Астигматизм (оптические системы) - Astigmatism (optical systems)
| Оптическая аберрация |
|---|
 Расфокусировать
|
Оптическая система с астигматизмом один , где лучи , распространяющиеся в двух перпендикулярных плоскостях имеют разные фокусы . Если для формирования изображения креста используется оптическая система с астигматизмом , вертикальные и горизонтальные линии будут четко сфокусированы на двух разных расстояниях. Термин происходит от греческого α- ( a- ), означающего «без» и στίγμα ( клеймо ), «отметка, пятно, прокол».
Формы астигматизма
Есть две различные формы астигматизма. Первый - это аберрация третьего порядка , которая возникает для объектов (или частей объектов), удаленных от оптической оси . Эта форма аберрации возникает даже тогда, когда оптическая система идеально симметрична. Это часто называют «монохроматической аберрацией», потому что она возникает даже для света одной длины волны . Однако эта терминология может вводить в заблуждение, поскольку величина аберрации может сильно варьироваться в зависимости от длины волны в оптической системе.
Вторая форма астигматизма возникает, когда оптическая система не симметрична относительно оптической оси. Это может быть связано с конструкцией (как в случае с цилиндрической линзой ) или из-за производственной погрешности поверхностей компонентов или несовпадения компонентов. В этом случае астигматизм наблюдается даже для лучей от осевых точек объекта. Эта форма астигматизма чрезвычайно важна для зрительной науки и ухода за глазами, поскольку человеческий глаз часто демонстрирует эту аберрацию из-за несовершенства формы роговицы или хрусталика .
.png)
Астигматизм третьего порядка
При анализе этой формы астигматизма чаще всего рассматривают лучи из данной точки на объекте, которые распространяются в двух конкретных плоскостях. Первая плоскость - тангенциальная . Это плоскость, которая включает в себя как рассматриваемую точку объекта, так и ось симметрии. Лучи, распространяющиеся в этой плоскости, называются касательными . Плоскости, включающие оптическую ось, являются меридиональными плоскостями. Обычно задачи в радиально-симметричных оптических системах упрощают, выбирая точки объекта только в вертикальной (« y ») плоскости. Эта плоскость затем иногда называют в меридиональной плоскости.
Вторая плоскость, используемая в анализе, - это сагиттальная плоскость . Это определяется как плоскость, ортогональная касательной плоскости, которая содержит рассматриваемую точку объекта и пересекает оптическую ось во входном зрачке оптической системы. Эта плоскость содержит главный луч , но не содержит оптической оси. Следовательно, это наклонная плоскость, другими словами, не меридиональная плоскость. Лучи, распространяющиеся в этой плоскости, называются сагиттальными лучами .
При астигматизме третьего порядка сагиттальные и поперечные лучи образуют фокусы на разных расстояниях вдоль оптической оси. Эти очаги называются сагиттальным фокусом и поперечным фокусом соответственно. При наличии астигматизма внеосевая точка объекта не отображается резко оптической системой. Вместо этого в сагиттальном и поперечном фокусах образуются резкие линии . Изображение в поперечном фокусе представляет собой короткую линию, ориентированную в направлении сагиттальной плоскости; изображения кругов с центром на оптической оси или линий, касательных к таким кругам, будут четкими в этой плоскости. Изображение в сагиттальном фокусе представляет собой короткую линию, ориентированную в тангенциальном направлении; изображения спиц, исходящих из центра, получаются резкими в этом фокусе. Между этими двумя фокусами формируется круглое, но «размытое» изображение. Это называется медиальным фокусом или кругом наименьшего замешательства . Эта плоскость часто представляет собой наилучшее компромиссное местоположение изображения в системе с астигматизмом.
Величина аберрации из-за астигматизма пропорциональна квадрату угла между лучами от объекта и оптической осью системы. С осторожностью можно разработать оптическую систему для уменьшения или устранения астигматизма. Такие системы называются анастигматами .
Астигматизм в системах, несимметричных относительно вращения
Если оптическая система не является осесимметричной, либо из-за ошибки в форме оптических поверхностей, либо из-за несовпадения компонентов, астигматизм может возникать даже для осевых точек объекта. Этот эффект часто преднамеренно используется в сложных оптических системах, особенно в некоторых типах телескопов . Некоторые телескопы намеренно используют несферическую оптику, чтобы преодолеть это явление.
При анализе этих систем обычно рассматривают тангенциальные лучи (как определено выше) и лучи в меридиональной плоскости (плоскости, содержащей оптическую ось), перпендикулярной касательной плоскости. Эта плоскость называется либо сагиттальной меридиональной плоскостью, либо, что сбивает с толку, просто сагиттальной плоскостью .
Офтальмологический астигматизм
В оптометрии и офтальмологии вертикальная и горизонтальная плоскости идентифицируются как тангенциальный и сагиттальный меридианы соответственно. Офтальмологический астигматизм является ошибкой рефракции в глазах , в которой существует разница в степени преломления в различных меридианах. Он обычно характеризуется асферической роговицей без вращения, в которой наклон профиля роговицы и сила преломления в одном меридиане меньше, чем у перпендикулярной оси.
Астигматизм затрудняет просмотр мелких деталей. Астигматизм часто можно исправить с помощью очков с линзами , имеющими разный радиус кривизны в разных плоскостях ( цилиндрическая линза), контактными линзами или рефракционной хирургией .
Астигматизм встречается довольно часто. Исследования показали, что этим страдает примерно каждый третий человек. Распространенность астигматизма увеличивается с возрастом. Хотя человек может не замечать легкий астигматизм, более высокий уровень астигматизма может вызвать нечеткое зрение, косоглазие , астенопию , усталость или головные боли .
Существует ряд тестов, которые используются офтальмологами и оптометристами во время обследования глаз, чтобы определить наличие астигматизма и количественно определить величину и ось астигматизма. Оптотип диаграмма или другая диаграмма глаз может первоначально выявляет уменьшить остроту зрения . Кератометр может быть использован для измерения кривизны самых крутых и плоских меридианов в передней поверхности роговицы. Топография роговицы также может использоваться для получения более точного представления формы роговицы. Autorefractor или Ретиноскопия может обеспечить объективную оценка рефракции глаза и использование Джексоном поперечных цилиндров в фороптере могут быть использованы для субъективно уточнить эти измерения. Альтернативный метод с фороптером требует использования «шкалы часов» или диаграммы «солнечных лучей» для определения оси астигматизма и мощности.
Астигматизм можно исправить с помощью очков , контактных линз или рефракционной хирургии . Различные соображения, включая здоровье глаз, рефракционный статус и образ жизни, часто определяют, может ли один вариант лучше другого. У пациентов с кератоконусом торические контактные линзы часто позволяют пациентам достичь большей остроты зрения, чем очки. Если астигматизм вызван такой проблемой, как деформация глазного яблока из-за халязиона , лечение основной причины устранит астигматизм.
Смещенные или деформированные линзы и зеркала
Шлифовка и полировка прецизионных оптических деталей вручную или на станке обычно требует значительного давления вниз, что, в свою очередь, создает значительные боковые давления трения во время полировальных ходов, которые могут в совокупности приводить к локальному изгибу и деформации деталей. Эти искажения, как правило, не обладают симметрией фигуры вращения и, следовательно, являются астигматическими, и медленно становятся навсегда отполированными до поверхности, если проблемы, вызывающие искажение, не устраняются. Астигматические искаженные поверхности могут серьезно ухудшить характеристики оптической системы.
Деформация поверхности из-за шлифовки или полировки увеличивается с увеличением соотношения сторон детали (отношения диаметра к толщине). В первом порядке прочность стекла увеличивается как куб толщины. Толстые линзы с соотношением сторон от 4: 1 до 6: 1 будут изгибаться намного меньше, чем детали с высоким соотношением сторон, такие как оптические окна, которые могут иметь соотношение сторон 15: 1 или выше. Комбинация требований к точности поверхности или погрешности волнового фронта и соотношения сторон детали определяет требуемую степень однородности задней опоры, особенно при более высоких давлениях вниз и боковых силах во время полировки. Оптическая обработка обычно предполагает некоторую степень случайности, которая в значительной степени помогает сохранить поверхность с фигурой вращения, при условии, что деталь не изгибается во время шлифовки / полировки.
Умышленный астигматизм в оптических системах
В проигрывателях компакт-дисков для фокусировки используется астигматическая линза. Когда одна ось находится в фокусе больше, чем другая, точечные элементы на диске проецируются в овальные формы. Ориентация овала указывает на то, какая ось больше в фокусе, и, следовательно, в каком направлении линза должна двигаться. Квадратное расположение только четырех датчиков позволяет наблюдать это смещение и использовать его для наилучшего фокусирования линзы для считывания, не обманывая себя продолговатыми углублениями или другими особенностями на поверхности диска.
В 3D PALM / STORM , типе оптической микроскопии сверхвысокого разрешения , цилиндрическая линза может быть введена в систему формирования изображения для создания астигматизма, что позволяет измерять положение Z источника света с дифракционным ограничением.
В лазерных линейных уровнях используется цилиндрическая линза для распространения лазерного луча из точки в линию.
Смотрите также
- Анастигмат (тип линзы)
- Стигматизм
Рекомендации
- Грейвенкамп, Джон Э. (2004). Полевое руководство по геометрической оптике . SPIE Field Guides vol. FG01 . ШПИОН. ISBN 978-0-8194-5294-8 .
- Хехт, Юджин (1987). Оптика (2-е изд.). Эддисон Уэсли. ISBN 978-0-201-11609-0 .
Внешние ссылки
- Статьи об астигматизме
- Астигматизм и кривизна поля Пола ван Валри