Astygmatyzm (układy optyczne) - Astigmatism (optical systems)

Aberracja optyczna
Nieostry obraz celu szprychowego..svg Rozogniskowanie

HartmannShack 1lenslet.svg Pochylenie Aberracja sferyczna Astygmatyzm Zniekształcenie śpiączki Zakrzywienie pola Petzvala Aberracja chromatyczna
Aberracja sferyczna 3.svg
Astigmatism.svg
Obiektyw coma.svg
Barrel distortion.svg
Field curvature.svg
Soczewka aberracji chromatycznej diagram.svg

Układ optyczny z astygmatyzmem to taki, w którym promienie rozchodzące się w dwóch prostopadłych płaszczyznach mają różne ogniska . Jeśli do utworzenia obrazu krzyża używany jest układ optyczny z astygmatyzmem, linie pionowe i poziome będą ostre w dwóch różnych odległościach. Termin pochodzi z greckiego α- ( a- ) oznaczającego „bez” i στίγμα ( piętno ), „znak, plamka, przebicie”.

Formy astygmatyzmu

Wizualny astygmatyzm (nie optyczny)

Istnieją dwie różne formy astygmatyzmu. Pierwsza to aberracja trzeciego rzędu , która występuje w przypadku obiektów (lub ich części) oddalonych od osi optycznej . Ta forma aberracji występuje nawet wtedy, gdy układ optyczny jest idealnie symetryczny. Jest to często określane jako „aberracja monochromatyczna”, ponieważ występuje nawet dla światła o jednej długości fali . Ta terminologia może jednak wprowadzać w błąd, ponieważ wielkość aberracji może znacznie różnić się w zależności od długości fali w systemie optycznym.

Druga postać astygmatyzmu występuje, gdy układ optyczny nie jest symetryczny względem osi optycznej. Może to wynikać z projektu (jak w przypadku soczewki cylindrycznej ) lub z powodu błędu produkcyjnego powierzchni elementów lub niewspółosiowości elementów. W tym przypadku astygmatyzm jest obserwowany nawet dla promieni z punktów znajdujących się na osi obiektu. Ta forma astygmatyzmu jest niezwykle ważna w optyce i pielęgnacji oczu, ponieważ oko ludzkie często wykazuje tę aberrację z powodu niedoskonałości kształtu rogówki lub soczewki .

Wizualny astygmatyzm (nie optyczny)

Astygmatyzm trzeciego rzędu

Strona wyjaśniająca i ilustrująca astygmatyzm

Przy analizie tej postaci astygmatyzmu najczęściej bierze się pod uwagę promienie z danego punktu obiektu, które rozchodzą się w dwóch określonych płaszczyznach. Pierwsza płaszczyzna to płaszczyzna styczna . Jest to płaszczyzna zawierająca zarówno rozważany punkt obiektu, jak i oś symetrii. Promienie, które rozchodzą się w tej płaszczyźnie, nazywane są promieniami stycznymi . Płaszczyzny zawierające oś optyczną to płaszczyzny południkowe . Powszechne jest upraszczanie problemów w promieniowo-symetrycznych układach optycznych przez wybieranie punktów obiektu tylko w płaszczyźnie pionowej („ y ”). Płaszczyzna ta jest następnie czasami nazywane w płaszczyźnie południka.

Drugą płaszczyzną wykorzystaną w analizie jest płaszczyzna strzałkowa . Jest to płaszczyzna prostopadła do płaszczyzny stycznej, która zawiera rozważany punkt obiektu i przecina oś optyczną przy źrenicy wejściowej układu optycznego. Ta płaszczyzna zawiera główny promień , ale nie zawiera osi optycznej. Jest to zatem płaszczyzna skośna , innymi słowy nie płaszczyzna południkowa. Promienie propagujące się w tej płaszczyźnie nazywane są promieniami strzałkowymi .

W astygmatyzmie trzeciego rzędu promienie strzałkowe i poprzeczne tworzą ogniska w różnych odległościach wzdłuż osi optycznej. Ogniska te nazywane są odpowiednio ogniskiem strzałkowym i ogniskiem poprzecznym . W przypadku astygmatyzmu punkt poza osią obiektu nie jest ostro odwzorowywany przez układ optyczny. Zamiast tego na ogniskach strzałkowych i poprzecznych powstają ostre linie . Obraz w ognisku poprzecznym to krótka linia zorientowana w kierunku płaszczyzny strzałkowej ; obrazy okręgów wyśrodkowanych na osi optycznej lub linie styczne do takich okręgów będą ostre w tej płaszczyźnie. Obraz w ognisku strzałkowym to krótka linia zorientowana w kierunku stycznym ; obrazy szprych promieniujących ze środka są ostre w tym ognisku. Pomiędzy tymi dwoma ogniskami tworzy się okrągły, ale „rozmyty” obraz. Nazywa się to środkowym ogniskiem lub kręgiem najmniejszego zamieszania . Płaszczyzna ta często stanowi najlepszą kompromisową lokalizację obrazu w systemie z astygmatyzmem.

Wielkość aberracji spowodowana astygmatyzmem jest proporcjonalna do kwadratu kąta między promieniami obiektu a osią optyczną układu. Ostrożnie można zaprojektować system optyczny w celu zmniejszenia lub wyeliminowania astygmatyzmu. Takie systemy nazywane są anastigmatami .

Astygmatyzm w układach, które nie są obrotowo symetryczne

Rozmycie soczewki astygmatycznej przy różnych odległościach.

Jeśli układ optyczny nie jest osiowo symetryczny, albo z powodu błędu w kształcie powierzchni optycznych, albo z powodu niewspółosiowości elementów, astygmatyzm może wystąpić nawet w przypadku punktów obiektu na osi. Efekt ten jest często celowo używany w złożonych układach optycznych, zwłaszcza w niektórych typach teleskopów . Niektóre teleskopy celowo wykorzystują niesferyczną optykę, aby przezwyciężyć to zjawisko.

W analizie tych układów często bierze się pod uwagę promienie styczne (jak zdefiniowano powyżej) i promienie w płaszczyźnie południkowej (płaszczyzna zawierająca oś optyczną) prostopadłą do płaszczyzny stycznej. Ta płaszczyzna jest nazywana strzałkową płaszczyzną południkową lub, myląco, po prostu płaszczyzną strzałkową .

Astygmatyzm okulistyczny

W optometrii i okulistyce płaszczyzny pionowe i poziome są identyfikowane odpowiednio jako południki styczne i strzałkowe . Okulistyczny astygmatyzm jest błąd refrakcji w oku , w których występuje różnica w stopniu refrakcji w różnych południków. Charakteryzuje się zwykle asferyczną rogówką bez obrotu rogówki, w której nachylenie profilu rogówki i moc refrakcji w jednym południku jest mniejsza niż w osi prostopadłej.

Astygmatyzm powoduje trudności w dostrzeganiu drobnych szczegółów. Astygmatyzm można często korygować okularami z soczewką, która ma różne promienie krzywizny w różnych płaszczyznach ( soczewka cylindryczna ), soczewki kontaktowe lub chirurgia refrakcyjna .

Astygmatyzm jest dość powszechny. Badania wykazały, że cierpi na nią co trzecia osoba. Częstość występowania astygmatyzmu wzrasta wraz z wiekiem. Chociaż osoba może nie zauważyć łagodnego astygmatyzmu, większe ilości astygmatyzmu mogą powodować niewyraźne widzenie, zeza , astenopię , zmęczenie lub bóle głowy .

Istnieje wiele testów, które są wykorzystywane przez okulistów i optometrystów podczas badań wzroku w celu określenia obecności astygmatyzmu oraz ilościowego określenia wielkości i osi astygmatyzmu. Wykres Snellena lub inny wykres oko może początkowo ujawniają zmniejszona ostrość widzenia . Keratometru można stosować do pomiaru krzywizny i strome płaskiego południka w przedniej powierzchni rogówki. Aby uzyskać dokładniejsze odwzorowanie kształtu rogówki, można również wykorzystać topografię rogówki. Autorefractor lub retinoskopii mogą zapewniać celem oszacowania refrakcji oka i zastosowanie Jackson poprzecznych siłowników w phoropter mogą być stosowane do subiektywnie Uściślić tych pomiarów. Alternatywna technika z wykorzystaniem foroptera wymaga użycia „tarczy zegarowej” lub „tarczy słonecznej” w celu określenia osi astygmatu i mocy.

Astygmatyzm można skorygować za pomocą okularów , soczewek kontaktowych lub chirurgii refrakcyjnej . Różne względy dotyczące zdrowia oczu, stanu refrakcji i stylu życia często decydują o tym, czy jedna opcja może być lepsza od drugiej. U osób ze stożkiem rogówki toryczne soczewki kontaktowe często pozwalają pacjentom uzyskać lepszą ostrość widzenia niż okulary. Jeśli astygmatyzm jest spowodowany problemem, takim jak deformacja gałki ocznej z powodu gradówki , wyleczenie przyczyny astygmatyzmu.

Niewłaściwie ustawione lub zniekształcone soczewki i lustra

Szlifowanie i polerowanie precyzyjnych części optycznych, ręcznie lub maszynowo, zwykle wymaga znacznego nacisku skierowanego w dół, co z kolei powoduje znaczące naciski boczne podczas polerowania, które mogą łączyć się w celu miejscowego zginania i odkształcania części. Zniekształcenia te na ogół nie mają symetrii figury obrotowej, a zatem są astygmatyczne i powoli stają się trwale wypolerowane na powierzchni, jeśli problemy powodujące zniekształcenie nie zostaną naprawione. Astygmatyczne, zniekształcone powierzchnie mogą powodować poważne pogorszenie wydajności systemu optycznego.

Zniekształcenie powierzchni spowodowane szlifowaniem lub polerowaniem zwiększa się wraz ze współczynnikiem kształtu części (stosunek średnicy do grubości). W pierwszym rzędzie wytrzymałość szkła rośnie wraz z sześcianem grubości. Grube soczewki o współczynniku kształtu od 4: 1 do 6: 1 będą wyginać się znacznie mniej niż części o wysokim współczynniku kształtu, takie jak okna optyczne, które mogą mieć współczynnik kształtu 15: 1 lub wyższy. Połączenie wymagań dotyczących dokładności błędu powierzchni lub czoła fali i współczynnika kształtu części wpływa na stopień wymaganej jednorodności oparcia, szczególnie podczas wyższych nacisków w dół i sił bocznych podczas polerowania. Obróbka optyczna zazwyczaj wiąże się z pewnym stopniem przypadkowości, który bardzo pomaga w zachowaniu powierzchni obrotowej, pod warunkiem, że część nie ugina się podczas procesu szlifowania / polerowania.

Celowy astygmatyzm w układach optycznych

Odtwarzacze płyt kompaktowych używają soczewki astygmatycznej do ustawiania ostrości. Kiedy jedna oś jest bardziej ostra niż druga, kropki na dysku tworzą owalne kształty. Orientacja owalu wskazuje, która oś jest bardziej ostra, a tym samym w którym kierunku soczewka musi się poruszać. Kwadratowy układ tylko czterech czujników może zaobserwować to odchylenie i wykorzystać go do ustawienia najlepszej ostrości soczewki odczytu, bez oszukiwania przez podłużne wgłębienia lub inne cechy na powierzchni dysku.

W 3D PALM / STORM , rodzaju optycznej mikroskopii o super rozdzielczości , do systemu obrazowania można wprowadzić cylindryczną soczewkę w celu wytworzenia astygmatyzmu, który umożliwia pomiar położenia Z źródła światła o ograniczonej dyfrakcji.

Niwelatory laserowe wykorzystują cylindryczną soczewkę do rozprowadzania wiązki lasera z punktu na linię.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne