Până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:

care este

  • Descrieți aberația optică.

Lentilele reale se comportă oarecum diferit de modul în care sunt modelate folosind ecuațiile lentilei subțiri, producând aberații. O aberație este o distorsiune a unei imagini. Există o varietate de aberații datorate dimensiunii obiectivului, materialului, grosimii și poziției obiectului. Un tip comun de aberație este aberația cromatică, care este legată de culoare. Deoarece indicele de refracție al lentilelor depinde de culoare sau lungimea de undă, imaginile sunt produse în locuri diferite și cu măriri diferite pentru culori diferite. (Legea reflexiei este independentă de lungimea de undă, deci oglinzile nu au această problemă. Acesta este un alt avantaj pentru oglinzile din sistemele optice precum telescoapele.)

Figura 1a prezintă aberația cromatică pentru un singur obiectiv convex și corecția sa parțială cu un sistem cu două lentile. Razele violete sunt îndoite mai mult decât roșu, deoarece au un indice de refracție mai mare și sunt astfel focalizate mai aproape de obiectiv. Lentila divergentă corectează parțial acest lucru, deși de obicei nu este posibil să o faci complet. Pot fi utilizate lentile din diferite materiale și cu dispersii diferite. De exemplu, un dublu acromatic format dintr-o lentilă convergentă din sticlă coroană și o lentilă divergentă din sticlă de silex în contact poate reduce dramatic aberația cromatică (a se vedea figura 1b).

Figura 1. (a) Aberația cromatică este cauzată de dependența indicelui de refracție al obiectivului de culoare (lungimea de undă). Obiectivul este mai puternic pentru violet (V) decât pentru roșu (R), producând imagini cu locații și măriri diferite. (b) Sistemele cu lentile multiple pot corecta parțial aberațiile cromatice, dar pot necesita lentile din diferite materiale și pot contribui la cheltuielile sistemelor optice precum camerele.

Destul de des într-un sistem de imagistică obiectul este descentrat. În consecință, diferite părți ale obiectivului sau ale oglinzii nu refractează sau reflectă imaginea în același punct. Acest tip de aberație se numește comă și este prezentat în Figura 2. Imaginea în acest caz apare adesea în formă de pară. O altă aberație obișnuită este aberația sferică în care razele care converg de la marginile exterioare ale obiectivului converg către un focalizare mai aproape de obiectiv și razele mai apropiate de focalizarea axei în continuare (vezi Figura 3). Aberațiile datorate astigmatismului în lentilele ochilor sunt discutate în corectarea vederii, iar o diagramă utilizată pentru detectarea astigmatismului este prezentată în Figura 4. Astfel de aberații și pot fi, de asemenea, o problemă cu lentilele fabricate.

Figura 2. Coma este o aberație cauzată de un obiect care este descentrat, rezultând adesea o imagine în formă de pară. Razele provin din puncte care nu sunt pe axa optică și nu converg la un punct focal comun.

Figura 3. Aberația sferică este cauzată de focalizarea razelor la distanțe diferite de lentilă.

Figura 4. Această diagramă poate detecta astigmatism, denivelări în focalizarea ochiului. Verificați fiecare dintre ochi separat, uitându-vă la crucea centrală (fără ochelari, dacă le purtați). Dacă liniile de-a lungul unor axe par mai întunecate sau mai clare decât altele, aveți un astigmatism.

Imaginea produsă de un sistem optic trebuie să fie suficient de luminoasă pentru a fi discernută. Este adesea o provocare să obții o imagine suficient de strălucitoare. Luminozitatea este determinată de cantitatea de lumină care trece prin sistemul optic. Componentele optice care determină luminozitatea sunt diametrul lentilei și diametrul pupilelor, diafragmelor sau opritoarelor de deschidere plasate în fața lentilelor. Sistemele optice au adesea pupile de intrare și ieșire pentru a reduce în mod specific aberațiile, dar inevitabil reduc și luminozitatea. În consecință, sistemele optice trebuie să găsească un echilibru între diferitele componente utilizate. Irisul din ochi se dilată și se constrânge, acționând ca o pupilă de intrare. Puteți vedea obiecte mai clar uitându-vă printr-o gaură mică făcută cu mâna în formă de pumn. Strabismul sau utilizarea unei mici găuri într-o bucată de hârtie va face, de asemenea, obiectul mai ascuțit.

Deci, cum sunt corectate aberațiile? Lentilele pot avea, de asemenea, suprafețe special formate, spre deosebire de forma simplă sferică, care este relativ ușor de produs. Obiectivele scumpe au un diametru mare, astfel încât să poată aduna mai multă lumină și au nevoie de mai multe elemente pentru a corecta diferitele aberații. Mai mult, progresele în știința materialelor au dus la obținerea lentilelor cu o gamă de indici de refracție - denumite tehnic lentile cu indice gradat (GRIN). Ochelarii au adesea capacitatea de a oferi o gamă de abilități de focalizare folosind tehnici similare. Lentilele GRIN sunt deosebit de importante la sfârșitul fibrelor optice din endoscoape. Tehnicile avansate de calcul permit o serie de corecții pe imagini după ce imaginea a fost colectată și anumite caracteristici ale sistemului optic sunt cunoscute. Unele dintre aceste tehnici sunt versiuni sofisticate ale celor disponibile pe pachetele comerciale precum Adobe Photoshop.

Rezumatul secțiunii

  • Aberații sau distorsiuni ale imaginii pot apărea datorită grosimii finite a instrumentelor optice, imperfecțiunilor componentelor optice și limitărilor modului în care sunt utilizate componentele.
  • Mijloacele pentru corectarea aberațiilor variază de la componente mai bune la tehnici de calcul.

Întrebări conceptuale

  1. Enumerați diferitele tipuri de aberații. Ce le determină și cum pot fi reduse fiecare?

Probleme și exerciții

Concepte integrate. (a) În timpul corectării vederii cu laser, o scurtă explozie de lumină ultravioletă de 193 nm este proiectată pe corneea pacientului. Face o pată de 1,00 mm în diametru și depune 0,500 mJ de energie. Calculați adâncimea stratului ablat, presupunând că țesutul corneean are aceleași proprietăți ca apa și este inițial la 34,0 ° C. Temperatura țesutului este crescută la 100 ° C și evaporată fără o creștere suplimentară a temperaturii.
(b) Răspunsul dumneavoastră implică faptul că forma corneei poate fi controlată fin?

Glosar

aberaţie: eșecul convergenței razelor la un singur foc din cauza limitărilor sau defectelor unui obiectiv sau a unei oglinzi

Soluții la probleme și exerciții

(a) 0,251 μm; (b) Da, această grosime implică faptul că forma corneei poate fi controlată foarte fin, producând o viziune normală la distanță la mai mult de 90% dintre pacienți.