważalnie zwiększa rozdzielczość przy małych przysłonach.

Notatki

Literatura

Begunov B. N. Optyka geometryczna, Wydawnictwo Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, 1966.
Wołosow D.S., Optyka fotograficzna. M., „Iskusstvo”, 1971.
Zakaznov N.P. i in., Teoria systemów optycznych, M., „Machine Building”, 1992.
Optyka Landsberg G.S. M., FIZMATLIT, 2003.
Churilovsky V. N. Teoria instrumentów optycznych, Leningrad, „Budowa maszyn”, 1966.
Smith, Warren J. Nowoczesna inżynieria optyczna, McGraw-Hill, 2000.

Fundacja Wikimedia. 2010.

Encyklopedia fizyczna

Jeden z rodzajów aberracji układów optycznych (patrz Aberracje układów optycznych); objawia się niedopasowaniem Ognisk dla promieni świetlnych przechodzących przez osiowo-symetryczny układ optyczny (soczewka (patrz Soczewka), Soczewka) w różnych odległościach od ... Wielka encyklopedia radziecka

Zniekształcenie obrazu w układach optycznych wynika z faktu, że promienie światła pochodzące ze źródła punktowego znajdującego się na osi optycznej nie są zbierane w jednym punkcie z promieniami przechodzącymi przez części układu oddalone od osi. * * * KULISTY… … słownik encyklopedyczny

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

ABERRACJA SFERYCZNA- Patrz aberracja, sferyczna... Słownik objaśniający psychologii

aberracja sferyczna- spowodowane niedopasowaniem ognisk promieni świetlnych przechodzących w różnych odległościach od osi optycznej układu, prowadzące do obrazu punktu w postaci koła o różnym oświetleniu. Zobacz także: Aberracja aberracja chromatyczna ... Encyklopedyczny słownik metalurgii

Jedna z aberracji układów optycznych, spowodowana niedopasowaniem skupień promieni świetlnych przechodzących przez osiowosymetryczną soczewkę optyczną. układu (soczewki, obiektywu) w różnych odległościach od osi optycznej tego układu. Przejawia się to w tym, że obraz... ... Wielki encyklopedyczny słownik politechniczny

Zniekształcenie obrazu w optyce systemów, ze względu na fakt, że promienie świetlne pochodzą ze źródła punktowego znajdującego się na układzie optycznym osie nie zbierają się w jednym punkcie, a promienie przechodzą przez części układu oddalone od osi... Naturalna nauka. słownik encyklopedyczny

Ryc.1 Ilustracja niedokorygowanej aberracji sferycznej. Powierzchnia na obrzeżu soczewki ma ogniskową krótszą niż w środku.

Większość obiektywów fotograficznych składa się z elementów o powierzchniach kulistych. Elementy takie są stosunkowo łatwe w produkcji, jednak ich kształt nie jest idealny do tworzenia obrazu.

Aberracja sferyczna- jest to jedna z wad w tworzeniu obrazu, która powstaje na skutek kulistego kształtu soczewki. Ryż. Rysunek 1 ilustruje aberrację sferyczną dla obiektywu pozytywowego.

Promienie przechodzące przez soczewkę dalej od osi optycznej skupiają się w określonym miejscu Z. Promienie przechodzące bliżej osi optycznej skupiają się w danym miejscu A, znajdują się bliżej powierzchni soczewki. Zatem położenie ogniska zależy od miejsca, w którym promienie przechodzą przez soczewkę.

Jeżeli ognisko krawędziowe jest bliżej soczewki niż ognisko osiowe, jak to ma miejsce w przypadku soczewki pozytywowej Ryc. 1, wtedy mówią o aberracji sferycznej nieskorygowany. I odwrotnie, jeśli ognisko krawędziowe znajduje się za ogniskiem osiowym, mówimy o aberracji sferycznej ponownie poprawione.

Obraz punktu wytworzony przez soczewkę z aberracjami sferycznymi uzyskuje się zwykle poprzez punkty otoczone aureolą świetlną. Aberracja sferyczna pojawia się zwykle na zdjęciach poprzez złagodzenie kontrastu i rozmycie drobnych szczegółów.

Aberracja sferyczna jest jednolita w całym polu widzenia, co oznacza, że ogniskowanie podłużne pomiędzy krawędziami obiektywu a środkiem nie zależy od nachylenia promieni.

Z rys. 1 wynika, że na obiektywie z aberracją sferyczną nie da się uzyskać dobrej ostrości. W dowolnej pozycji za obiektywem elementu światłoczułego (kliszy lub czujnika) zamiast wyraźnego punktu zostanie wyświetlony dysk rozmycia.

Istnieje jednak geometrycznie „najlepsza” ostrość, która odpowiada dyskowi najmniejszego rozmycia. Ten unikalny zespół stożków świetlnych ma minimalny przekrój poprzeczny B.

Przesunięcie ostrości

Kiedy przysłona znajduje się za soczewką, zachodzi ciekawe zjawisko. Jeśli przysłona zostanie zamknięta w taki sposób, że odcina promienie na obrzeżach soczewki, wówczas ostrość przesuwa się w prawo. Przy bardzo zamkniętej przysłonie najlepszą ostrość uzyskamy w tej pozycji C, to znaczy pozycje dysków z najmniejszym rozmyciem, gdy przysłona jest zamknięta i gdy przysłona jest otwarta, będą się różnić.

Aby uzyskać najlepszą ostrość przy zamkniętej przysłonie, należy ustawić matrycę (film) w poz C. Ten przykład wyraźnie pokazuje, że istnieje możliwość, że nie zostanie osiągnięta najlepsza ostrość, ponieważ większość systemów fotograficznych jest zaprojektowana do pracy z szeroką przysłoną.

Fotograf ustawia ostrość przy całkowicie otwartej przysłonie i wyświetla na czujniku dysk najmniejszego rozmycia w danym położeniu. B, wtedy podczas fotografowania przysłona automatycznie zamyka się na ustawioną wartość, a on nie podejrzewa niczego, co w tej chwili nastąpi przesunięcie ostrości, co uniemożliwia mu osiągnięcie najlepszej ostrości.

Oczywiście zamknięta przysłona redukuje aberracje sferyczne także w punkcie B, ale i tak nie będzie miał najlepszej ostrości.

Użytkownicy lustrzanek cyfrowych mogą zamknąć przysłonę podglądu, aby ustawić ostrość na rzeczywistej przysłonie.

Norman Goldberg zaproponował automatyczną kompensację przesunięć ostrości. Zeiss wprowadził na rynek linię obiektywów dalmierzowych do aparatów Zeiss Ikon, które charakteryzują się specjalnie zaprojektowaną konstrukcją minimalizującą przesunięcie ostrości wraz ze zmianą wartości przysłony. Jednocześnie aberracje sferyczne w obiektywach do aparatów dalmierzowych są znacznie zmniejszone. Pytasz, jak ważna jest zmiana ostrości w przypadku obiektywów aparatu z dalmierzem? Według producenta obiektywu LEICA NOCTILUX-M 50mm f/1 wartość ta wynosi około 100 mikronów.

Wzór rozmycia nieostry

Wpływ aberracji sferycznych na ostry obraz jest trudny do dostrzeżenia, ale można go wyraźnie zobaczyć na obrazie nieco nieostrym. Aberracja sferyczna pozostawia widoczny ślad w obszarze nieostrym.

Wracając do rys. 1 można zauważyć, że rozkład natężenia światła w dysku rozmytym w obecności aberracji sferycznej nie jest równomierny.

W ciąży C dysk rozmyty charakteryzuje się jasnym rdzeniem otoczonym słabym halo. Gdy pokrętło rozmycia jest na swoim miejscu A ma ciemniejszy rdzeń otoczony jasnym pierścieniem światła. Takie anomalne rozkłady światła mogą pojawić się w nieostrym obszarze obrazu.

Ryż. 2 Zmiany rozmycia przed i za punktem ostrości

Przykład na ryc. 2 przedstawia punkt w środku kadru, zarejestrowany w trybie makro 1:1 przy użyciu obiektywu 85/1,4 zamontowanego na obiektywie makro z mieszkiem. Gdy czujnik znajduje się 5 mm za najlepszą ostrością (punkt środkowy), dysk rozmycia pokazuje efekt jasnego pierścienia (lewy punkt). Podobne dyski rozmycia uzyskuje się w przypadku soczewek refleksyjnych meniskowych.

A gdy matryca znajduje się 5 mm przed najlepszym ustawieniem ostrości (tj. bliżej obiektywu), charakter rozmycia zmienia się w kierunku jasnego środka otoczonego słabą aureolą. Jak widać obiektyw ma nadmiernie skorygowaną aberrację sferyczną, gdyż zachowuje się odwrotnie niż w przykładzie z rys. 1.

Poniższy przykład ilustruje wpływ dwóch aberracji na nieostre obrazy.

Na ryc. 3 przedstawia krzyż, który sfotografowano w centrum kadru przy użyciu tego samego obiektywu 85/1.4. Makrofutro wydłuża się o około 85 mm, co daje wzrost w przybliżeniu 1:1. Aparat (matrycę) przesuwano w krokach co 1 mm w obu kierunkach od maksymalnej ostrości. Krzyż jest bardziej złożonym obrazem niż kropka, a wskaźniki kolorów stanowią wizualną ilustrację jego rozmycia.

Ryż. 3 Liczby na ilustracjach oznaczają zmiany odległości obiektywu od matrycy, są to milimetry. aparat przesuwa się od -4 do +4 mm w krokach co 1 mm od pozycji najlepszej ostrości (0)

Aberracja sferyczna odpowiada za mocny charakter rozmycia na odległościach ujemnych i przejście w miękkie rozmycie na dodatnich. Interesujące są także efekty kolorystyczne wynikające z podłużnej aberracji chromatycznej (kolor osiowy). Jeśli obiektyw jest źle zmontowany, to aberracja sferyczna i osiowa barwa to jedyne aberracje, które pojawiają się w centrum obrazu.

Najczęściej siła, a czasami charakter aberracji sferycznej zależy od długości fali światła. W tym przypadku łączny efekt aberracji sferycznej i koloru osiowego nazywa się . Z tego wynika, że zjawisko pokazane na ryc. 3 pokazuje, że obiektyw ten nie jest przeznaczony do stosowania jako obiektyw makro. Większość obiektywów jest zoptymalizowana do ustawiania ostrości w bliskim polu i na nieskończoność, ale nie do makrofotografii 1:1. Przy takim podejściu zwykłe obiektywy będą zachowywać się gorzej niż obiektywy makro, których używa się specjalnie na bliskie odległości.

Jednak nawet jeśli obiektyw jest używany do standardowych zastosowań, podczas normalnego fotografowania w obszarze nieostrym może pojawić się sferochromatyzm, co może mieć wpływ na jakość.

wnioski
Oczywiście ilustracja na ryc. 1 to przesada. W rzeczywistości ilość szczątkowych aberracji sferycznych w obiektywach fotograficznych jest niewielka. Efekt ten jest znacznie redukowany poprzez łączenie elementów obiektywu kompensujących sumę przeciwstawnych aberracji sferycznych, zastosowanie wysokiej jakości szkła, starannie zaprojektowaną geometrię obiektywu oraz zastosowanie elementów asferycznych. Dodatkowo można zastosować elementy pływające w celu zmniejszenia aberracji sferycznych w pewnym zakresie odległości roboczych.

W przypadku obiektywów z niedokorygowaną aberracją sferyczną skutecznym sposobem na poprawę jakości obrazu jest zamknięcie przysłony. Dla niedokorygowanego elementu na ryc. 1 Średnica dysków rozmycia zmniejsza się proporcjonalnie do sześcianu średnicy apertury.

Zależność ta może się różnić w przypadku szczątkowych aberracji sferycznych w skomplikowanych konstrukcjach obiektywów, ale z reguły przymknięcie przysłony o jeden stopień już daje zauważalną poprawę obrazu.

Alternatywnie, zamiast walczyć z aberracją sferyczną, fotograf może ją celowo wykorzystać. Filtry zmiękczające Zeissa, pomimo płaskiej powierzchni, dodają do obrazu aberracje sferyczne. Są popularne wśród fotografów portretowych, aby uzyskać miękki efekt i imponujący obraz.

Nie ma rzeczy idealnych... Nie ma soczewki idealnej - soczewki zdolnej do skonstruowania obrazu nieskończenie małego punktu w postaci nieskończenie małego punktu. Powodem tego jest - aberracja sferyczna.

Aberracja sferyczna- zniekształcenia powstałe na skutek różnicy ogniskowania promieni przechodzących w różnych odległościach od osi optycznej. W przeciwieństwie do wcześniej opisanej komy i astygmatyzmu, zniekształcenie to nie jest asymetryczne i skutkuje równomierną rozbieżnością promieni z punktowego źródła światła.

Aberracja sferyczna jest w różnym stopniu nieodłączna dla wszystkich obiektywów, z kilkoma wyjątkami (jeden, który znam to Era-12, jego ostrość jest bardziej ograniczona przez chromatyczność). To właśnie ta dystorsja ogranicza ostrość obiektywu przy otwartej przysłonie .

Schemat 1 (Wikipedia). Pojawienie się aberracji sferycznej

Aberracja sferyczna ma wiele twarzy – czasem nazywana jest szlachetnym „oprogramowaniem”, czasem – „mydłem” niskiej klasy, w dużej mierze kształtuje bokeh obiektywu. Dzięki niej Trioplan 100/2.8 jest generatorem bąbelków, a Nowy Petzval Towarzystwa Lomograficznego ma kontrolę nad rozmyciem... Jednak przede wszystkim najważniejsze.

Jak aberracja sferyczna pojawia się na obrazie?

Najbardziej oczywistym przejawem jest rozmycie konturów obiektu w strefie ostrości („poświata konturów”, „efekt miękkości”), ukrycie drobnych szczegółów, wrażenie rozmycia („mydło” – w ciężkich przypadkach);

Przykład aberracji sferycznej (oprogramowanie) na zdjęciu wykonanym aparatem Industar-26M z FED, F/2.8

Dużo mniej oczywiste jest przejawy aberracji sferycznej w bokeh obiektywu. W zależności od znaku, stopnia korekcji itp. aberracja sferyczna może tworzyć różne kręgi zamieszania.

Przykład zdjęcia wykonanego Tripletem 78/2.8 (F/2.8) - okręgi zamieszania mają jasną ramkę i jasny środek - obiektyw ma dużą ilość aberracji sferycznej

Przykład zdjęcia wykonanego aplanatem KO-120M 120/1.8 (F/1.8) - krąg zamieszania ma słabo zaznaczoną granicę, ale jednak jest. Sądząc po testach (opublikowanych przeze mnie wcześniej w innym artykule), obiektyw ma niską aberrację sferyczną

I jako przykład obiektywu, w którym aberracja sferyczna jest niesamowicie mała - zdjęcie wykonane Erą-12 125/4 (F/4). Okrąg w ogóle nie ma obramowania, a rozkład jasności jest bardzo równy. Świadczy to o doskonałej korekcji obiektywu (co zresztą jest prawdą).

Eliminacja aberracji sferycznej

Główną metodą jest apertura. Odcięcie „dodatkowych” wiązek pozwala dobrze poprawić ostrość.

Schemat 2 (Wikipedia) - redukcja aberracji sferycznej za pomocą przysłony (rys. 1) i zastosowanie rozogniskowania (rys. 2). Metoda rozmycia zwykle nie nadaje się do fotografii.

Przykładowe zdjęcia świata (środek jest wycięty) przy różnych przysłonach - 2.8, 4, 5.6 i 8, wykonane obiektywem Industar-61 (wczesny, FED).

F/2.8 - dość mocne oprogramowanie przysłonięte

F/4 – zmniejszono oprogramowanie, poprawiono szczegółowość obrazu

F/5.6 - oprogramowania praktycznie nie ma

F/8 – brak oprogramowania, drobne szczegóły są dobrze widoczne

W edytorach graficznych można skorzystać z funkcji wyostrzania i usuwania rozmyć, co pozwala w pewnym stopniu zredukować negatywny efekt aberracji sferycznej.

Czasami aberracja sferyczna występuje z powodu nieprawidłowego działania obiektywu. Zwykle - naruszenia przestrzeni między soczewkami. Regulacja pomaga.

Przykładowo istnieje podejrzenie, że coś poszło nie tak przy konwersji Jowisza-9 na LZOS: w porównaniu z Jowiszem-9 produkowanym przez KMZ, LZOS-owi po prostu brakuje ostrości ze względu na ogromną aberrację sferyczną. De facto obiektywy różnią się absolutnie wszystkim poza liczbami 85/2. Białe poradzą sobie z Canonem 85/1.8 USM, a czarne poradzą sobie tylko z Tripletem 78/2.8 i miękkimi obiektywami.

Zdjęcie wykonane czarnym Jowiszem-9 z lat 80-tych, LZOS (F/2)

Strzał na białym Jupiterze-9 1959, KMZ (F/2)

Postawa fotografa wobec aberracji sferycznej

Aberracja sferyczna zmniejsza ostrość obrazu i czasami jest nieprzyjemna - wydaje się, że obiekt jest nieostry. Podczas normalnego fotografowania nie należy używać optyki ze zwiększoną aberracją sferyczną.

Jednakże aberracja sferyczna jest integralną częścią wzoru soczewki. Bez niego nie byłoby pięknych, miękkich portretów na Tair-11, szalonych bajecznych krajobrazów monoklów, bąbelkowego bokeh słynnego Meyer Trioplan, „kropek” Industar-26M i „obszernych” kół w kształcie kociego oko na Zeissa Planara 50/1.7. Nie należy eliminować aberracji sferycznej w obiektywach - należy spróbować znaleźć dla niej zastosowanie. Chociaż oczywiście nadmierna aberracja sferyczna w większości przypadków nie wnosi nic dobrego.

wnioski

W artykule szczegółowo zbadaliśmy wpływ aberracji sferycznej na fotografię: na ostrość, bokeh, estetykę itp.