レンズの収差。 光学系の収差

1. 収差理論の紹介

レンズの性能について語るときによく耳にする言葉です。 異常。 「これは優れたレンズで、すべての収差が実質的に補正されています。」という主張は、ディスカッションやレビューでよく見かけられます。 たとえば、「これは素晴らしいレンズです。残留収差がよく表現されており、非常にプラスチック的で美しいパターンを形成しています。」など、正反対の意見を聞くことはそれほど一般的ではありません...

なぜそのようなことが起こるのでしょうか？ さまざまな意見? この現象がレンズや写真ジャンル全般にとってどの程度良いのか悪いのか、という質問に答えてみたいと思います。 まずは、写真レンズの収差とは何かを理解してみましょう。 理論といくつかの定義から始めます。

一般的にはこの用語を使用します 収差 (緯度 ab-「から」 + 緯度 errare 「さまよう、間違われる」) は、標準からの逸脱、エラー、システムの正常な動作のある種の混乱です。

レンズ収差- 光学系のエラー、または画像エラー。 これは、実際の環境では、計算された「理想的な」光学システム内での光線の進行方向からの大幅な逸脱が発生する可能性があるという事実によって引き起こされます。

その結果、中央のシャープネスの不足、コントラストの低下、エッジのひどいぼやけ、幾何学形状と空間の歪み、色のハローなど、一般に受け入れられている写真画像の品質が損なわれます。

写真レンズに特有の主な収差は次のとおりです。

1. コマ収差。
2. ねじれ。
3. 乱視。
4. 画像フィールドの曲率。

それぞれを詳しく見る前に、理想的な光学系で光線がどのようにレンズを通過するかを記事から思い出してみましょう。

病気。 1. 理想的な光学系における光線の通過。

ご覧のとおり、すべての光線は 1 つの点 F (主焦点) に集められます。 しかし実際には、すべてははるかに複雑です。 光学収差の本質は、1 つの発光点からレンズに入射する光線が 1 点に集まらないことです。 では、光学系にさまざまな収差があるとどのようなずれが生じるかを見てみましょう。

ここで、単純なレンズと複雑なレンズの両方で、以下に説明するすべての収差が一緒に作用することにもすぐに注意する必要があります。

アクション 球面収差レンズの端に入射する光線は、レンズの中央部に入射する光線よりもレンズの近くに集められるということです。 その結果、平面上の点の像がぼやけた円または円盤の形で表示されます。

病気。 2. 球面収差。

写真では、球面収差の影響が柔らかい画像として現れます。 この影響は特に開放絞りで顕著であり、絞りが大きいレンズほどこの収差の影響を受けやすくなります。 輪郭の鮮明さが維持される場合、このようなソフト効果は、ポートレートなど、一部の種類の写真に非常に役立ちます。

Ill.3. 球面収差の作用による、開放絞りでのソフトな効果。

球面レンズだけで作られたレンズでは、この種の収差を完全に除去することはほとんど不可能です。 超明るいレンズの中で唯一、 効果的な方法その重要な補償は、光学設計における非球面要素の使用です。

3. コマ収差、または「コマ」

これ プライベートビューサイドビームの球面収差。 その効果は、光軸に対してある角度で到達する光線が一点に集まらないという事実にあります。 この場合、画面端の発光点の像は点ではなく、「彗星」のような形で得られる。 コマ収差により、画像の焦点の合っていない領域が露出過度になる場合もあります。

病気。 4. 昏睡状態。

病気。 5. 写真画像の昏睡状態

これは光の分散の直接的な結果です。 その本質は、レンズを通過する白色光線がその構成要素である色の光線に分解されることです。 短波長の光線 (青、紫) は、長焦点の光線 (オレンジ、赤) よりもレンズ内でより強く屈折し、レンズの近くに収束します。

病気。 6.色収差。 F - 紫光線の焦点。 K - 赤い光線の焦点。

ここで、球面収差の場合と同様に、平面上の光点の像は、ぼやけた円/円盤の形で得られます。

写真では、色収差は被写体の余分な色合いや色付きの輪郭として現れます。 収差の影響は、コントラストのあるシーンで特に顕著です。 現在、RAW 形式で撮影された場合、CA は RAW コンバーターで簡単に補正できます。

病気。 7. 色収差の発現例。

5.ディストーション

歪みは、写真の幾何学形状の曲率や歪みとして現れます。 それらの。 画像のスケールは、フィールドの中心からエッジまでの距離に応じて変化します。その結果、直線が中心に向かって、またはエッジに向かって曲がります。

区別する 樽型または ネガティブ(広角で最も一般的) および クッション型または ポジティブ歪み（長い焦点距離でより多く見られます）。

病気。 8. 糸巻き型歪みと樽型歪み

歪みは通常、固定焦点距離 (固定) のレンズよりも可変焦点距離 (ズーム) のレンズではるかに顕著です。 フィッシュアイなどの一部の素晴らしいレンズは、意図的に歪みを補正せず、さらには強調します。

病気。 9. レンズの顕著な樽型歪みゼニタール 16mm魚の目。

可変焦点距離のレンズを含む最新のレンズでは、非球面レンズ (または複数のレンズ) を光学設計に導入することにより、歪みが非常に効果的に補正されます。

6. 乱視

乱視（ギリシャのスティグマから - ポイント）は、点の形でもディスクの形でも、フィールドの端にある発光点の画像を取得することが不可能であることを特徴としています。 この場合、光主軸上にある輝点は点として透過されますが、光軸外にある場合は黒ずみや交差線などとして透過されます。

この現象は、画像の端で最もよく観察されます。

病気。 10. 乱視の発現

7. 像面湾曲

像面湾曲- これは収差であり、その結果、レンズの光軸に垂直な平らな物体の像がレンズの凹面または凸面上に存在します。 この収差により、画像フィールド全体で不均一な鮮明度が発生します。 画像の中央部分に鮮明に焦点が合っている場合、画像の端は焦点が合わず、鮮明に見えません。 画像の端に沿ってシャープネスを調整すると、画像の中央部分がぼやけます。

光学系の収差(ラテン語より 収差– 偏差） – 光学システムによって形成された画像の歪み、誤差、またはエラー。 それらが発生する原因は、理想に近い光学系においてビームが進むべき方向からずれることにあります。 光学系から出てくる光線の構造における均一中心性 (区別性、対応性、または色) のさまざまな違反が収差の特徴となります。

光学システムにおける最も一般的なタイプの収差が考えられます。

1. 球面収差。イメージが乏しいのが特徴です。 これにより、物体の一点から発せられ光学系の軸付近を通過する光線と、光学系の軸から離れた部分を通過する光線が一点に集まらない。

2. 誰に。光学系を光線が斜めに通過する際に発生する収差の名称です。 この結果、光線の軸に対する対称性の違反が観察され、点の画像 (システムによって作成される) は非対称の散乱スポットの形になります。

3. 乱視。について b この収差は、光波が光学系を通過する際に変形を受けるときに発生すると言われています。 この結果、物体の 1 点から発せられる光線が 1 点で交差せず、互いに一定の距離を隔てた 2 つの相互に直交するセグメントに位置する変形が観察されます。 このようなビームは非点収差と呼ばれます。

4. ねじれ。これは収差の名前であり、物体と物体の画像の間の幾何学的類似性の違反を特徴とします。 これは、画像の異なる領域における線形光学倍率の違いによって引き起こされます。

5. 画像フィールドの曲率。この収差では、平らな物体の像が、本来あるべき平面上ではなく、曲面上では鮮明になるというプロセスが観察されます。

光学系における上記のタイプの収差はすべて、幾何収差またはザイデル収差と呼ばれます。 実際のシステムでは、特定の種類の幾何学的な収差が非常にまれに見つかることがあります。 あらゆる異常の共生が観察されることがはるかに多くなります。 そして選考方法は 個々の種収差は、現象の分析を容易にするために設計された人工的な手法です。

同時に、色収差も存在します。 これの間にはつながりがあります 収差の種類と光学媒体の屈折率の光の波長への依存性について。 この収差の現象は、屈折材料で作られた要素を含む光学システムで観察されます。 例としてレンズ。 また、鏡は無彩色であるという特徴があることにも注意してください。

色収差の発現は、画像に無関係な色が現れる場合や、物体の画像に、その物体では以前には観察されなかった色の輪郭が現れる場合に観察されます。 色収差は、光学媒体の分散 (光学材料の屈折率が透過する光波の長さに依存すること) によって発生します。 それらから光学システムが形成されます

これらの収差には、色収差または位置色収差（「軸上色収差」と呼ばれることもあります）および色収差または倍率色収差が含まれます。

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怖いタイトルのこの記事では、レンズの光学歪みの特徴について考察していきます。 広角で撮影すると、フレームの端が歪んでいることに気づきましたか? 逆光で写真を撮ろうとすると、オブジェクトの周囲にピンク、青、または緑がかった縁が現れますか? 気づいていない場合は、もう一度見てください。 それまでの間、なぜこれが起こるのかを考えてみましょう。

まず、理想的な光学系 (つまり、この場合はレンズ) は存在しないという事実を理解し、受け入れる必要があります。 各光学システムには固有の歪みがあり、現実を画像 (写真) に投影する際に生じます。 光学系の歪みは科学的には次のように呼ばれます。 異常、つまり 規範または理想からの逸脱。

さまざまな光学系の収差は、 さまざまな形より目立つか、ほとんど見えなくなります。 一般に、レンズが高価であればあるほど、その光学系の品質が良くなり、収差が少なくなります。

収差の種類

写真における「収差」という言葉自体は、「色収差」と組み合わせて使用​​されることがほとんどです。 すでにご想像のとおり、 色収差- レンズの光学系の特性によって生じる歪みの一種で、色ずれとして表現されます。 色収差の代表的な例としては、被写体の端に不自然な色の輪郭が現れることが挙げられます。 色収差は、画像の高コントラスト領域の輪郭に最もはっきりと現れます。 たとえば、明るい空を背景に撮影した木の枝の境界線や、 でポートレートを撮影した場合の髪の輪郭に沿って撮影します。

色収差の原因は、レンズを構成するガラスの分散などの光学現象です。 ガラス分散液それは光の波ですか 異なる長さ（異なる色のスペクトルの）レンズを通過すると、異なる角度で屈折します。 白色光（異なる長さの光波のスペクトル全体が含まれています。つまり、 異なる色）、対物レンズを通過すると、最初にカラースペクトルに分解され、次にカメラマトリックスに画像を投影するためのビームに再組み立てされます。 その結果、色光の屈折角の違いにより、結像時にずれが生じてしまう。 これは、画像内の色分布の誤差として反映されます。 このため、被写体には存在しなかった色付きの輪郭、色付きの斑点、または縞が写真に現れることがあります。

色収差程度の差はほとんどすべてのレンズに固有のものです。 安価な光学系は、エリートシリーズのレンズよりもはるかに貧弱です。 光学システムの設計段階で、メーカーは色消しレンズを使用することで色収差を最小限に抑えることができます。 秘密 アクロマートレンズ特徴は、光の屈折率が低いガラスと高い光の屈折率の 2 種類のガラスで構成されている点です。 光の屈折率の異なる材料の組み合わせの割合を選択することで、白色光を分割する瞬間の光波の偏りを小さくすることができます。

レンズに色消しレンズが含まれていないとしても、あまり動揺しないでください。 色収差主に撮影時に発生します。 困難な状況照明の影響で、80 ～ 100% の倍率で写真を見た場合にのみ非常に目立ちます。 さらに、このような光学的エラーを排除できるグラフィック エディタでの処理をキャンセルする人は誰もいませんでした。 これを行う方法については、次の記事「レンズのエラーを修正する」(近日公開予定) を参照してください。

別のタイプのレンズ収差には、一般にレンズ歪みと呼ばれる幾何学的歪みが含まれます。 レンズの歪みフレームの端に近い位置にあるオブジェクトの比率が歪むという形で現れます。 話し中 科学言語、歪みがあると、視野内のオブジェクトの直線的な増加が不均一に発生します。 その結果、フレームの端にあるオブジェクトが不自然に平らになったり、長く見えたりします。

歪みの性質に基づいて、次の 2 つのタイプがあります。 歪みの種類： ポジティブ （ 凹面またはクッション型）とネガティブ（ 凸型または樽型）。 フレーム内に幾何学的歪みが観察されない場合、歪みはないと言えます。 この場合、画像は滑らかで平坦に見えます。下の画像の完全に真っ直ぐな水平線に注目してください。 通常、風景写真で幾何学的な歪みに気づきやすいのは、地平線に沿った場所です。

歪みは使用時に最も顕著になります。 また、レンズの視野角が大きくなるほど（焦点距離が短くなるほど）、その傾向はより顕著になります。 幾何学的な収差 。 おそらく、ワイドで撮影すると、垂直線と水平線がフレームの端に近づくにつれて湾曲することに気づいたでしょう。 最も印象的な例 レンズの歪み- 超広角魚眼レンズで撮影した写真です。 しかし、魚眼の場合、歪みは光学系のエラーや欠陥ではありません。 むしろ、レンズの視野角を 180 度 (さらにはそれ以上) に拡大できるのが特徴です。

広角レンズ使用時（FR）<24 мм) можно наблюдать бочкообразную (вогнутую) дисторсию, при использовании длиннофокусных объективов (ФР>200mm）糸巻き型（凸型）歪みが出る場合があります。 平均値のレンズ 焦点距離フレーム フィールド全体の幾何学的歪みは、通常、一般的なものではありません。

広角レンズはプロポーションを歪め、焦点距離 70 ～ 200 mm のレンズは歪みを滑らかにすると言われるのはこのためです。 だからこそ、顔と体型の比率を歪めない70〜200 mmのレンズでポートレートを撮影するのが通例です。 しかし、大きく開いて撮影したポートレートはコミカルに見え、特別な風刺効果を生み出すためにのみ使用されます。 また、撮影点と被写体との距離が近くなるほど、プロポーションの歪みは大きくなります。 たとえば、ビル・クリントンの有名な肖像画（下の写真）のように、頭は他の人に比べて不釣り合いに小さく見えます。 大きな手そして膝。 しかし、この場合、これはまさに写真家の創造的なアイデア、作者のスタイルです。 広角レンズを使用することで、人物との結びつきを鮮明に表現することができました。 元大統領アメリカ合衆国。

色収差と同じように、 ねじれレンズ設計時に補正可能です。 この目的のために、 非球面レンズ、歪みが補正されたレンズはと呼ばれます。 非球面。 説明の中でそのような名前 (ASP) を見たことがあるかもしれません。 技術的特徴レンズに。 このようなレンズは通常、球面レンズよりも高価ですが、撮影時には歪みなくフレーム内のオブジェクトのプロポーションを伝えます。 ただし、比較的安価なシグマ 10-20 mm F4-5.6 EX DC HSM レンズがあり、最大視野角 102 度でも滑らかな画像が得られます。

広角レンズが 幾何学的な収差したがって、これを修正するには 2 つの方法があります。

1. ズームレンズを使用している場合は、焦点距離を長めに設定し、数歩後退するだけで済みます。 したがって、フレーム内では同じ構図が得られますが、焦点距離を変更することで歪みを取り除くことができます。
2. 幾何学的な収差は、グラフィック エディタ (主に Photoshop) を使用して修正できます。 ただし同時に、曲率を修正するときにフレームの端でトリミングが発生するため、写真内のオブジェクトの一部が失われることを覚悟してください。 これを行う方法については、次の記事を読んでください。

私たちは学校で物理学の「光学」のセクションを勉強するときに、完全な光学装置としての目という概念を学びます。 高等または中等専門分野で関連する科学を学ぶとき 教育機関この目の概念が統合され、追加の情報が取得されます。 したがって、S.N.の声明は次のとおりです。 目は不完全な道具であり、眼科医の仕事はそれを改善することであるというフョードロフ氏は、長い間、多くの医師たちに懐疑的な見方をされていました。

最も単純な望遠鏡を設計する場合でも、光学系の焦点を 1 点に合わせる (望遠鏡の近視、遠視、乱視を排除する) だけでなく、得られる画像の品質を確保することも必要です。 望遠鏡を構成するレンズは、次のもので作られていなければなりません。 良いガラスほぼ理想的な形状で、表面はよく仕上げられています。 そうしないと、画像が不鮮明になったり、歪んだり、ぼやけたりします。 それが、収差の研究、つまり屈折の最小の粗さと不均一さの研究が始まったときです。 そして、目の収差を特定し測定するための装置の出現により、収差測定という新しい次元が眼科に加わりました。

収差はさまざまな次数になる可能性があります。 最も単純で最もよく知られている収差は、実際には近視、遠視、乱視です。 それらは、焦点ぼけまたは二次の低次収差と呼ばれます。 収差 高次のまさに同じ粗さと屈折の不均一さです。

高次収差もいくつかの次数に分類されます。 視覚の質は主に 7 次までの収差によって影響を受けることが一般に受け入れられています。 認識を容易にするために、単色収差の種類を屈折不均一の 3 次元モデルとして表示する一連のゼルニケ多項式があります。 これらの多項式のセットにより、目の屈折の不均一を多かれ少なかれ正確に表示できます。

異常は 3 つの主要なグループに分類されます。

高次の単色収差:

• 球面収差、
• コマ、
• 斜めビームの非点収差、
• 像面湾曲、歪曲収差、
• 不規則な収差。

高次の単色収差の複合体を記述するには、Zernike (Zernike) 数学的形式主義の多項式が使用されます。 それらがゼロに近く、波面 RMS の二乗平均平方根偏差 (二乗平均平方根) が波長未満か 0.038 μm (マレシャル基準) に等しい場合は良好です。 ただし、これらは屈折矯正手術の微妙な点です。

ゼルニケ多項式の標準表は、7 次までの収差の 3 次元図の一種です。

• 焦点をぼかす、
• 乱視、
• 斜めビームの非点収差、
• コマ、
• 球面収差、
• シャムロック、
• 四葉などから八葉（三つ葉、四葉、五葉、六葉など）まで。

「トレフォイル」は、光パワーが増加した円の 3 ～ 8 つの均一なセクターです。 それらの発生は、角膜の硬化肋骨の一種である実質原線維の主な求心方向に関連している可能性があります。

目の収差パターンは非常にダイナミックです。 単色収差は色収差を覆い隠します。 暗い部屋で瞳孔が拡大すると、球面収差は増加しますが、回折収差は減少し、その逆も同様です。 加齢に伴う調節能力の低下に伴い、以前は刺激となって調節の精度を高めていた高次収差が、視力の質を低下させ始めます。

したがって、現時点では、ポジティブと 悪影響それぞれの人の視力のさまざまな種類の収差。

異常の原因

誰もがそれらを持っています。 これらは目の個々の屈折マップを構成します。 最新のデバイス 15% の人の視力の質に何らかの影響を与える高次の異常を検出します。 しかし、誰もが屈折の個別の特性を持っています。

収差の供給者は角膜と水晶体です。

異常の原因としては次のようなものが考えられます。

• 先天異常（視力にほとんど影響を及ぼさない非常に小さな凹凸、黒子）。
• 角膜損傷（角膜の傷跡が周囲の組織を締め付け、角膜の真球度を奪います）。
• 手術（放射状角膜切開術、角膜切開によるレンズ除去、レーザー矯正、熱角膜形成術、および角膜に対するその他の手術）。
• 角膜疾患（角膜炎、白内障、円錐角膜、球角膜の結果）。

眼科医が収差に注目する理由は次のとおりです。眼科手術。 収差を無視し、視力の質に及ぼす影響を考慮していなかった眼科は、かなり長い間存在していました。 これに先立って、異常が研究され、異常と闘われていました。 マイナスの影響望遠鏡、望遠鏡、顕微鏡のメーカーのみ。

角膜または水晶体の手術 （角膜切開を意味します）高次収差が数桁増加し、術後の視力の低下につながる場合があります。 したがって、人工レンズの移植、角膜切開術、およびレーザー矯正が眼科診療に広く導入されたことは、診断機器の発展に貢献しました。角膜の屈折マップを分析するケラトトポグラフが登場し、現在では角膜の前面から波面全体を分析する収差計が登場しています。角膜から網膜まで。

レーシックによって引き起こされる異常

• 焦点のぼけ（近視、遠視）を矯正することにより、屈折矯正外科医は患者に高次の収差を加えます。
• マイクロケラトームによる角膜皮弁の形成は、高次収差の増加につながります。
• レーシック中の合併症は高次異常の増加につながります。
• 治癒プロセスにより、高次の異常が増加します。

スリット光を用いたエキシマレーザーでは微細な凹凸や凹凸を除去することはできませんでした。 ポイントアブレーションの可能性を備えた装置が発明され、生産されています。つまり、一部のモデルではレーザービームの直径が1ミリメートル未満です。 ゼルニケ多項式の使用が実際に導入されました コンピュータプログラム、収差計から取得したデータを自動的に変換できます。 個人カードレーザー設備の屈折をビームを制御するアルゴリズムに組み込み、残留デフォーカスだけでなく高次の収差も除去します。ゼルニケ多項式は一連のツールとなり、それぞれが複合収差の特定の成分を除去するように設計されています。

このような個別化されたレーザーアブレーションを実行する場合、角膜はその形状が光学的に理想的な球のレベルに近づく必要があります。

高次収差

色、斜光線の乱視、コマなど。これらはすべて一緒になって網膜上に周囲の世界の像を形成しますが、その認識は人によって厳密に異なります。

• 球面収差。両凸レンズの周辺を通過する光は、中心よりも強く屈折します。 目の球面収差の主な「供給者」は水晶体であり、次に角膜です。 瞳孔が広いほど、つまり視覚行為に関与するレンズの部分が大きくなるほど、球面収差はより顕著になります。

  屈折矯正手術では、球面収差は人工レンズ、レーシック、およびレーシックによって最も頻繁に引き起こされます。レーザー熱角膜形成術。

• 光束の傾き角の収差。屈折面の非球面性とは、光学系の軸外にある発光点の像中心間の不一致のことである。 それらは、大きな傾斜角の収差（斜光線の非点収差）と小さな傾斜角の収差（コマ収差）に分けられます。

  昏睡は、蘇生者の既知の診断とは何の関係もありません。 その収差パターンは、角膜の光学中心に位置し、線で 2 つの均等な半分に分割された円に似ています。 半分の一方は高い光パワーを持ち、もう一方は低い光パワーを持っています。 このような収差があると、人は光点をコンマとして認識します。 このような収差を持つ人々は、物体を説明するとき、「尾」、「影」、「追加の輪郭」、「複視」という言葉を使います。 これらの光学効果の方向 (収差子午線) は異なる場合があります。 昏睡の原因は、目の光学系の先天的または後天的な不均衡である可能性があります。 角膜の光軸（レンズの焦点が位置する）はレンズの軸と一致せず、光学系全体の焦点は網膜の中心である黄斑にありません。 昏睡も円錐角膜の屈折異常の構成要素の 1 つである可能性があります。 レーシック中、レーザー切除ゾーンの偏心や、遠視のレーザー矯正中の角膜の治癒特性の結果として、昏睡が現れることがあります。

• ねじれ- オブジェクトとその画像の間の幾何学的類似性の侵害 - 歪み。 光軸から異なる距離にある物体の点は、異なる倍率で表示されます。

レーザー補正は収差補正の独占ではありません。 いくつかの種類の高次収差を補償する人工レンズおよびコンタクトレンズがすでに開発されています。