Cursussen: aberraties van optische systemen. Aberraties van optische systemen

Het artikel beschrijft de basisconcepten van aberraties, de classificatie van aberraties, evenals mogelijke methoden voor het elimineren van aberraties met betrekking tot microscooplenzen. Het artikel beschrijft een techniek voor het kiezen van microscoopobjectieven op basis van de doelstellingen van de onderzoeker.

Aberraties in optische systemen - een beeldfout veroorzaakt door elke afwijking van echte stralen van de geometrische richtingen waarin ze zouden moeten gaan in een ideaal optisch systeem. Aberraties kunnen worden ingedeeld in monochromatisch (dat wil zeggen, inherent aan monochromatische stralen - stralen van dezelfde golflengte) en chromatisch.

monochromatische aberraties

Monochromatische aberraties zijn fouten die inherent zijn aan elk echt optisch systeem. Het uiterlijk is te wijten aan het feit dat de oppervlakken die stralen breken niet in staat zijn brede stralenstralen te verzamelen die er onder grote hoeken op vallen. Monochromatische aberraties leiden tot een vervorming van het beeld van een punt in een bepaalde verstrooiende figuur, wat de helderheid van het beeld vermindert en de gelijkenis van het beeld en het object schendt.

Monochromatische aberraties worden ingedeeld in vijf Seidel-aberraties:

S I - sferische aberratie

Sferische aberratie van het optische systeem. Stralen evenwijdig aan de as van het optische systeem convergeren niet in een punt, maar in een vernauwing.

Sferische aberratie van optische systemen als gevolg van de mismatch van brandpunten voor lichtstralen die erdoorheen gaan verschillende afstanden vanaf de optische as. Schendt de homocentriciteit van de lichtstraal, maar schendt de symmetrie niet.
Er zijn verschillende manieren om sferische aberratie te corrigeren:

Ten eerste een afname van de kromming van de lens (het gebruik van glas met een hoge brekingsindex in combinatie met een toename van de stralen van de lensoppervlakken, waardoor het optische vermogen behouden blijft).
Ten tweede door een combinatie van positieve en negatieve lenzen te gebruiken. Gewoonlijk worden chromatische aberraties ook gecorrigeerd parallel aan de correctie van sferische aberratie.
Ten derde wordt diafragma gebruikt - het afsnijden van de randstralen van een brede straal. De methode maakt het mogelijk om de waarde van verstrooiing te verminderen, maar is niet geschikt voor optische systemen die een hoge helderheid vereisen.
Het is onmogelijk om sferische aberratie volledig te verwijderen, maar manieren om deze te verminderen worden effectief gebruikt in microscopie.

S II - coma

Coma-aberratie is te wijten aan het feit dat stralen die onder een hoek met de optische as aankomen, niet op één punt worden opgevangen. De Coma-correctietechniek is vergelijkbaar met de sferische aberratiecorrectietechniek en is voornamelijk gebaseerd op het gebruik van combinaties van positieve en negatieve lenzen.

S III - astigmatisme

Astigmatisme van een optisch systeem Een aberratie waarbij het beeld van een punt dat buiten de as ligt en wordt gevormd door een smalle stralenbundel, bestaat uit twee loodrechte segmenten die zich op verschillende afstanden van het Gauss-vlak (het vlak van het aberratievrije brandpunt) bevinden.

Astigmatisme kan niet worden gecorrigeerd door diafragmeren, zoals: verschijnt ook in smalle bundels. Doubletten van positieve en negatieve lenzen worden gebruikt om astigmatisme te corrigeren.

S IV - kromming van het beeldveld

Een aberratie waarbij het beeld van een plat object loodrecht op de as van het optische systeem op een convex of concaaf (meestal bolvormig in het geval van symmetrische optica) oppervlak ten opzichte van de lens ligt.

De fout die wordt geïntroduceerd door aberratie is erg belangrijk bij microscopie, omdat het resulterende beeld van een plat object niet volledig in het brandvlak ligt en we dus op een niet-gecorrigeerd systeem geen volledig scherp beeld van het object over het hele veld kunnen waarnemen.

De kromming van het veld wordt gecorrigeerd door een systeem te berekenen met twee of meer negatieve lenzen en door de luchtruimte tussen de lenzen te gebruiken.

S V - vervorming

Vervorming is een verandering in de lineaire vergrotingscoëfficiënt van het optische systeem over het gezichtsveld. Vervorming is onaanvaardbaar in microscopie, omdat een systeem dat onderhevig is aan vervorming geen geometrische gelijkenis van het waargenomen object en zijn afbeelding oplevert. Vervorming wordt gecorrigeerd door lensselectie in de lensontwerpfase. Het is ook mogelijk om vervorming te corrigeren in het stadium van computerbeeldverwerking.

Chromatische aberratie (HA)

Chromatische aberraties zijn fouten die in het beeld worden geïntroduceerd door het verschil in de brekingsindex voor bundels met verschillende golflengten.
Wanneer licht door optische materialen gaat, wordt dispersie waargenomen - de ontbinding van wit licht in een spectrum. Het is het fenomeen van dispersie dat is vastgelegd op de beroemdste cover van het 20e-eeuwse muziekalbum - Pink Floyd - The Dark Side of the Moon.

Voor elke optische lens is de brekingsindex van blauwe stralen over het algemeen groter dan die van rode, dus het brandpunt van de blauwe stralen F blauw ligt dichter bij het achterste hoofdpunt van de lens dan het brandpunt van de rode stralen F rood. Hieruit volgt dat de stralen die worden verkregen door de ontbinding van wit licht verschillende brandpuntsafstanden zullen hebben. Er is geen enkele brandpuntsafstand voor één lens, maar er is een set brandpuntsafstanden- één focus per straal van elke kleur.

Het verschil F blauw -F rood is "positiechromatisme" (of chromatisch positieverschil, longitudinale chromatische aberratie)

Diafragma vermindert enigszins de chromatiek van de positie. In dit geval zijn de afbeeldingen van het object in de stralen andere kleur zal op verschillende afstanden van het achterste hoofdpunt zijn. Als u het optische systeem op de rode stralen focust, is het beeld in de blauwe stralen onscherp en vice versa.

Microscoop objectieven zijn ontworpen om chromatische aberraties te elimineren. Een lenssysteem dat de brandpunten van twee (bijvoorbeeld blauwe en gele) stralen dichter bij elkaar brengt, wordt een achromatisch systeem genoemd, en wanneer de brandpunten van drie stralen elkaar naderen, wordt het een apochromatisch systeem genoemd.

De basisregel bij het repareren van HA is om HA in totaal voor het hele systeem te repareren. Het is niet nodig om de chromatiek van elk element te corrigeren. Het is belangrijk dat de totale positieve en negatieve spreiding van de elementen van het systeem gelijk is aan nul.

Criteria voor het kiezen van microscoopobjectieven

Nadat we de belangrijkste soorten verschillende optische aberraties hebben overwogen, kunnen we de belangrijkste criteria beschrijven bij het kiezen van lenzen voor een laboratoriummicroscoop, omdat het de kenmerken van de lens zijn die de resolutie van de microscoop, vervorming, de mogelijkheid van nauwkeurige metingen, de mogelijkheid bepalen voor het verkrijgen van een groot beeldveld bij hoge vergroting door deelvelden aan elkaar te naaien.
In de meeste gevallen geldt bij het kiezen van lenzen de regel dat hoe beter en duurder de lens, hoe beter deze is voor het oplossen van eventuele problemen. Maar in feite is dit ten eerste niet altijd absoluut betrouwbaar en ten tweede heeft deze regel geen invloed op de economische component van het probleem. Maar soms is zij het die een beslissende rol speelt bij het kiezen van apparatuur van een bepaalde klasse.

Objectieven voor microscopen zijn onderverdeeld in verschillende klassen, afhankelijk van de correctie van monochromatische en chromatische aberraties. Elke fabrikant heeft zijn eigen classificatie en zijn eigen unieke namen voor elk van de klassen, wat de transparantie bij het kiezen van een bepaalde lijn enorm bemoeilijkt.

Alle fabrikanten maken onderscheid tussen drie grote klassen lenzen: Achromaten, Semi-apochromaten (of Fluotars) en Apochromaten. Het criterium voor het introduceren van een lens in een bepaalde klasse is de convergentie van de brandvlakken voor de drie primaire kleuren: rood, groen en blauw.

Leica Microsystems biedt de volgende beoordelingscriteria (deze kunnen enigszins afwijken van de beoordelingen van andere fabrikanten - Zeiss, Olympus, Nikon, enz.). Deze schatting geeft de meest transparante weergave van de CA-correctie, afhankelijk van de klasse van de lens.

Lens klasse	Correctie van chromatische aberratie	Sollicitatie
achromaten	Tussen F rood en F blauw< 2x DoF*. die. rode en blauwe stralen worden teruggebracht tot één gebied, minder dan 2 scherptediepten lang. De afstand tot het brandpunt van de groene straal is niet gedefinieerd.	Routinemicroscopie in het zichtbare lichtbereik
Semi-Apochromaten (Semi-Apochromaten)	F rood, F blauw en F groen<2,5x DoF*. die. de focus van de rode, blauwe en groene bundels wordt gereduceerd tot één gebied met een breedte van 2,5 scherptediepte.	Voor hoogwaardige visualisatie in het zichtbare lichtbereik en voor het bereiken van contrastrijke beelden.
Apochromaten	F rood, F blauw en F groen<1x DoF*. die. de focus van de rode, blauwe en groene stralen worden teruggebracht tot één punt. (XA-correctie voor drie kleuren)	Voor het oplossen van de problemen van ultranauwkeurige microscopie, meetmicroscopie bij hoge vergroting en voor het werken in het UV- en IR-bereik.

* DoF - scherptediepte - scherptediepte

Elke klasse lenzen is verdeeld in verschillende groepen, afhankelijk van de toepassingstaken. In principe hebben we het over de correctie van monochromatische aberraties, bijvoorbeeld Plan Achromat en alleen Achromat zal verschillen in de aanwezigheid van bolcorrectie, veldkromming en vervorming in de Plan Achromat lens.

Bovendien hebben sommige lenzen structurele verschillen, bijvoorbeeld LD-lenzen (Long Distance) zijn lenzen met een grotere werkafstand voor het werken met petrischalen in de biologie, of voor het bewaken van objecten met complexe topografie in de materiaalkunde. PH - lenzen voor fasecontrast met een fasering geïnstalleerd (kan worden gebruikt in een helder veld, maar de lichttransmissie van dergelijke lenzen is lager). OIL-lenzen met immersie-olie, enz.

Aberratie van het optische systeem is de vervorming van beelden die optreedt aan de uitgang van het optische systeem. De naam komt van lat. aberratio - ontduiking, verwijdering. Vervormingen bestaan ​​uit het feit dat optische beelden niet volledig overeenkomen met het onderwerp. Dit manifesteert zich in de vervaging van het beeld en wordt monochromatische geometrische aberratie of kleuring van het beeld genoemd - chromatische aberratie van het optische systeem. Meestal verschijnen beide soorten aberratie samen.
In het paraxiale (paraxiale) gebied werkt het optische systeem bijna perfect, een punt wordt weergegeven als een punt en een rechte lijn wordt weergegeven als een rechte lijn, enz. Als het punt echter van de optische as af beweegt, snijden de stralen ervan elkaar op meer dan één punt in het beeldvlak. Er ontstaat dus een cirkel van dispersie, d.w.z. afwijkingen optreden.
De hoeveelheid aberratie kan worden bepaald door berekening met behulp van geometrische en optische formules door de coördinaten van de stralen te vergelijken, evenals bij benadering met behulp van de formules van de theorie van aberraties.
Er is een beschrijving van het fenomeen aberratie zowel in de straaltheorie (afwijking van identiteit wordt beschreven door geometrische aberraties en straalverstrooiingscijfers) als in de representaties van golfoptica (de vervorming van een sferische lichtgolf wordt geschat langs de weg door de optisch systeem). Typisch worden geometrische aberraties gebruikt om een ​​lens met grote aberraties te karakteriseren, anders worden golfoptische representaties gebruikt.

Monochromatische geometrische aberraties

In 1856 stelde de Duitse wetenschapper Seidel, als resultaat van de analyse van lichtstralen, vijf lensafwijkingen vast die optreden wanneer monochroom licht (d.w.z. licht van één golf) door de lens gaat. Deze hieronder beschreven aberraties worden de vijf Seidel-aberraties genoemd. Monochromatische geometrische aberraties van optische systemen zijn het resultaat van hun imperfectie en verschijnen in monochromatisch licht. In tegenstelling tot een ideaal optisch systeem, waarin alle stralen van elk punt van een object in het meridionale vlak nadat ze door het systeem zijn gegaan, op één punt zijn geconcentreerd, snijden deze stralen in een echt optisch systeem het beeldvlak op verschillende punten. De coördinaten van deze punten hangen af ​​van de richting van de bundel, de coördinaten van het snijpunt met het vlak van de intreepupil en de structurele elementen van het optische systeem (oppervlaktestralen, dikte van optische elementen, brekingsindices van lenzen, enzovoort.).

sferische aberratie

Het manifesteert zich in de mismatch van brandpunten voor lichtstralen die op verschillende afstanden van de optische as passeren, waardoor de homocentriciteit van stralenbundels uit een puntbron wordt geschonden, hoewel de symmetrie van deze bundels behouden blijft. Dit is de enige soort geometrische aberratie die zelfs optreedt wanneer het startpunt zich op de optische hoofdas van het systeem bevindt. Bij sferische aberratie neemt een cilindrische bundel van stralen, na te zijn gebroken door een lens, niet de vorm aan van een kegel, maar van een trechtervormige figuur. Het puntbeeld heeft een schijfvorm met niet-uniforme verlichting. De reden is dat de brekende oppervlakken van de lenzen de stralen van de brede bundel onder verschillende hoeken snijden, waardoor de verre stralen meer worden gebroken en hun verdwijnpunten vormen op enige afstand van het brandpuntsvlak.

Coma

De Coma-aberratie schendt de homocentriciteit van brede lichtbundels die onder een hoek met de optische as het systeem binnenkomen. Er is geen coma op de as van gecentreerde optische systemen. Elke sectie van de ringvormige zone van het optische systeem, op afstand R van de as, geeft een ring van het beeld van een punt, waarvan de straal toeneemt met toenemende R. Vanwege de mismatch van de middelpunten van de ringen, ze overlappen elkaar, wat ertoe leidt dat het beeld van het door het optische systeem gevormde punt de vorm aanneemt van een asymmetrische verstrooiingsvlek met maximale verlichting nabij de bovenkant van de verstrooiende figuur, die lijkt op een komeet. In complexe optische systemen wordt coma gecorrigeerd samen met sferische aberratie door lensselectie. Systemen zonder coma en sferische aberratie worden aplanaten genoemd.

Astigmatisme

Als de lens is gecorrigeerd voor sferische aberratie en coma, d.w.z. een objectpunt dat zich op de optische as bevindt, wordt correct weergegeven als een beeldpunt, maar tegelijkertijd wordt een objectpunt dat niet op de as ligt, niet als een punt, maar als een ellips of lijn in het beeld weergegeven, dan dit type aberratie wordt astigmatisme genoemd. De reden voor het optreden is de verschillende kromming van het optische oppervlak in verschillende doorsnedevlakken, en de brekingshoeken van de bundelstralen hangen af ​​van de hoeken van hun inval. Wanneer ze door het optische systeem gaan, snijden de stralen elkaar op verschillende afstanden van het brekende oppervlak. Hierdoor ligt de focus van de lichtbundel in verschillende secties op verschillende punten.
Er is zo'n positie op het beeldoppervlak wanneer alle stralen van de bundel in het meridionale (of sagittale) vlak loodrecht daarop elkaar zullen kruisen op dit oppervlak. De astigmatische bundel beeldt een punt af in de vorm van twee astigmatische brandlijnen op brandpuntsoppervlakken die zijn gevormd als omwentelingsoppervlakken en die elkaar raken op het punt van de as van het systeem. Als voor een bepaald punt van het veld de posities van deze oppervlakken niet samenvallen, is er astigmatisme of een astigmatisch verschil tussen de meridionale en sagittale foci. Astigmatisme wordt positief genoemd als de meridionale foci zich dichter bij het brekingsoppervlak bevinden dan de sagittale, anders is het negatief.

Kromming van het beeldveld

Het komt tot uiting in het feit dat het beeld van een plat (loodrecht op de optische as) object zich op een oppervlak bevindt dat hol of bol is ten opzichte van de lens, waardoor de scherpte ongelijkmatig over het beeldveld is. Als het midden van het beeld scherp is, liggen de randen onscherp (niet scherp) en vice versa. De kromming van het beeldveld bereikt in de regel grote waarden voor eenvoudige lenzen (tot 4 lenzen). Het wordt gecorrigeerd door de selectie van de kromming van de oppervlakken en de dikte van de lenzen, evenals de afstanden ertussen. Voor een kwalitatieve correctie, rekening houdend met andere soorten aberraties, is het noodzakelijk om minimaal twee negatieve lenzen in de compositie te hebben. Door diafragmeren wordt het negatieve effect van veldkromming op de beeldkwaliteit verminderd.

vervorming

Vervorming (kromming) is een verandering in de lineaire toename van het gezichtsveld, wat leidt tot een schending van de geometrische overeenkomst tussen het object en zijn afbeelding. Dit type aberratie is niet afhankelijk van de coördinaten van het snijpunt van de bundel en het vlak van de intreepupil, maar van de afstand van de bron tot de optische as. Een optisch systeem zonder vervorming wordt orthoscopisch genoemd. In lenzen met een symmetrisch ontwerp lijkt het enigszins. Om vervorming te elimineren, wordt de selectie van lenzen en andere elementen gebruikt bij de ontwikkeling van een optisch systeem. Bij digitale fotografie kan vervorming worden gecorrigeerd met computerverwerking.

Chromatische aberratie

De emissie van de meeste lichtbronnen wordt gekenmerkt door een complexe spectrale samenstelling, die leidt tot het optreden van chromatische aberraties, die, in tegenstelling tot geometrische, ook in het paraxiale gebied kunnen voorkomen. Verstrooiing (verstrooiing) van licht - de afhankelijkheid van de brekingsindex van een optisch element van de golflengte van licht, is de oorzaak van twee soorten chromatische aberraties: focuspositiechromatisme en vergrotingschromatisme. In het eerste geval, ook wel longitudinale chromatisme genoemd, is er een verschuiving in het beeldvlak voor verschillende golflengten, in het tweede geval verandert de transversale vergroting. Chromatische aberraties komen tot uiting in de kleuring van het beeld, in het verschijnen van kleurcontouren erin, die afwezig zijn in de bron. Chromatische aberraties omvatten ook chromatische verschillen van geometrische aberraties, in het bijzonder het chromatische verschil van sferische aberraties (sferochromatisme) voor bundels met verschillende golflengten en het chromatische verschil van aberraties van schuine bundels.

Diffractieve aberratie

De oorzaak van diffractie-aberratie is het golfkarakter van licht. Het treedt op als gevolg van de diffractie van licht door het diafragma en de lenscilinder. Voorkomt een verhoging van de resolutie van de fotolens. Door diffractieve aberratie is de minimale hoekafstand tussen de punten die door de lens wordt toegestaan, beperkt. Kwalitatief hoogwaardige lenzen zijn er in dezelfde mate aan onderworpen als eenvoudige. Het kan in principe niet volledig worden geëlimineerd, maar het kan worden verminderd door de opening van het optische systeem te vergroten.

Het is onmogelijk om aberraties in optische systemen volledig te elimineren. Het is belangrijk om ze te verminderen tot de minimaal toegestane waarden, die worden bepaald door de technische vereisten en de productiekosten van het systeem.

We verwerven het idee van het oog als een perfect optisch apparaat van school bij het bestuderen van de sectie natuurkunde "Optica". Bij het bestuderen van de relevante wetenschappen in hoger of middelbaar gespecialiseerde onderwijsinstellingen, wordt zo'n idee van het oog gefixeerd, waardoor aanvullende informatie wordt verkregen. Daarom is de verklaring van S.N. Fedorov dat het oog een onvolmaakt apparaat is en de taak van een oogarts om het te verbeteren werd lange tijd door veel artsen met scepsis waargenomen.

Bij het ontwerpen van zelfs de eenvoudigste telescoop is het niet alleen nodig om het optische systeem op één punt te focussen (om bijziendheid, verziendheid en astigmatisme van de telescoop uit te sluiten), maar ook om de kwaliteit van het resulterende beeld te waarborgen. De lenzen waaruit een telescoop wordt gemaakt, moeten van goed glas zijn, bijna perfect gevormd en met een goed afgewerkt oppervlak. Anders wordt het beeld wazig, vervormd en wazig. Het was toen dat de studie van aberraties begon - de kleinste ruwheid en ongelijkmatige breking. En met de komst van apparaten voor het detecteren en meten van oogafwijkingen, kwam er een nieuwe dimensie in de oogheelkunde - aberrometrie.

Aberraties kunnen van verschillende orde zijn. De eenvoudigste en meest bekende afwijkingen zijn eigenlijk dezelfde bijziendheid, verziendheid en astigmatisme. Ze worden defocus of aberraties van de tweede, lagere orde genoemd. Hogere-orde aberraties zijn dezelfde ruwheid en ongelijkmatige breking.

Hogere orde aberraties zijn ook onderverdeeld in verschillende orden. Het is algemeen aanvaard dat de kwaliteit van het gezichtsvermogen wordt beïnvloed door aberraties, voornamelijk tot de zevende orde. Voor het gemak van de waarneming is er een reeks Zernike-polynomen die de soorten monochromatische aberraties weergeeft als een driedimensionaal model van brekingsongelijkheid. Een set van deze polynomen kan min of meer nauwkeurig elke ongelijkmatige breking van het oog weergeven.

Aberraties zijn onderverdeeld in drie hoofdgroepen:

Monochromatische aberraties van hogere orde:

• sferische aberratie,
• coma,
• schuin astigmatisme,
• veldkromming, vervorming,
• onregelmatige afwijkingen.

Om het complex van monochromatische aberraties van hogere orde te beschrijven, worden veeltermen van het wiskundige formalisme van Zernike (Zernike) gebruikt. Het is goed als ze dicht bij nul liggen en de standaarddeviatie van het golffront RMS (root mean square) kleiner is dan de golflengte of gelijk is aan 0,038 m (Marechal-criterium). Dit zijn echter de subtiliteiten van refractieve chirurgie.

Standaardtabel met Zernike-polynomenis een soort set van driedimensionale illustraties van aberraties tot de zevende orde:

• onscherp,
• astigmatisme,
• astigmatisme van schuine stralen,
• coma,
• sferische aberratie,
• klaver,
• quatrefoil, enzovoort, tot octopus (klaverblad, tetrefoil, pentafoil, hexafoil...).

"Trefoils" zijn drie tot acht uniforme sectoren van een cirkel met verhoogd optisch vermogen. Hun optreden kan worden geassocieerd met de belangrijkste centripetale richtingen van stromafibrillen, een soort hoornvliesverstijvingsribben.

Het aberratiebeeld van het oog is zeer dynamisch. Monochromatische aberraties maskeren chromatische aberraties. Wanneer de pupil wordt verwijd in een donkere kamer, nemen de sferische aberraties toe, maar nemen de diffractie-aberraties af, en vice versa. Met een leeftijdsgebonden afname van het vermogen om te accommoderen, beginnen aberraties van een hogere orde, die voorheen een stimulans waren en de nauwkeurigheid van accommodatie vergrootten, de kwaliteit van het gezichtsvermogen te verminderen.

Daarom is het momenteel moeilijk om de betekenis van de positieve en negatieve effecten van elk type aberratie op het gezichtsvermogen van elke persoon te bepalen.

Oorzaken van afwijkingen

Iedereen heeft ze. Een individuele brekingskaart van het oog bestaat uit hen. Moderne apparaten detecteren aberraties van een hogere orde die op de een of andere manier de kwaliteit van het gezichtsvermogen bij 15% van de mensen beïnvloeden. Maar iedereen heeft individuele kenmerken van breking.

De leveranciers van afwijkingen zijn het hoornvlies en de lens.

Afwijkingen kunnen worden veroorzaakt door:

• aangeboren afwijking(zeer klein en zwak beïnvloedend gezichtsongelijkheid, lenticonus);
• hoornvliesbeschadiging(het litteken van het hoornvlies verstrakt het omringende weefsel, waardoor het hoornvlies zijn bolvormigheid ontneemt);
• operatie(radiale keratotomie, lensverwijdering via een incisie in het hoornvlies, lasercorrectie, thermokeratoplastiek en andere ingrepen aan het hoornvlies);
• hoornvliesaandoeningen(gevolgen van keratitis, snoekbaarzen, keratoconus, keratoglobus).

De reden voor de aandacht van oogartsen voor afwijkingen is:oogheelkundige chirurgie. Door afwijkingen te negeren en geen rekening te houden met hun impact op de kwaliteit van het gezichtsvermogen, bestaat oogheelkunde al heel lang. Voordien werden aberraties alleen bestudeerd en bestreden door fabrikanten van telescopen, telescopen en microscopen.

Operaties aan het hoornvlies of de lens (wat een incisie van het hoornvlies betekent) aberraties van hogere orde nemen toe met verschillende ordes van grootte, wat soms kan leiden tot een afname van de postoperatieve gezichtsscherpte. Daarom heeft de wijdverbreide introductie van kunstmatige lensimplantatie, keratotomie en lasercorrectie in de oogheelkundige praktijk bijgedragen aan de ontwikkeling van diagnostische apparatuur: er zijn keratotopografen verschenen die de brekingskaart van het hoornvlies analyseren, en nu aberrometers die het hele golffront analyseren vanaf het voorste oppervlak van het hoornvlies naar het netvlies.

Aberraties door LASIK

• Door defocus (bijziendheid, verziendheid) te corrigeren, voegt de refractieve chirurg aberraties van hoge orde toe aan de patiënt.
• De vorming van een hoornvliesflap door een microkeratoom leidt tot een toename van aberraties van een hogere orde.
• Complicaties tijdens LASIK leiden tot aberraties van hogere orde.
• Het genezingsproces leidt tot de groei van hogere orde aberraties.

Het was niet mogelijk om microruwheden en onregelmatigheden te verwijderen met behulp van een excimeerlaser met een spleetbundelafgifte. Een installatie met de mogelijkheid van puntablatie is uitgevonden en in productie genomen, dat wil zeggen dat de diameter van de laserstraal in sommige modellen minder dan een millimeter is. Met behulp van Zernike-polynomen werden computerprogramma's in de praktijk gebracht die het mogelijk maken om een ​​individuele brekingskaart verkregen van een aberrometer in een laserinstallatie automatisch om te zetten in een algoritme dat de straal bestuurt, waardoor niet alleen resterende defocus, maar ook hogere- aberraties bestellen.De Zernike-polynomen worden een set gereedschappen, die elk zijn ontworpen om een ​​specifieke component in het aberratiecomplex te verwijderen.

Het hoornvlies tijdens een dergelijke gepersonaliseerde laserablatie moet qua vorm ongeveer het niveau van een optisch ideale bol benaderen.

Hogere orde aberraties

Chromatisch, astigmatisme van schuine stralen, coma, enz. Samen vormen ze een beeld van de omringende wereld op het netvlies, waarvan de waarneming strikt individueel is voor elke persoon.

• sferische aberratie. Licht dat door de periferie van een biconvexe lens gaat, wordt sterker gebroken dan in het centrum. De belangrijkste "leverancier" van sferische aberratie in het oog is de lens en in de tweede plaats het hoornvlies. Hoe breder de pupil, dat wil zeggen, hoe groter het deel van de lens dat bij de visuele handeling betrokken is, des te opvallender is de sferische aberratie.

  Bij refractieve chirurgie wordt sferische aberratie meestal veroorzaakt door kunstmatige lenzen, LASIK enlaser thermokeratoplastiek.

• Aberraties van hellingshoeken van optische bundels. De asfericiteit van de brekende oppervlakken is de mismatch tussen de middelpunten van de beelden van lichtgevende punten die zich buiten de as van het optische systeem bevinden. Ze zijn onderverdeeld in aberraties van grote hellingshoeken (astigmatisme van schuine bundels) en kleine hellingshoeken (coma).

  De coma heeft niets te maken met de bekende diagnose beademingsapparaten. Het aberrometrische patroon lijkt op een cirkel in het optische centrum van het hoornvlies en wordt door een lijn in twee even helften verdeeld. Een van de helften heeft een hoog optisch vermogen en de andere heeft een lage. Bij zo'n aberratie ziet een persoon een lichtgevende punt als een komma. Bij het beschrijven van objecten gebruiken mensen met een dergelijke aberratie de woorden "staart", "schaduw", "extra contour", "verdubbeling". De richting van deze optische effecten (de aberratiemeridiaan) kan verschillen. De oorzaak van coma kan een aangeboren of verworven onbalans van het optische systeem van het oog zijn. De optische as (waarop de focus van de lens ligt) van het hoornvlies valt niet samen met de as van de lens en het hele optische systeem is niet gefocust in het midden van het netvlies, in de macula. Coma kan ook een van de componenten zijn van ongelijkmatige breking bij keratoconus. Tijdens LASIK kan een coma optreden als gevolg van decentrering van de laserablatiezone of eigenaardigheden van de genezing van het hoornvlies tijdens lasercorrectie van verziendheid.

• vervorming- schending van de geometrische overeenkomst tussen het object en zijn afbeelding - vervorming. Punten van het object op verschillende afstanden van de optische as worden afgebeeld met verschillende vergrotingen.

Lasercorrectie is geen monopolist in het corrigeren van aberraties. Er zijn al kunstlenzen en contactlenzen ontwikkeld om sommige soorten aberraties van hogere orde te compenseren.

Zoals reeds is aangetoond, verschillen de baan van stralen in een echt optisch systeem en de structuur van de bundels aanzienlijk van die in een ideaal systeem. Daardoor geven echte optische systemen een beeld dat het ideaal maar min of meer benadert. In dit opzicht is een evaluatiecriterium nodig, waarmee men de mate van benadering van een reëel systeem tot een ideaal kan beoordelen en dat wordt beoordeeld door de beeldkwaliteit.

Denk aan de drie Maxwell-voorwaarden voor een geometrisch perfect systeem:

1) alle stralen die uit het punt van het object O (x, y) kwamen en door dit systeem gingen, moeten samenkomen in het punt van het beeld I (x, y ");

2) elk element van het vlak loodrecht op de optische as en dat het punt O(x, y) bevat, moet worden weergegeven door een element van het vlak loodrecht op de optische as dat het punt I(x, y") bevat;

3) de hoogte van de afbeelding h "moet evenredig zijn met de hoogte van het object h, en de evenredigheidscoëfficiënt moet constant zijn, ongeacht de locatie van het punt O (x, y) in het vlak van het object.

Afwijkingen van de eerste voorwaarde worden genoemd aberraties of (in het algemeen) beeldvervorming. Afwijkingen van het tweede type, respectievelijk veld- en beeldkromming en afwijkingen de derde soort wordt vervorming genoemd.

Dus, aberraties - dit zijn beeldfouten, vanwege de afwijkingen van de stralen van de richtingen waarin ze zouden moeten gaan in een ideaal optisch systeem.

Geometrische en golfafwijkingen zijn afwijkingen van de eerste voorwaarde van Maxwell. geometrische aberraties beschrijf de verplaatsingen (ten opzichte van geometrisch ideale posities) van de snijpunten van de stralen met het beeldoppervlak. Golfafwijkingen kenmerken: OPD voor elke straal ten opzichte van dezelfde parameter voor de hoofdstraal.

Geometrische aberraties worden onderverdeeld in klassen, afhankelijk van hun volgorde: 1e orde, 3e orde, 5e orde, enz.

Verschillende soorten aberraties hebben niet in gelijke mate invloed op de beeldkwaliteit. Binnen het kader van Linfoot's criteria voor het evalueren van beeldkwaliteit, beïnvloeden aberraties met cirkelvormige of orthogonale symmetrie de "structurele inhoud" van het beeld, maar niet de "waarschijnlijkheid". Asymmetrische aberraties, zelfs binnen de tolerantie in termen van het criterium van structurele inhoud, tasten de geloofwaardigheid van het beeld sterk aan. Een dergelijk begrip van de beïnvloedende factoren, gebaseerd op de uiteindelijke doelen van het gebruik van dit systeem, is erg belangrijk, omdat bij het berekenen van de lens wederzijdse

compensatie voor bepaalde soorten afwijkingen. Verschillen in invloed verschillende soorten kan al worden getoond op het voorbeeld van aberraties van de 1e en 3e orde.

Aberraties van optische systemen zijn onderverdeeld in monochromatisch en chromatisch:

- monochromatische aberraties worden de beeldfouten genoemd die optreden bij stralen van een bepaalde golflengte. Deze omvatten: sferisch, coma, astigmatisme en beeldkromming, vervorming.

- Chromatische aberratie - wanneer het door de brekingsoppervlakken van straling met een complexe spectrale samenstelling gaat, wordt het door lichtverstrooiing ontleed in samenstellende spectrale delen. In dit geval is de afbeelding de som een groot aantal monochrome afbeeldingen die qua positie of grootte niet overeenkomen. Het beeld wordt gekleurd.

Transversale aberraties (∆x / ∆y /) - dit is de afwijking van de coördinaten van punt A / snijpunt van de reële bundel met het beeldvlak van de coördinaten van punt A 0 / ideaalbeeld in de richting loodrecht op de optische as (Figuur 30).

Afbeelding 29. Transversale aberraties

golf aberratie is de afwijking van het werkelijke golffront van het ideaal, gemeten langs de bundel in het aantal golflengten.

Aberraties van optische systemen(uit het Latijn aberratio- afwijking) - vervormingen, fouten of fouten in afbeeldingen gevormd door optische systemen. De reden voor hun optreden is dat de bundel afwijkt van de richting waarin hij zou moeten gaan in een optisch systeem dat bijna ideaal is. Verschillende schendingen van homocentriciteit (onderscheid, overeenstemming of kleuring) in de structuur van stralenstralen die uit het optische systeem komen, kenmerken aberraties.

De meest voorkomende soorten aberraties in optische systemen zijn:

1. sferische aberratie. Het wordt gekenmerkt door een gebrek aan imago. Hiermee worden de lichtstralen die worden uitgezonden door één punt van het object, dat in de buurt van de as van het optische systeem gaat, en de stralen die door delen van het systeem op afstand van de as gaan, niet op één punt verzameld.

2. Aan wie. Dit is de naam van de aberratie die optreedt tijdens de schuine doorgang van lichtstralen door het optische systeem. Als gevolg hiervan is er een schending van de symmetrie van de stralenbundel ten opzichte van zijn as, en het beeld van het punt (dat door het systeem wordt gecreëerd) neemt de vorm aan van een asymmetrische verstrooiingsvlek.

3. Astigmatisme. OVER Van deze aberratie wordt gezegd dat deze optreedt wanneer een lichtgolf vervorming ervaart tijdens zijn passage door een optisch systeem. Hierdoor wordt een vervorming waargenomen, waarbij stralenbundels afkomstig van één punt van het object niet in één punt snijden, maar zich in twee onderling loodrechte segmenten op een zekere afstand van elkaar bevinden. Dergelijke stralen worden astigmatisch genoemd.

4. vervorming. Dit is de naam van een aberratie die wordt gekenmerkt door een schending van de geometrische overeenkomst tussen een object en een afbeelding van een object. Het wordt veroorzaakt door de ongelijkmatigheid van de lineaire optische vergroting in verschillende delen van het beeld.

5. De kromming van het beeldveld. Met deze aberratie wordt een proces waargenomen wanneer het beeld van een plat object scherp is op een gebogen oppervlak, en niet op een vlak, zoals het zou moeten zijn.

Alle bovengenoemde soorten aberraties van optische systemen worden geometrische of Seidel-aberraties genoemd. In echte systemen zijn bepaalde soorten geometrische aberraties uiterst zeldzaam. Veel vaker kunnen we de symbiose van alle afwijkingen waarnemen. En de methode om bepaalde soorten aberraties te identificeren is een kunstmatige techniek die is ontworpen om de analyse van het fenomeen te vergemakkelijken.

Tegelijkertijd is er ook chromatische aberratie. Deze verbinding wordt waargenomen over het type aberratie en de afhankelijkheid van de brekingsindex van optische media van de golflengte van licht. Manifestaties van deze aberratie worden waargenomen in optische systemen die elementen van brekende materialen bevatten. Bijvoorbeeld lenzen. Merk ook op dat spiegels inherent achromatisch zijn.

De manifestatie van chromatische aberraties kan worden waargenomen wanneer er een vreemde kleuring van het beeld is, en ook wanneer er kleurcontouren in het beeld van het object verschijnen die niet eerder in het object werden waargenomen. Chromatische aberraties worden veroorzaakt door de dispersie van optische media (de afhankelijkheid van de brekingsindex van optische materialen van de lengte van de doorgelaten lichtgolf). Het is van hen dat het optische systeem wordt gevormd.

Deze aberraties omvatten chromatische aberratie of positiechromatisme (soms aangeduid als "longitudinaal chromatisme") en chromatische aberratie of vergrotingschromatisme.

Meer weten over aberraties in optische systemen? Heeft u vragen of wilt u bepaalde nuances beter begrijpen? – Wij staan ​​altijd klaar om u te helpen. Registreer je gewoon op onze website, kies het juiste tariefplan en ga!

Heb je nog vragen? Weet je niet hoe je je huiswerk moet maken?
Om de hulp van een tutor te krijgen - registreer je.
De eerste les is gratis!

site, bij volledige of gedeeltelijke kopie van het materiaal, is een link naar de bron vereist.