Môn học: Quang sai của hệ thống quang học. Quang sai của hệ thống quang học

Bài viết mô tả các khái niệm cơ bản về quang sai, phân loại quang sai, cũng như các phương pháp có thể loại bỏ quang sai liên quan đến thấu kính hiển vi. Bài báo mô tả phương pháp lựa chọn thấu kính hiển vi dựa trên nhiệm vụ của người nghiên cứu.

Quang sai trong hệ thống quang học là lỗi hình ảnh gây ra bởi bất kỳ sự lệch nào của tia thực so với các hướng hình học mà chúng sẽ truyền đi trong một hệ thống quang học lý tưởng. Quang sai có thể được phân loại thành đơn sắc (nghĩa là vốn có của tia đơn sắc - tia có cùng bước sóng) và quang sai màu.

Quang sai đơn sắc

Quang sai đơn sắc là lỗi cố hữu trong bất kỳ hệ thống quang học thực tế nào. Hiện tượng này xảy ra là do các bề mặt khúc xạ tia không thể tập hợp thành một điểm các chùm tia chiếu tới chúng ở những góc lớn. Quang sai đơn sắc dẫn đến biến dạng hình ảnh của một điểm thành một hình tán xạ nhất định, làm giảm độ rõ của hình ảnh và phá vỡ sự tương đồng giữa hình ảnh và vật thể.

Quang sai đơn sắc được phân thành 5 quang sai Seidel:

S I - quang sai hình cầu

Quang sai hình cầu của hệ thống quang học. Các tia song song với trục của hệ quang học hội tụ không phải tại một điểm mà tại một điểm thắt lưng.

Quang sai hình cầu của hệ thống quang học do tiêu điểm không khớp đối với các tia sáng truyền qua khoảng cách khác nhau từ trục quang học. Nó phá vỡ tính đồng tâm của chùm sáng nhưng không phá vỡ tính đối xứng.
Có một số cách để sửa quang sai hình cầu:

Thứ nhất là giảm độ cong của thấu kính (dùng kính có chiết suất cao kết hợp với việc tăng bán kính bề mặt thấu kính, từ đó duy trì được công suất quang).
Thứ hai, sử dụng kết hợp thấu kính dương và âm. Thông thường, song song với việc sửa quang sai hình cầu, quang sai màu cũng được sửa.
Thứ ba, sử dụng khẩu độ - cắt các tia biên của chùm tia rộng. Phương pháp này có thể làm giảm giá trị tán xạ nhưng không phù hợp với các hệ thống quang học yêu cầu tỷ lệ khẩu độ cao.
Không thể loại bỏ hoàn toàn quang sai hình cầu, nhưng các phương pháp giảm thiểu nó được sử dụng hiệu quả trong kính hiển vi.

S II – hôn mê

Quang sai coma là do các tia tới tạo một góc với trục quang học không được tập trung tại một điểm. Kỹ thuật sửa Coma tương tự như kỹ thuật sửa quang sai hình cầu và chủ yếu dựa trên việc sử dụng kết hợp thấu kính dương và âm.

S III – loạn thị

Loạn thị của hệ quang học Quang sai trong đó ảnh của một điểm nằm ngoài trục và được tạo bởi một chùm tia hẹp biểu thị hai đoạn vuông góc nằm ở những khoảng cách khác nhau của mặt phẳng Gaussian (mặt phẳng tiêu điểm không bị quang sai).

Không thể điều chỉnh loạn thị bằng cách dừng lại vì... Nó cũng xuất hiện trên các dầm hẹp. Bộ đôi thấu kính dương và âm được sử dụng để điều chỉnh chứng loạn thị.

S IV – độ cong trường ảnh

Quang sai trong đó ảnh của một vật phẳng vuông góc với trục của hệ quang học nằm trên bề mặt lồi hoặc lõm (thường là hình cầu trong trường hợp quang học đối xứng) so với thấu kính.

Lỗi do quang sai gây ra có ảnh hưởng rất mạnh trong kính hiển vi, vì ảnh thu được của một vật phẳng không hoàn toàn nằm trong mặt phẳng tiêu điểm và do đó, trên một hệ thống không hiệu chỉnh, chúng ta không thể quan sát được ảnh hoàn toàn sắc nét của vật đó trên toàn bộ trường ảnh .

Độ cong trường được hiệu chỉnh bằng cách tính toán một hệ thống chứa hai hoặc nhiều thấu kính âm, cũng như sử dụng khoảng không khí giữa các thấu kính.

S V – biến dạng

Biến dạng là sự thay đổi hệ số phóng đại tuyến tính của hệ thống quang học trên trường nhìn. Sự biến dạng không được chấp nhận trong kính hiển vi, vì hệ thống bị biến dạng không cung cấp sự tương đồng về mặt hình học giữa vật được quan sát và hình ảnh của nó. Hiện tượng méo được khắc phục bằng cách chọn thấu kính ở giai đoạn thiết kế thấu kính. Cũng có thể sửa méo ở giai đoạn xử lý ảnh máy tính.

Quang sai màu (CA)

Quang sai màu là các lỗi được đưa vào hình ảnh do sự khác biệt về chiết suất đối với các chùm tia có bước sóng khác nhau.
Khi ánh sáng đi qua vật liệu quang học, người ta quan sát thấy sự phân tán - sự phân hủy ánh sáng trắng thành quang phổ. Đó là hiện tượng phân tán được ghi lại trên bìa album ca nhạc nổi tiếng nhất thế kỷ 20 - Pink Floyd – The Dark Side of the Moon.

Đối với bất kỳ thấu kính quang học nào, chiết suất của tia xanh thường lớn hơn chiết suất của tia đỏ, do đó tiêu điểm của tia xanh, màu xanh F, nằm gần điểm chính phía sau của thấu kính hơn tiêu điểm của tia đỏ. F màu đỏ. Suy ra rằng các tia thu được khi phân hủy ánh sáng trắng sẽ có tiêu cự khác nhau. Không có tiêu cự duy nhất cho một ống kính mà là sự kết hợp tiêu cự- một tiêu điểm cho mỗi chùm của mỗi màu.

Sự khác biệt F màu xanh -F màu đỏ là "sắc độ vị trí" (hoặc sự khác biệt vị trí màu sắc, quang sai màu dọc)

Khẩu độ làm giảm nhẹ sắc độ của vị trí. Đồng thời, ảnh của vật trong tia màu khác sẽ ở những khoảng cách khác nhau từ điểm chính phía sau. Nếu bạn tập trung hệ thống quang học vào tia đỏ, hình ảnh trong tia xanh sẽ bị mất nét và ngược lại.

Thấu kính hiển vi được thiết kế để loại bỏ quang sai màu. Một hệ thấu kính tập hợp tiêu điểm của hai tia (ví dụ: xanh lam và vàng) được gọi là hệ tiêu sắc, và khi tiêu điểm của ba tia tập hợp lại với nhau, nó được gọi là hệ tiêu sắc.

Nguyên tắc chính khi sửa CA là sửa tổng số CA cho toàn bộ hệ thống. Không cần phải điều chỉnh màu sắc của từng phần tử. Điều quan trọng là tổng độ phân tán dương và âm của các phần tử hệ thống bằng 0.

Tiêu chí lựa chọn thấu kính hiển vi

Sau khi xem xét các loại quang sai chính khác nhau, chúng ta có thể mô tả các tiêu chí chính khi chọn thấu kính cho kính hiển vi trong phòng thí nghiệm, bởi vì chính đặc điểm của thấu kính quyết định độ phân giải của kính hiển vi, độ méo, khả năng thực hiện các phép đo chính xác và khả năng thu được các trường hình ảnh lớn chất lượng cao ở độ phóng đại cao bằng cách ghép các trường một phần.
Trong hầu hết các trường hợp, khi chọn ống kính, quy tắc là ống kính có chất lượng càng cao và đắt tiền thì càng giải quyết được mọi vấn đề. Nhưng trên thực tế, thứ nhất, điều này không phải lúc nào cũng đáng tin cậy tuyệt đối và thứ hai, quy tắc này không ảnh hưởng đến thành phần kinh tế của vấn đề. Nhưng đôi khi chính điều này lại đóng vai trò quyết định khi lựa chọn thiết bị thuộc một hạng cụ thể.

Thấu kính hiển vi được chia thành các loại khác nhau tùy thuộc vào khả năng hiệu chỉnh quang sai đơn sắc và sắc sai. Mỗi nhà sản xuất có phân loại riêng và tên riêng cho từng loại, điều này khiến việc chọn dòng này hay dòng kia một cách minh bạch là vô cùng khó khăn.

Tất cả các nhà sản xuất đều phân biệt ba loại thấu kính lớn: Achromats, Semi-Apochromats (hoặc Fluotar) và Apochromats. Tiêu chí để xếp một thấu kính vào một lớp cụ thể sẽ là sự hội tụ của các mặt phẳng tiêu điểm cho ba màu cơ bản: đỏ, lục và lam.

Leica Microsystems đưa ra đánh giá về các tiêu chí sau (nó có thể hơi khác so với đánh giá của các nhà sản xuất khác - Zeiss, Olympus, Nikon, v.v.). Đánh giá này cung cấp cách trình bày minh bạch nhất về hiệu chỉnh CA tùy thuộc vào loại ống kính.

Lớp ống kính	Hiệu chỉnh quang sai màu	Ứng dụng
Achromat	Giữa F đỏ và F xanh< 2x DoF*. những thứ kia. tia đỏ và xanh được kết hợp thành một khu vực, có chiều dài dưới 2 độ sâu trường ảnh. Khoảng cách đến tiêu điểm của chùm tia xanh không được xác định.	Kính hiển vi ánh sáng nhìn thấy thường quy
Bán Apochromat	F đỏ, F xanh dương và F xanh lục<2,5x DoF*. những thứ kia. tiêu điểm của các tia màu đỏ, xanh lam và xanh lục được tập hợp lại thành một khu vực rộng gấp 2,5 lần độ sâu trường ảnh.	Để hiển thị chất lượng cao trong phạm vi ánh sáng nhìn thấy được cũng như đạt được hình ảnh có độ tương phản cao.
Apochromat	F đỏ, F xanh dương và F xanh lục<1x DoF*. những thứ kia. tiêu điểm của các tia màu đỏ, xanh lam và xanh lục được đưa về một điểm. (CA hiệu chỉnh ba màu)	Để giải quyết các vấn đề về kính hiển vi siêu chính xác, kính hiển vi đo ở độ phóng đại cao, cũng như làm việc trong phạm vi UV và IR.

* DoF – Độ sâu trường ảnh – độ sâu của không gian hình ảnh sắc nét

Mỗi loại ống kính được chia thành nhiều nhóm tùy thuộc vào ứng dụng. Về cơ bản, chúng ta đang nói về việc hiệu chỉnh quang sai đơn sắc, chẳng hạn như Plan Achromat và đơn giản là Achromat sẽ khác nhau ở sự hiện diện của hiệu chỉnh hình cầu, độ cong trường và độ biến dạng của ống kính Plan Achromat.

Ngoài ra, một số thấu kính có sự khác biệt về thiết kế, chẳng hạn như thấu kính LD (Khoảng cách dài) - thấu kính có khoảng cách làm việc tăng lên để làm việc với đĩa Petri trong sinh học hoặc giám sát các vật thể có địa hình phức tạp trong khoa học vật liệu. PH - thấu kính để tương phản pha với vòng pha được lắp đặt (cũng có thể được sử dụng trong trường sáng, nhưng độ truyền ánh sáng của những thấu kính như vậy thấp hơn). Thấu kính DẦU sử dụng dầu ngâm, v.v.

Quang sai của hệ thống quang học là sự biến dạng hình ảnh xảy ra ở đầu ra của hệ thống quang học. Tên đến từ Lat. aberratio - trốn tránh, loại bỏ. Biến dạng xảy ra khi hình ảnh quang học không hoàn toàn khớp với vật thể. Điều này thể hiện ở sự mờ của ảnh và được gọi là quang sai hình học đơn sắc hay quang sai màu ảnh - chromatic quang sai của hệ thống quang học. Thông thường, cả hai loại quang sai đều xuất hiện cùng nhau.
Ở vùng cận trục (paraicular), hệ thống quang học hoạt động gần như hoàn hảo, một điểm được hiển thị dưới dạng điểm và một đường thẳng được hiển thị dưới dạng đường thẳng, v.v. Tuy nhiên, khi một điểm di chuyển ra xa trục quang, các tia từ điểm đó giao nhau trong mặt phẳng ảnh tại nhiều điểm. Do đó, một vòng tròn phân tán phát sinh, tức là. phát sinh những sai lệch.
Độ lớn quang sai có thể được xác định bằng phép tính sử dụng các công thức hình học và quang học bằng cách so sánh tọa độ của các tia, cũng như sử dụng xấp xỉ các công thức của lý thuyết quang sai.
Có một mô tả về hiện tượng quang sai cả trong lý thuyết tia (sự khác biệt so với bản sắc được mô tả thông qua quang sai hình học và hình tán xạ của tia) và trong các khái niệm về quang học sóng (sự biến dạng của sóng ánh sáng hình cầu dọc theo đường truyền qua quang học). hệ thống được đánh giá). Thông thường, quang sai hình học được sử dụng để mô tả đặc điểm của một thấu kính có quang sai lớn, nếu không thì các khái niệm quang học sóng sẽ được sử dụng.

Quang sai hình học đơn sắc

Năm 1856, nhà khoa học người Đức Seidel, nhờ phân tích các tia sáng, đã xác định được 5 hiện tượng quang sai của thấu kính xuất hiện khi ánh sáng đơn sắc (tức là ánh sáng có một bước sóng) đi qua thấu kính. Những quang sai này, được mô tả dưới đây, được gọi là năm quang sai của Seidel. Quang sai hình học đơn sắc của hệ thống quang học là hệ quả của sự không hoàn hảo của chúng và xuất hiện trong ánh sáng đơn sắc. Không giống như một hệ thống quang học lý tưởng, trong đó tất cả các tia từ bất kỳ điểm nào của vật thể trong mặt phẳng kinh tuyến, sau khi đi qua hệ thống, sẽ tập trung tại một điểm, trong một hệ thống quang học thực, giao điểm của mặt phẳng ảnh với các tia này xảy ra tại điểm khác nhau. Tọa độ của các điểm này phụ thuộc vào hướng của chùm tia, tọa độ giao điểm với mặt phẳng của đồng tử vào và các thành phần cấu trúc của hệ quang học (bán kính bề mặt, độ dày của các thành phần quang học, chiết suất của thấu kính, v.v.). .).

Cầu sai

Nó biểu hiện ở sự không khớp tiêu điểm đối với các tia sáng truyền ở các khoảng cách khác nhau so với trục quang, do đó tính đồng tâm của các chùm tia từ một nguồn điểm bị phá vỡ, mặc dù tính đối xứng của các chùm tia này được bảo toàn. Đây là loại quang sai hình học duy nhất xảy ra ngay cả khi gốc tọa độ nằm trên trục quang chính của hệ thống. Với quang sai hình cầu, một chùm tia hình trụ, sau khi khúc xạ bởi thấu kính, sẽ có dạng không phải là hình nón mà là hình phễu. Hình ảnh của điểm có dạng hình đĩa với độ chiếu sáng không đồng đều. Lý do là do bề mặt khúc xạ của thấu kính giao nhau với các tia của chùm sáng rộng ở các góc khác nhau, do đó các tia ở xa bị khúc xạ mạnh hơn và tạo thành các điểm triệt tiêu của chúng ở một khoảng cách nào đó so với mặt phẳng tiêu cự.

hôn mê

Quang sai coma phá vỡ tính đồng tâm của các chùm ánh sáng rộng đi vào hệ thống theo một góc với trục quang. Không có hiện tượng hôn mê trên trục của hệ thống quang học tập trung. Mỗi phần của vùng hình khuyên của hệ quang học, cách trục một khoảng R, sẽ tạo ra một vòng ảnh của một điểm, bán kính của điểm đó tăng khi tăng R. Do tâm của các vòng không khớp, chúng chồng lên nhau, dẫn đến thực tế là hình ảnh của điểm được hình thành bởi hệ thống quang học có dạng một điểm tán xạ không đối xứng với độ chiếu sáng tối đa ở đỉnh của hình tán xạ, gợi nhớ đến sao chổi. Trong các hệ thống quang học phức tạp, quang sai coma và cầu sai được hiệu chỉnh bằng cách chọn thấu kính. Các hệ thống không có quang sai comatic và cầu được gọi là aplanate.

loạn thị

Nếu quang sai hình cầu và tình trạng hôn mê được hiệu chỉnh cho một ống kính, tức là một điểm đối tượng nằm trên trục quang được tái tạo chính xác dưới dạng điểm ảnh, nhưng một điểm đối tượng không nằm trên trục được tái tạo trên ảnh không phải dưới dạng một điểm mà dưới dạng hình elip hoặc đường thẳng, thì loại quang sai này là gọi là loạn thị. Lý do cho điều này là do độ cong khác nhau của bề mặt quang học trong các mặt phẳng cắt ngang khác nhau và góc khúc xạ của tia chùm phụ thuộc vào góc tới của chúng. Khi đi qua một hệ quang học, các tia giao nhau ở những khoảng cách khác nhau tính từ bề mặt khúc xạ. Kết quả là ở những phần khác nhau, tiêu điểm của chùm sáng xuất hiện ở những điểm khác nhau.
Có một vị trí trên bề mặt ảnh khi tất cả các tia chùm trong kinh tuyến (hoặc mặt phẳng dọc vuông góc với nó) giao nhau trên bề mặt này. Chùm tia loạn thị mô tả một điểm ở dạng hai tiêu điểm loạn thị trên các bề mặt tiêu cự, có hình dạng giống như các bề mặt quay và chạm vào nhau tại điểm của trục hệ thống. Nếu đối với một điểm nhất định trong trường, vị trí của các bề mặt này không trùng nhau thì có hiện tượng loạn thị hoặc sự khác biệt loạn thị giữa tiêu điểm kinh tuyến và tiêu điểm dọc. Loạn thị được gọi là dương nếu các tiêu điểm kinh tuyến gần bề mặt khúc xạ hơn các tiêu điểm dọc, nếu không thì - âm.

Độ cong trường hình ảnh

Nó thể hiện ở chỗ ảnh của một vật phẳng (vuông góc với trục quang) nằm trên một bề mặt lõm hoặc lồi so với thấu kính, khiến cho độ sắc nét không đồng đều trên toàn bộ trường ảnh. Khi phần trung tâm ảnh được lấy nét rõ nét thì các cạnh sẽ bị out nét (không sắc nét) và ngược lại. Theo quy luật, độ cong của trường hình ảnh đạt giá trị lớn đối với các thấu kính đơn giản (tối đa 4 thấu kính). Nó được khắc phục bằng cách chọn độ cong của bề mặt và độ dày của thấu kính cũng như khoảng cách giữa chúng. Để hiệu chỉnh chất lượng cao, có tính đến các loại quang sai khác, cần phải có ít nhất hai thấu kính âm trong bố cục. Bằng cách dừng lại, tác động tiêu cực của độ cong trường đến chất lượng hình ảnh sẽ giảm đi.

Méo mó

Biến dạng (độ cong) là sự thay đổi độ phóng đại tuyến tính trên trường nhìn, dẫn đến vi phạm sự tương đồng hình học giữa vật thể và hình ảnh của nó. Loại quang sai này không phụ thuộc vào tọa độ giao điểm của chùm tia và mặt phẳng của đồng tử vào mà phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn đến trục quang. Một hệ thống quang học không bị biến dạng được gọi là trực giao. Ở những ống kính có thiết kế đối xứng, nó xuất hiện một chút. Để loại bỏ hiện tượng biến dạng, việc lựa chọn thấu kính và các thành phần khác được sử dụng khi phát triển hệ thống quang học. Trong nhiếp ảnh kỹ thuật số, sự biến dạng có thể được sửa chữa bằng cách xử lý máy tính.

Quang sai màu

Bức xạ của hầu hết các nguồn sáng được đặc trưng bởi thành phần quang phổ phức tạp, dẫn đến xuất hiện quang sai màu, không giống như quang sai hình học, cũng có thể xảy ra ở vùng cận trục. Sự tán sắc (tán xạ) ánh sáng - sự phụ thuộc chiết suất của một phần tử quang học vào bước sóng của ánh sáng, là nguyên nhân gây ra hai loại quang sai màu: sắc độ của các vị trí tiêu điểm và sắc độ của độ phóng đại. Trong trường hợp đầu tiên, còn được gọi là sắc ký dọc, sự dịch chuyển trong mặt phẳng hình ảnh xảy ra đối với các bước sóng khác nhau; trong trường hợp thứ hai, độ phóng đại ngang thay đổi. Quang sai màu biểu hiện ở màu sắc của hình ảnh, ở sự xuất hiện của các đường viền màu không có trong nguồn. Quang sai màu cũng bao gồm sự khác biệt về màu sắc trong quang sai hình học, đặc biệt là sự khác biệt về màu sắc trong quang sai hình cầu (spherochromatism) đối với các chùm bước sóng khác nhau và sự khác biệt về màu sắc trong quang sai của các chùm nghiêng.

Quang sai nhiễu xạ

Nguyên nhân gây ra quang sai nhiễu xạ là do bản chất sóng của ánh sáng. Nó xảy ra do sự nhiễu xạ ánh sáng trên màng chắn và khung thấu kính. Ngăn chặn sự gia tăng độ phân giải của ống kính chụp ảnh. Do quang sai nhiễu xạ, khoảng cách góc tối thiểu giữa các điểm mà thấu kính có thể phân giải được bị hạn chế. Những ống kính chất lượng cao cũng dễ bị ảnh hưởng như những ống kính đơn giản. Về nguyên tắc, nó không thể được loại bỏ hoàn toàn nhưng có thể giảm bớt bằng cách tăng khẩu độ của hệ thống quang học.

Không thể loại bỏ hoàn toàn quang sai trong hệ thống quang học. Điều quan trọng là phải giảm chúng xuống giá trị tối thiểu có thể chấp nhận được, được xác định bởi các yêu cầu kỹ thuật và chi phí sản xuất hệ thống.

Chúng tôi có ý tưởng về mắt như một thiết bị quang học hoàn hảo ở trường khi nghiên cứu phần vật lý “Quang học”. Khi nghiên cứu các ngành khoa học liên quan ở các cơ sở giáo dục chuyên ngành cao hơn hoặc trung học, ý tưởng này của mắt được củng cố, thu thập thêm thông tin. Vì vậy, phát biểu của S.N. Fedorov cho rằng mắt là một công cụ không hoàn hảo và nhiệm vụ của bác sĩ nhãn khoa là cải thiện nó, đã bị nhiều bác sĩ hoài nghi trong một thời gian dài.

Khi thiết kế ngay cả kính thiên văn đơn giản nhất, không chỉ cần tập trung hệ thống quang học vào một điểm (để loại trừ cận thị, viễn thị và loạn thị của kính thiên văn) mà còn phải đảm bảo chất lượng của hình ảnh thu được. Các thấu kính dùng làm kính thiên văn phải được làm bằng thủy tinh tốt, có hình dạng gần như lý tưởng và có bề mặt hoàn thiện tốt. Nếu không, hình ảnh sẽ không rõ nét, bị méo và mờ. Đó là lúc việc nghiên cứu quang sai bắt đầu - độ nhám và độ không đều nhỏ nhất của khúc xạ. Và với sự ra đời của các thiết bị xác định và đo quang sai của mắt, một chiều hướng mới đã bước vào nhãn khoa - phép đo quang sai.

Quang sai có thể có thứ tự khác nhau. Quang sai đơn giản và phổ biến nhất thực ra là cận thị, viễn thị và loạn thị. Chúng được gọi là mất nét hoặc quang sai ở cấp độ thứ hai, thấp hơn. Quang sai bậc cao nhất là độ nhám và độ không đều của khúc xạ.

Quang sai bậc cao hơn cũng được chia thành nhiều bậc. Người ta thường chấp nhận rằng chất lượng thị giác bị ảnh hưởng bởi quang sai, chủ yếu ở cấp độ thứ bảy. Để dễ nhận biết, có một tập hợp đa thức Zernike hiển thị các loại quang sai đơn sắc dưới dạng mô hình ba chiều của độ khúc xạ không đều. Một tập hợp các đa thức này có thể hiển thị ít nhiều chính xác bất kỳ sự không đồng đều nào trong khúc xạ của mắt.

Quang sai được chia thành ba nhóm chính:

Quang sai đơn sắc bậc cao:

• cầu sai,
• hôn mê,
• loạn thị của dầm xiên,
• độ cong trường, biến dạng,
• những sai lệch không đều.

Để mô tả một phức hợp quang sai đơn sắc bậc cao, các đa thức của hình thức toán học Zernike (Zernike) được sử dụng. Sẽ tốt nếu chúng gần bằng 0 và độ lệch bình phương trung bình gốc của RMS mặt sóng (bình phương trung bình gốc) nhỏ hơn bước sóng hoặc bằng 0,038 μm (tiêu chí Marechal). Tuy nhiên, đây là sự tinh tế của phẫu thuật khúc xạ.

Bảng tiêu chuẩn của đa thức Zernikelà một loại tập hợp các hình minh họa ba chiều về quang sai đến cấp thứ bảy:

• làm mất nét,
• loạn thị,
• loạn thị của dầm xiên,
• hôn mê,
• cầu sai,
• cây xa trục thảo,
• quatrefoil, v.v., cho đến octafoil (trefoil, tetrafoil, pentafoil, hexafoil...).

"Trefoils" là từ ba đến tám phần đồng nhất của một vòng tròn với công suất quang học tăng lên. Sự xuất hiện của chúng có thể liên quan đến hướng hướng tâm chính của các sợi cơ, một loại xương sườn cứng của giác mạc.

Kiểu quang sai của mắt rất năng động. Quang sai đơn sắc che khuất quang sai màu. Khi đồng tử giãn ra trong phòng tối hơn, quang sai hình cầu tăng lên nhưng quang sai nhiễu xạ giảm và ngược lại. Với sự suy giảm khả năng điều tiết liên quan đến tuổi tác, quang sai bậc cao, trước đây là tác nhân kích thích và tăng độ chính xác của điều tiết, bắt đầu làm giảm chất lượng thị giác.

Vì vậy, hiện nay rất khó để xác định mức độ ảnh hưởng tích cực và tiêu cực của từng loại quang sai đến thị lực của mỗi người.

Nguyên nhân sai lệch

Mọi người đều có chúng. Chúng tạo nên bản đồ khúc xạ riêng của mắt. Các thiết bị hiện đại phát hiện quang sai bậc cao hơn, bằng cách nào đó ảnh hưởng đến chất lượng thị giác, ở 15% số người. Nhưng mỗi người đều có đặc điểm khúc xạ riêng.

Nguồn gây quang sai là giác mạc và thấu kính.

Nguyên nhân dẫn đến sai lệch có thể là:

• dị tật bẩm sinh(những bất thường rất nhỏ ít ảnh hưởng đến thị lực, thấu kính);
• chấn thương giác mạc(sẹo giác mạc làm căng các mô xung quanh, làm mất đi tính hình cầu của giác mạc);
• hoạt động(phẫu thuật cắt giác mạc xuyên tâm, loại bỏ thấu kính thông qua vết rạch giác mạc, hiệu chỉnh bằng laser, phẫu thuật tạo hình nhiệt và các phẫu thuật khác trên giác mạc);
• bệnh giác mạc(hậu quả của viêm giác mạc, đục thủy tinh thể, keratoconus, keratoglobus).

Lý do các bác sĩ nhãn khoa chú ý đến quang sai làphẫu thuật nhãn khoa. Bỏ qua hiện tượng quang sai và không tính đến ảnh hưởng của chúng đến chất lượng thị lực, nhãn khoa đã tồn tại từ khá lâu. Trước đây, chỉ có các nhà sản xuất kính thiên văn, kính thiên văn và kính hiển vi mới nghiên cứu hiện tượng quang sai và đấu tranh chống lại ảnh hưởng tiêu cực của chúng.

Phẫu thuật trên giác mạc hoặc thủy tinh thể (nghĩa là vết rạch giác mạc) làm tăng quang sai bậc cao lên vài bậc độ lớn, điều này đôi khi có thể dẫn đến giảm thị lực sau phẫu thuật. Do đó, việc áp dụng rộng rãi kỹ thuật cấy thấu kính nhân tạo, phẫu thuật cắt giác mạc và điều chỉnh bằng laser vào thực hành nhãn khoa đã góp phần phát triển các thiết bị chẩn đoán: máy chụp ảnh giác mạc xuất hiện để phân tích bản đồ khúc xạ của giác mạc và giờ đây là máy đo quang sai phân tích toàn bộ mặt sóng từ bề mặt trước của giác mạc. giác mạc đến võng mạc.

Quang sai do LASIK gây ra

• Bằng cách điều chỉnh độ lệch tiêu cự (cận thị, viễn thị), bác sĩ phẫu thuật khúc xạ sẽ bổ sung thêm quang sai bậc cao cho bệnh nhân.
• Sự hình thành vạt giác mạc bởi microkeratome dẫn đến sự gia tăng quang sai bậc cao.
• Các biến chứng trong LASIK dẫn đến sự gia tăng quang sai bậc cao hơn.
• Quá trình chữa lành dẫn đến sự gia tăng quang sai bậc cao.

Không thể loại bỏ các vết nhám vi mô và không đồng đều bằng cách sử dụng tia laser kích thích bằng chùm tia khe. Một thiết bị có khả năng cắt bỏ điểm đã được phát minh và đưa vào sản xuất, tức là đường kính của chùm tia laser ở một số kiểu máy nhỏ hơn một milimet. Bằng cách sử dụng đa thức Zernike, các chương trình máy tính đã được đưa vào thực tế để có thể tự động chuyển đổi bản đồ khúc xạ riêng lẻ thu được từ máy đo quang sai trong hệ thống laser thành thuật toán điều khiển chùm tia, loại bỏ không chỉ hiện tượng mất nét dư mà còn cả quang sai bậc cao hơn.Đa thức Zernike trở thành một tập hợp các công cụ, mỗi công cụ được thiết kế để loại bỏ một thành phần cụ thể trong phức hợp quang sai.

Khi thực hiện quá trình cắt bỏ bằng laser được cá nhân hóa như vậy, giác mạc phải có hình dạng gần bằng mức hình cầu lý tưởng về mặt quang học.

Quang sai bậc cao hơn

Màu sắc, loạn thị của các chùm tia xiên, hôn mê, v.v. Tất cả cùng nhau tạo thành hình ảnh của thế giới xung quanh trên võng mạc, nhận thức về nó hoàn toàn mang tính cá nhân đối với mỗi người.

• Cầu sai.Ánh sáng truyền qua thấu kính hai mặt lồi sẽ bị khúc xạ nhiều hơn ở tâm. “Nhà cung cấp” chính của quang sai hình cầu ở mắt là thấu kính và thứ hai là giác mạc. Đồng tử càng rộng, tức là phần thấu kính tham gia vào hoạt động thị giác càng lớn thì quang sai hình cầu càng dễ nhận thấy.

  Trong phẫu thuật khúc xạ, quang sai hình cầu thường được gây ra bởi thấu kính nhân tạo, LASIK vàphẫu thuật tạo hình nhiệt bằng laser.

• Quang sai góc nghiêng của chùm tia quang học.Độ khúc xạ của các bề mặt khúc xạ là sự không khớp giữa tâm ảnh của các điểm sáng nằm ngoài trục của hệ quang học. Chúng được chia thành quang sai của góc nghiêng lớn (loạn thị của chùm xiên) và góc nghiêng nhỏ (hôn mê).

  Hôn mê không liên quan gì đến chẩn đoán đã biết của người hồi sức. Quang sai của nó tương tự như một vòng tròn nằm ở trung tâm quang học của giác mạc và được chia bằng một đường thẳng thành hai nửa chẵn. Một nửa có công suất quang cao, nửa còn lại có công suất quang thấp. Với quang sai như vậy, một người coi điểm sáng là dấu phẩy. Khi mô tả các vật thể, những người có quang sai như vậy sử dụng các từ “đuôi”, “bóng”, “đường viền bổ sung”, “tầm nhìn kép”. Hướng của các hiệu ứng quang học này (kinh tuyến quang sai) có thể khác nhau. Nguyên nhân gây hôn mê có thể là do mất cân bằng bẩm sinh hoặc mắc phải của hệ thống quang học của mắt. Trục quang học (nơi đặt tiêu điểm của thấu kính) của giác mạc không trùng với trục của thấu kính và toàn bộ hệ thống quang học không tập trung vào trung tâm của võng mạc, ở điểm vàng. Hôn mê cũng có thể là một trong những thành phần gây ra tình trạng khúc xạ không đồng đều ở giác mạc hình chóp. Trong LASIK, tình trạng hôn mê có thể xuất hiện do sự lệch vùng cắt bỏ bằng laser hoặc do đặc tính chữa lành của giác mạc trong quá trình điều chỉnh viễn thị bằng laser.

• Méo mó- vi phạm sự tương tự hình học giữa một vật thể và hình ảnh của nó - sự biến dạng. Các điểm của một vật thể ở những khoảng cách khác nhau so với trục quang được mô tả với độ phóng đại khác nhau.

Hiệu chỉnh bằng laser không phải là công ty độc quyền trong việc hiệu chỉnh quang sai. Thấu kính nhân tạo và kính áp tròng đã được phát triển để bù đắp cho một số loại quang sai bậc cao.

Như đã trình bày, đường đi của tia trong một hệ quang học thực và cấu trúc của chùm tia khác biệt đáng kể so với đường đi của một hệ thống lý tưởng. Kết quả là, các hệ thống quang học thực sự tạo ra một hình ảnh ít nhiều gần với lý tưởng. Về vấn đề này, cần có một tiêu chí đánh giá để người ta có thể đánh giá mức độ gần đúng của hệ thống thực với hệ thống lý tưởng và được đánh giá bằng chất lượng hình ảnh.

Chúng ta hãy nhớ lại ba điều kiện của Maxwell để có một hệ thống hoàn hảo về mặt hình học:

1) mọi tia ra khỏi vật điểm O(x,y) và đi qua hệ này phải hội tụ tại điểm ảnh I(x", y");

2) Mỗi ​​phần tử của mặt phẳng vuông góc với trục quang và chứa điểm O(x,y) phải được biểu diễn bằng một phần tử của mặt phẳng vuông góc với trục quang và chứa điểm I(x,y");

3) Chiều cao của ảnh h” phải tỷ lệ thuận với chiều cao của vật h và hệ số tỷ lệ phải không đổi bất kể vị trí của điểm O(x, y) trong mặt phẳng của vật.

Những sai lệch so với điều kiện đầu tiên được gọi là quang sai hoặc (nói chung) biến dạng hình ảnh. Độ lệch của loại thứ hai, tương ứng độ cong trường và hình ảnh và những sai lệch thuộc loại thứ ba gọi là biến dạng.

Vì thế, Quang sai - đây là những lỗi hình ảnh gây ra bởi sự lệch của các tia so với hướng mà chúng phải đi trong một hệ quang học lý tưởng.

Quang sai hình học và sóng là những sai lệch so với điều kiện đầu tiên của Maxwell. Quang sai hình học mô tả các chuyển vị (so với các vị trí lý tưởng về mặt hình học) của các điểm giao nhau của các tia với bề mặt ảnh. Đặc điểm quang sai sóng ORX cho mỗi chùm tia liên quan đến cùng một tham số cho chùm tia chính.

Quang sai hình học được chia thành các lớp tùy theo thứ tự của chúng: bậc 1, bậc 3, bậc 5, v.v.

Các loại quang sai khác nhau không có tác động giống nhau đến chất lượng hình ảnh. Trong tiêu chí đánh giá chất lượng hình ảnh của Linfoot, quang sai đối xứng hình tròn hoặc trực giao ảnh hưởng đến “nội dung cấu trúc” của hình ảnh chứ không ảnh hưởng đến “tính hợp lý” của nó. Quang sai không đối xứng, ngay cả trong giới hạn dung sai xét theo tiêu chí nội dung cấu trúc, ảnh hưởng mạnh mẽ đến độ tin cậy của hình ảnh. Sự hiểu biết như vậy về các yếu tố ảnh hưởng, dựa trên mục tiêu cuối cùng của việc sử dụng hệ thống này, là rất có ý nghĩa, vì trong quá trình tính toán thấu kính,

bù đắp một số loại quang sai. Sự khác biệt về ảnh hưởng các loại khác nhau có thể được chứng minh bằng ví dụ về quang sai bậc 1 và bậc 3.

Quang sai của hệ thống quang học được chia thành đơn sắc và màu sắc:

- Quang sai đơn sắc được gọi là lỗi hình ảnh xảy ra đối với các tia có bước sóng nhất định. Chúng bao gồm: hình cầu, hôn mê, loạn thị và độ cong hình ảnh, biến dạng.

- Quang sai màu - Khi bức xạ có thành phần quang phổ phức tạp đi qua các bề mặt khúc xạ, nó bị phân hủy thành các phần quang phổ thành phần do sự tán sắc ánh sáng. Trong trường hợp này hình ảnh đại diện cho tổng số lượng lớn hình ảnh đơn sắc không trùng với nhau về vị trí hoặc kích thước. Hình ảnh trở nên có màu.

Quang sai ngang (∆х / ∆у /)-đây là độ lệch tọa độ của điểm A / giao điểm của chùm tia thực với mặt phẳng ảnh so với tọa độ điểm A 0 / ảnh lý tưởng theo hướng vuông góc với trục quang (Hình 30).

Hình 29. Quang sai ngang

Quang sai sóng là độ lệch của mặt sóng thực so với mặt sóng lý tưởng, được đo dọc theo chùm tia theo số bước sóng.

Quang sai của hệ thống quang học(từ tiếng Latinh sự sai lệch– độ lệch) – sự biến dạng, sai sót hoặc không chính xác của hình ảnh được tạo ra bởi hệ thống quang học. Lý do cho sự xuất hiện của chúng là vì chùm tia bị lệch khỏi hướng mà nó phải đi trong một hệ thống quang học gần lý tưởng. Nhiều vi phạm khác nhau về tính đồng tâm (độ phân biệt, sự tương ứng hoặc màu sắc) trong cấu trúc của chùm tia phát ra từ hệ thống quang học đặc trưng cho quang sai.

Các loại quang sai phổ biến nhất trong hệ thống quang học có thể được xem xét:

1. Cầu sai. Nó được đặc trưng bởi sự thiếu hình ảnh. Với nó, các tia sáng phát ra từ một điểm của vật thể đi gần trục của hệ quang học và các tia sáng đi qua các phần của hệ thống ở xa trục sẽ không được tập trung tại một điểm.

2. Cho ai.Đây là tên của hiện tượng quang sai xảy ra trong quá trình truyền tia sáng xiên qua hệ thống quang học. Kết quả là, người ta quan sát thấy sự vi phạm tính đối xứng của chùm tia so với trục của nó và hình ảnh của điểm (do hệ thống tạo ra) có dạng một điểm tán xạ không đối xứng.

3. Loạn thị. VỀ b Quang sai này được cho là xảy ra khi sóng ánh sáng bị biến dạng khi truyền qua một hệ quang học. Kết quả của điều này là một biến dạng được quan sát thấy trong đó các chùm tia phát ra từ một điểm của vật thể không giao nhau tại một điểm mà nằm ở hai đoạn vuông góc với nhau ở một khoảng cách nhất định với nhau. Các chùm tia như vậy được gọi là loạn thị.

4. Méo mó.Đây là tên của quang sai, được đặc trưng bởi sự vi phạm sự tương đồng hình học giữa vật thể và hình ảnh của vật thể. Nguyên nhân là do sự khác biệt về độ phóng đại quang học tuyến tính ở các vùng khác nhau của hình ảnh.

5. Độ cong của trường hình ảnh. Với quang sai này, một quá trình được quan sát thấy khi hình ảnh của một vật thể phẳng trở nên sắc nét trên một bề mặt cong chứ không phải trên một mặt phẳng như lẽ ra phải như vậy.

Tất cả các loại quang sai trên trong hệ thống quang học được gọi là quang sai hình học hoặc Seidel. Trong các hệ thống thực, một số loại quang sai hình học nhất định có thể được tìm thấy cực kỳ hiếm. Chúng ta có thể quan sát sự cộng sinh của mọi quang sai thường xuyên hơn nhiều. Và phương pháp cô lập các loại quang sai riêng lẻ là một kỹ thuật nhân tạo được thiết kế để tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích hiện tượng.

Đồng thời, quang sai màu cũng tồn tại. Có một mối liên hệ giữa điều này về loại quang sai và sự phụ thuộc chiết suất của môi trường quang học vào bước sóng ánh sáng. Biểu hiện của quang sai này được quan sát thấy trong các hệ thống quang học bao gồm các phần tử làm bằng vật liệu khúc xạ. Ví dụ như ống kính. Chúng tôi cũng lưu ý rằng gương được đặc trưng bởi độ sắc nét.

Biểu hiện của quang sai màu có thể được quan sát thấy khi xuất hiện màu không liên quan của hình ảnh, cũng như khi hình ảnh của một vật thể xuất hiện các đường viền màu mà trước đây không được quan sát thấy trên vật thể. Quang sai màu được gây ra bởi sự phân tán của môi trường quang học (sự phụ thuộc của chiết suất của vật liệu quang học vào chiều dài của sóng ánh sáng truyền qua). Chính từ chúng mà hệ thống quang học được hình thành

Những quang sai này bao gồm quang sai màu hoặc sắc tố vị trí (đôi khi được gọi là "sắc sắc dọc") và quang sai màu hoặc sắc độ phóng đại.

Bạn muốn tìm hiểu thêm về quang sai trong hệ thống quang học? Bạn vẫn còn thắc mắc hoặc muốn hiểu rõ hơn về một số sắc thái nhất định? - Chúng tôi luôn sẵn sàng giúp đỡ bạn. Chỉ cần đăng ký trên trang web của chúng tôi, chọn gói cước phù hợp và bắt đầu!

Vẫn còn thắc mắc? Bạn không biết cách làm bài tập về nhà?
Để nhận được sự giúp đỡ từ một gia sư, hãy đăng ký.
Bài học đầu tiên là miễn phí!

trang web, khi sao chép toàn bộ hoặc một phần tài liệu đều phải có liên kết đến nguồn.