Астигматизм (оптические системы) - Astigmatism (optical systems)

Оптическая аберрация
Расфокусированное изображение мишени со спицами..svg Расфокусировать

HartmannShack 1lenslet.svg Наклон
Сферическая аберрация 3.svg Сферическая аберрация
Astigmatism.svg Астигматизм
Объектив coma.svg Кома
Barrel distortion.svg Искажение
Поле curvature.svg Кривизна поля Пецваля
Диаграмма линзы хроматической аберрации.svg Хроматическая аберрация

An оптическая система с астигматизм тот, где лучи которые распространяются в двух перпендикулярных самолеты иметь разные фокусы. Если использовать оптическую систему с астигматизмом для формирования изображения Пересекать, вертикальные и горизонтальные линии будут четко сфокусированы на двух разных расстояниях. Термин происходит от Греческий α- (а-) означает «без» и στίγμα (клеймо), «след, пятно, прокол».[1]

Формы астигматизма

Визуальный астигматизм (не оптический)

Есть две различные формы астигматизма. Первый - третьего порядка аберрация, что происходит с объектами (или частями объектов) вдали от оптическая ось. Эта форма аберрации возникает даже тогда, когда оптическая система абсолютно симметрична. Это часто называют «монохроматической аберрацией», потому что она возникает даже для света одного длина волны. Однако эта терминология может вводить в заблуждение, поскольку количество аберрации могут 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 намеренно (как в случае с цилиндрическая линза ), или из-за производственной ошибки на поверхности компонентов или несовпадения компонентов. В этом случае астигматизм наблюдается даже для лучей от осевых точек объекта. Эта форма астигматизма чрезвычайно важна в зрении и уходе за глазами, поскольку человеческий глаз часто проявляется эта аберрация из-за несовершенства формы роговица или линза.

Визуальный астигматизм (не оптический)

Астигматизм третьего порядка

Страница, объясняющая и иллюстрирующая астигматизм[2]

При анализе этой формы астигматизма обычно рассматривают лучи из данной точки на объекте, которые распространяются в двух конкретных плоскостях. Первый самолет - это тангенциальная плоскость. Это плоскость, которая включает в себя как рассматриваемую точку объекта, так и ось симметрии. Лучи, распространяющиеся в этой плоскости, называются касательные лучи. Плоскости, включающие оптическую ось, меридиональный самолеты. Обычно задачи в радиально-симметричных оптических системах упрощают, выбирая точки объекта в вертикальном ("у") только самолет. Этот самолет иногда называют то меридиональная плоскость.

Вторая плоскость, используемая в анализе, - это сагиттальная плоскость. Это определяется как плоскость, ортогональный к касательной плоскости, которая содержит точку рассматриваемого объекта и пересекает оптическую ось в вступительный ученик оптической системы. Этот самолет содержит главный луч, но не содержит оптической оси. Следовательно, это перекос плоскость, другими словами не меридиональная плоскость. Лучи, распространяющиеся в этой плоскости, называются сагиттальные лучи.

При астигматизме третьего порядка сагиттальные и поперечные лучи образуют фокусы на разных расстояниях по оптической оси. Эти очаги называются сагиттальный фокус и поперечный фокус, соответственно. При наличии астигматизма внеосевая точка объекта не отображается четко оптической системой. Вместо этого резкое линии образуются в сагиттальном и поперечном фокусах. Изображение в поперечном фокусе представляет собой короткую линию, ориентированную в направлении сагиттальный самолет; 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 касательный направление; изображения спиц, исходящих из центра, получаются резкими в этом фокусе. Между этими двумя фокусами формируется круглое, но «размытое» изображение. Это называется медиальный фокус или же круг наименьшего замешательства. Эта плоскость часто представляет собой наилучшее компромиссное расположение изображения в системе с астигматизмом.

Величина аберрации из-за астигматизма пропорциональна квадрат угла между лучами от объекта и оптической осью системы. С осторожностью можно разработать оптическую систему для уменьшения или устранения астигматизма. Такие системы называются анастигмат.

Астигматизм в системах, несимметричных относительно вращения

Размытие от астигматической линзы на разном расстоянии.

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 телескоп. Немного телескопы сознательно используйте несферическую оптику, чтобы преодолеть это явление.[Почему? ][3][неудачная проверка ]

При анализе этих систем обычно рассматривают тангенциальные лучи (как определено выше) и лучи в меридиональной плоскости (плоскости, содержащей оптическую ось), перпендикулярной касательной плоскости. Этот самолет называется либо сагиттальная меридиональная плоскость или, как ни странно, просто сагиттальная плоскость.

Офтальмологический астигматизм

Основная статья: Астигматизм

В оптометрия и офтальмология, вертикальная и горизонтальная плоскости обозначены как касательный и сагиттальный меридианы соответственно. Офтальмологический астигматизм - это ошибка рефракции из глаз в котором есть разница в степени преломление в разных меридианах.[4] Обычно для него характерна асферическая фигура без вращения. роговица в котором профиль роговицы склон и сила преломления в одном меридиане меньше, чем у перпендикулярной оси.

Астигматизм затрудняет просмотр мелких деталей. Астигматизм часто можно исправить: очки с линза это другое радиусы кривизны в разных плоскостях (а цилиндрический линза), контактные линзы, или же рефракционная хирургия.[5]

Астигматизм встречается довольно часто. Исследования показали, что этим страдает примерно каждый третий человек.[6][7][8] Распространенность астигматизма увеличивается с возрастом.[9] Хотя человек может не замечать легкий астигматизм, более высокий уровень астигматизма может вызвать нечеткое зрение. щурится, астенопия, усталость, или же головные боли.[10][11][12]

Есть ряд тестов, которые использует офтальмологи и оптометристы в течение обследование глаз для определения наличия астигматизма и количественной оценки степени и оси астигматизма.[13] А Диаграмма Снеллена или другой глазная диаграмма может изначально выявить уменьшенные Острота зрения. А кератометр может использоваться для измерения кривизны самых крутых и плоских меридианов на передней поверхности роговицы.[14] Топография роговицы может также использоваться для получения более точного представления формы роговицы.[15] An авторефрактор или же ретиноскопия может дать объективную оценку аномалии рефракции глаза и использование Крестовые цилиндры Джексона в фороптер может использоваться для субъективного уточнения этих измерений.[16][17][18] Альтернативный метод с фороптером требует использования «шкалы часов» или диаграммы «солнечных лучей» для определения оси астигматизма и мощности.[19][20]

Астигматизм можно исправить с помощью очки, контактные линзы, или же рефракционная хирургия.[21][22][23] Различные факторы, включая здоровье глаз, рефракционный статус и образ жизни, часто определяют, может ли один вариант лучше другого. В тех, у кого кератоконус, торические контактные линзы часто позволяют пациентам достичь большей остроты зрения, чем очки. Если астигматизм вызван такой проблемой, как деформация глазного яблока из-за халазион, устранение первопричины устранит астигматизм.

Смещенные или деформированные линзы и зеркала

Шлифовка и полировка прецизионных оптических деталей вручную или на машине обычно требует значительного давления вниз, которое, 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 обычно не обладают симметрией фигуры вращения и, таким образом, являются астигматическими и постепенно становятся навсегда отполированными до поверхности, если проблемы, вызывающие искажение, не устраняются. Астигматические искаженные поверхности потенциально серьезно ухудшают характеристики оптической системы.

Деформация поверхности из-за шлифовки или полировки увеличивается с увеличением соотношение сторон детали (отношение диаметра к толщине). В первую очередь прочность стекла увеличивается с увеличением 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 во время более высоких давлений вниз и боковых сил 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

Компакт-диск игроки используют астигматические линзы для фокусировки. Когда одна ось находится в фокусе больше, чем другая, точечные элементы на диске выступают 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 считывающей линзы, не обманывая себя продолговатыми углублениями или другими особенностями на поверхности диска.[нужна цитата ]

В 3D ПАЛЬМА / ШТОРМ, тип оптического микроскопия сверхвысокого разрешения цилиндрическая линза может быть введена в систему формирования изображения для создания астигматизма, что позволяет измерять положение Z источника света с дифракционным ограничением.[24]

Уровни лазерной линии используйте цилиндрическую линзу, чтобы распространить лазерный луч от точки на линию.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Харпер, Дуглас (2001). «Интернет-этимологический словарь». Получено 2007-12-29.
  2. ^ Фредерик Юджин Райт (1911). Методы петрографо-микроскопических исследований, их относительная точность и область применения. Институт Карнеги Вашингтона.
  3. ^ Сацек, Владимир (14 июля 2006 г.). «Астигматизм телескопа». Любительская оптика телескопа. В архиве из оригинала 19 сентября 2008 г.. Получено 16 октября, 2008.
  4. ^ "Факты об астигматизме | Национальный институт глаз". nei.nih.gov. Получено 2019-05-06.
  5. ^ «Лазерная хирургия глаза астигматизма». The Irish Times.
  6. ^ Кляйнштейн Р.Н., Джонс Л.А., Халлетт С., Квон С. и др. (2003). «Ошибка рефракции и этническая принадлежность у детей». Arch. Офтальмол. 121 (8): 1141–7. Дои:10.1001 / archopht.121.8.1141. PMID  12912692.
  7. ^ Гарсия, Калифорния, Орэфис Ф, Нобре Г.Ф., Соуза Дде Б., Роча М.Л., Вианна Р.Н. (2005). «[Распространенность аномалий рефракции у студентов на северо-востоке Бразилии.]». Arq Bras Oftalmol (на португальском). 68 (3): 321–5. Дои:10.1590 / S0004-27492005000300009. PMID  16059562.
  8. ^ Борн Р.Р., Дайн Б.П., Али С.М., Ноорул Хук Д.М., Джонсон Г.Дж. (июнь 2004 г.). «Распространенность аномалии рефракции у взрослых Бангладеш: результаты Национального обследования слепоты и слабовидения в Бангладеш». Офтальмология. 111 (6): 1150–60. Дои:10.1016 / j.ophtha.2003.09.046. PMID  15177965.
  9. ^ Асано К., Номура Н., Ивано М. и др. (2005). «Взаимосвязь между астигматизмом и старением у пожилых и пожилых японцев». Jpn. J. Ophthalmol. 49 (2): 127–33. Дои:10.1007 / s10384-004-0152-1. PMID  15838729.
  10. ^ Eyetopics.com
  11. ^ Medicinenet.com
  12. ^ Hipusa.com В архиве 1 мая 2006 г. Wayback Machine
  13. ^ Hipusa.com В архиве 26 апреля 2006 г. Wayback Machine
  14. ^ Stlukeseye.com В архиве 23 марта 2006 г. Wayback Machine
  15. ^ Emedicine.com В архиве 18 февраля 2006 г. Wayback Machine
  16. ^ Графф Т. (июнь 1962 г.). «[Контроль определения астигматизма с помощью крестообразного цилиндра Джексона.]». Klin Monatsblätter Augenheilkd Augenarztl Fortbild (на немецком). 140: 702–8. PMID  13900989.
  17. ^ Del Priore LV, Guyton DL (ноябрь 1986 г.). «Крестообразный цилиндр Джексона. Переоценка». Офтальмология. 93 (11): 1461–5. Дои:10.1016 / s0161-6420 (86) 33545-0. PMID  3808608.
  18. ^ Брукман К.Е. (май 1993 г.). «Скрещенный цилиндр Джексона: историческая перспектива». J Am Optom Assoc. 64 (5): 329–31. PMID  8320415.
  19. ^ Quantumoptical.com
  20. ^ Nova.edu
  21. ^ «Контактные линзы для коррекции зрения». Американская академия офтальмологии. 2018-09-01. Получено 2019-05-06.
  22. ^ «Очки для коррекции зрения». Американская академия офтальмологии. 2015-12-12. Получено 2019-05-06.
  23. ^ «ЛАСИК глазная хирургия». Клиника Майо. Получено 2019-05-06.
  24. ^ Хуан, Бо (8 февраля 2008 г.). "Трехмерное изображение сверхвысокого разрешения с помощью микроскопии стохастической оптической реконструкции". Наука. 319 (5864): 810–813. Bibcode:2008Sci ... 319..810H. Дои:10.1126 / science.1153529. ЧВК  2633023. PMID  18174397.
  • 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.

внешняя ссылка