Vady optických zobrazovacích prvků

Vady optických zobrazovacích prvků 1. Úvod 2. Základní druhy čoček a základní pojmy 3. Zobrazení pomocí čoček 4. Optické vady čoček 5. Monochromatické vady čoček 6. Odstranění monochromatických vad 7. Chromatické vady čoček 8. Odstranění chromatických vad čoček 9. Optické vady zrcadel 10. Seznam použitých www. stránek

1. Úvod Geometrická optika je založena na pojmu „ paprsek“. Paprsek je představován jako myšlená čára, která je v každém bodě kolmá na vlnoplochu elektromagnetické vlny. Zákony platící v geometrické optice vyplývají z vlnové podstaty světla (zákon odrazu,zákon lomu, přímočaré šíření světla, Fermatův zákon). Optické zobrazení je založeno na vytvoření reálných obrazů, jestliže se paprsky vycházející z předmětu skutečně protínají (resp. zdánlivých obrazů, je-li tento průsečík jen zdánlivý). Základními zobrazovacími elementy jsou čočky, zrcadla a lámavé plochy. Na principu soustavy čoček a zrcadel jsou sestaveny i optické přístroje (lupa, mikroskop, dalekohled, fotoaparát …). Mohli bychom si položit otázku, proč se objektivy vyrábějí z několika čoček, když stejně musejí fungovat jako jediná spojná čočka? Ideální zobrazení bodu v bod, přímky v přímku a roviny v rovinu nelze totiž pomocí jediné čočky dosáhnout. Odchylky od tohoto ideálního zobrazení jsou vady zobrazení, které se mají použitím většího počtu čoček korigovat nebo zcela vyloučit.

2. Základní druhy čoček a základní pojmy Čočky dělíme na spojky a rozptylky.

Spojka

F1, F2 = ohniska f1, f2 = ohniskové vzdálenosti S1, S2 = středy křivosti L = tloušťka čočky S = střed čočky D = výška čočky

Rozptylka

3. Zobrazení pomocí čoček Zásady průchodu paprsků čočkou: Paprsek jdoucí středem se neláme. Paprsek směřující do ohniska vychází rovnoběžně s osou. Paprsek jdoucí rovnoběžně s osou vychází směrem z ohniska. f1, f2 = ohniskové vzdálenosti F1, F2 = ohniska a, b = vzdálenost předmětu resp. obrazu od čočky Z1, Z2 = vzdálenost předmětu resp. obrazu od ohniska Čočková rovnice: 1/a + 1/b = 1/f Newtonova rovnice: Z1 * Z2 = f2 Optická mohutnost čočky: D = 1/f [D] = dioptrie

Spojka Spojka soustřeďuje všechny na ni dopadající paprsky a spojuje je v jednom bodě, zvaném ohnisko. Pokud se v tomto bodě spojí sluneční paprsky, může v ohnisku dojít ke vznícení některé zápalné látky (papíru). Vzniká obraz skutečný a převrácený.

Rozptylka Rozptylka dopadající paprsky láme (rozptyluje). Vzniklý obraz je neskutečný vzpřímený a zmenšený.

4. Optické vady čoček Vady monochromatické = Do této skupiny patří vady, které nemají vliv na barvu, ale spíše na ostrost obrazu. Nezávisí na vlnové délce světla. Vady chromatické (barevné) = Tato skupina zahrnuje vady, které deformují barevné podání obrazu; tyto vady se projevují i při černobílé fotografii, není tedy pravda, že na černobílých snímcích nejsou vidět. Závisí na vlnové délce světla.

Vady monochromatické Otvorová vada (sférická vada) = způsobena tím, že svazek paprsků vycházejících z jednoho bodu na optické ose se nespojuje na filmu v bod, ale v jejich skupinu. Obraz nelze přesně zaostřit. Asymetrická vada (koma) = způsobuje, že svítící body ležící mimo optickou osu se nezobrazují na filmu jako body, ale jako skvrny připomínající komety. Objekt mimo osu způsobuje stínový mlhavý obraz. Vyskytuje se u čoček s velkou sférickou vadou. Astigmatismus = čočka se chová tak, jako by měla v různých místech různé ohniskové vzdálenosti; paprsky se spojují buď před, nebo za ohniskem. Nelze zaostřit. Zklenutí obrazového pole = obraz roviny se nevytvoří v rovině, ale na zakřivené ploše, což má za následek deformaci reality. Dochází ke změně polohy obrazu, obraz je promáčknutý nebo vypouklý. Zkreslení = změna měřítka. Přímky neprotínající optickou osu čočky se zobrazují jako prohnuté čáry, což má opět za následek deformaci reality.

Vady chromatické Barevná vada polohy = paprsky vycházející z jednoho bodu na ose se (při odstraněné otvorové vadě) spojují v různé vzdálenosti od ohniska v závislosti na vlnové délce světla. Obraz zaostřený v jedné barvě nebude současně ostrý i pro jiné barvy. Barevná vada velikosti = obrazy vytvořené paprsky různé vlnové délky (= barvy) mají nestejnou velikost. Barevné variace monochromatických vad = při odstranění některé vady pro světlo určité barvy není tatáž vada odstraněna pro světlo jiné barvy.

5. Monochromatické vady čoček Zklenutí obrazového pole = ostrý obraz, jak jej tvoří spojka neleží v jedné rovině, nýbrž má podobu misky. Důsledek toho je, že ostře je vykreslen jen střed obrazu a ke krajům ostrosti ubývá. Astigmatismus = Leží-li nějaký bod mimo osu objektivu , pak se paprsky, které z něho vychází, rozličně lámou. Paprsky, které na čočku dopadají kolmo se lámou jinak než ty, které na ni dopadají šikmo. V tomto případě jsou horizontální proužky zaostřeny a vertikální rozostřeny nebo naopak. Astigmatismus je nejvíce zřetelný v krajích obrazu u dalekohledů s širokým polem záběru. Proto se také tyto paprsky neprotínají v jednom bodě v teoretickém ohnisku čočky. Tato vada způsobuje velmi rychlé ubývání ostrosti od středu ke krajům a kromě toho i zkreslení. Vzniká při dopadu úzkého šikmého svazku světla na čočku, obrazy bodů pak mají charakter krátkých úseček. Asymetrická vada (koma) = Má-li objektiv tuto vadu, pak kreslí body na okraji jako malé komety. Následkem toho vzniká neostrost obrazových okrajů. Objekt mimo osu způsobuje stínový mlhavý obraz. Vyskytuje se u čoček s velkou sférickou vadou. Vzniká při dopadu širokého šikmého svazku světla na čočku. Obrazy bodů mají protažený vzhled. Zkreslení = vyborcení kresby. Přímky na okrajích nejsou zobrazovány jako přímky,nýbrž zakřiveně. S touto vadou se setkáváme nejen u levnějších objektivů. ale i u levnějších teleobjektivů, takže se jich potom nedá použít např. ke snímku staveb. Jestliže se obraz liší od objektu geometricky, jedná se o vadu, které se říká distorze (zkreslení). Sférická (otvorová) vada = Na okraji čočky se lámou světelné paprsky silněji než ve středu. Proto vzrůstá neostrost směrem ke krajům. Paprsky jdoucí dál od optické osy se lámou před ohnisko.

zklenutí obrazového pole

zakřivení obrazu po průchodu optickou soustavou

okraje obrazu jsou rozostřené vlivem zakřivení rovyny pole obrazu

astigmatismus

originální obraz

rozostření horizontálních linek

rozostření vertikálních linek

komatická vada

zkreslení - disperze

pozitivní zakřivení

negativní zakřivení

sférická aberace

6. Odstranění monochromatických vad čoček Každou vadou čočky se snažíme odstranit, některé vady se však odstranit nedají, jiné dokážeme jen zmírnit. Zkreslení (vyborcení) kresby – tato vada se nedá odstranit. Koma – Tuto vadu odstraníme nebo zmírníme cloněním. Astigmatismus – Zmírníme ji cloněním. Teprve odstranění astigmatismu umožnilo konstrukci světelných objektivů. Nejsvětlejší a nejdokonalejší ze všech achromatických objektivů je anastigmát. Anastigmát děkuje za svou světlost především tomu, že se u něho podařilo odstranit právě zmíněný astigmatismus. Anastigmáty se mohou skládat ze tří až osmi čoček., které zčásti stojí buď volně, nebo jsou stmeleny kanadským balzámem. „Anastigmatický“ znamená dávající bodově ostrý (nerozmazaný) obraz. Zklenutí obrazového pole – Vada se zmírní, zacloníme-li objektiv. Otvorová (sférická) vada – Pomoci si můžeme cloněním, ale může se stát, že jeden a týž objektiv kreslí při střední cloně mnohem ostřeji, než když ho silněji zacloníme. To se může stát i u moderních objektivů, zvláště u světelných anastigmátů. Vysvětluje se to tím, že do korektury objektivů musela být zahrnuta i rozsáhlá okrajová pásma objektivu, což zase mohlo být provedeno jen na úkor středu, s nímž pracujeme při nastavení na velmi malá clonová čísla. Vady zobrazení nelze odstranit, protože jsou způsobeny výrobou čoček; pokud nějaký objektiv má vadu zobrazení, nepomůže mu sebekvalitnější oprava, pouze výměna vadné čočky. Naprostá většina objektivů má všechny vady odstraněny nebo alespoň výrazně korigovány; výjimku tvoří "objektivy" levných, zpravidla neznačkových kompaktů, které mají čočky dokonce z plastu, což pochopitelně má vliv na kvalitu obrazu. Za vadu zobrazení v pravém slova smyslu nelze považovat vadu zvanou „vinětace“. Je to vada, která se projevuje dvěma způsoby: buď rozostřením obrazu v rozích snímku, nebo tím, že je snímek v rozích tmavý či úplně černý. První varianta je způsobena nízkou kvalitou čočky, která není schopna vykreslit ostrý obraz až do rohů obrazu. Vadu nelze odstranit a trpí jí hlavně levné kompakty.

Druhá varianta vinětace je způsobena buď podobně jako varianta první (nekvalitní čočky), nebo použitím sluneční clony, která má menší zorný úhel než snímací objektiv; použijeme-li clonu pro objektiv 50 mm na objektiv 35 mm, budou rohy obrazu černé, protože clona je v objektivu vidět. Jediným předpokladem pro úspěšné použití sluneční clony tedy není jen velikost závitu, ale také zorný úhel, který - pokud nejde o clonu pro základní objektiv - by měl být vyznačen na objímce clony, popřípadě na jejím obalu.

7. Chromatické vady čoček Bílé světlo si můžeme představit jako složené z mnoha barev (vlnových délek). Přesvědčit se můžeme například pomocí hranolu. Barevná vada čoček je způsobena tím, že světlo se při průchodu čočkami (podobně jako při průchodu hranolem) láme - odchyluje od původního směru. Protože každá barva se odchyluje trochu jinak, není obrazem bodového zdroje bílého světla bílý bod, ale kolečko, jehož okraje "hrají barvami". Ohnisková délka pro světlo různých barev (různých vlnových délek) je jiná, neboli index lomu skla je různý pro různé barvy (různé vlnové délky). Fialová se láme nejvíce, červená nejméně. Zaostřujeme-li monoklovou čočkou, projeví se to jako barevné lemování okraje každého obrysu.

původní obraz

okraje kontrastů, kde je chromatická vada nejviditelnější vznik chromatické aberace

8. Odstranění chromatické vady Barevnou chromatickou vadu mají jen monoklové čočky a periskopy, u moderních objektivů je tato vada korigována. Výrobci objektivů dalekohledů se snaží barevnou vadu odstranit tím, že využívají zajímavé vlastnosti skla: některé druhy skla odchylují barvy více, jiné méně (například tzv. flintové a korunové sklo). Jestliže vhodně zkombinujeme čočky z různých skel, barevná vada se vykompenzuje. Dvojčočkové - achromatické - objektivy kompenzují barevnou vadu pro dvě vlnové délky světla. Dokonalejší tříčočkové – apochromatické - objektivy kompenzují barevnou vadu pro tři vlnové délky. Apochromatické objektivy jsou samozřejmě kvalitnější, ale také výrazně dražší. Achromát (krajinářská čočka) je bez barevné chromatické vady. Skládá se z jedné spojky a jedné rozptylky. V této kombinaci dvou čoček byly použity dva druhy skla o různém indexu lomu. Aplanát je kombinací dvou achromátů. Barevná chromatická vada je také odstraněna, dále je odstraněna i sférická (kulová) vada. U vícečočkových objektivů se zvýrazňuje ještě jeden problém: čočkou ani zdaleka neprojde všechno světlo, které na ni dopadá. Část světla, asi 5 %, se při průchodu rozhraním vzduch-sklo odrazí zpět. V případě vícenásobného systému se celková ztráta vyšplhá i na několik desítek procent. Proto se čočky objektivů (nejen těch astronomických) a okulárů opatřují antireflexními vrstvami.

9. Optické vady zrcadel Optické vady zrcadel jsou shodné s vadami čoček až na jednu. Zrcadla mohou mít vady sférickou - geometrické zkreslení - zklenutí pole - komu - astigmatismus Zrcadla nemají barevnou vadu = světlo jimi neprochází, ale odráží se od nich.

10. Seznam použitých www. stránek www.fyzweb.cz www.optika.cz www.astronomie.cz