Астигматизм (оптические системы)
Оптическая система с астигматизмом — это система, в которой лучи , распространяющиеся в двух перпендикулярных плоскостях, имеют разные фокусы . используется оптическая система с астигматизмом Если для формирования изображения креста , вертикальная и горизонтальная линии будут четко сфокусированы на двух разных расстояниях. Термин происходит от греческого α- ( а- ), означающего «без» и στίγμα ( стигма ), «знак, пятно, прокол». [1]
Формы астигматизма
[ редактировать ]Существуют две различные формы астигматизма. Первая — это аберрация третьего порядка , которая возникает для объектов (или частей объектов) вдали от оптической оси . Эта форма аберрации возникает даже тогда, когда оптическая система идеально симметрична. Это часто называют «монохроматической аберрацией», поскольку она возникает даже для света одной длины волны . Однако эта терминология может вводить в заблуждение, поскольку величина аберрации может сильно меняться в зависимости от длины волны в оптической системе.
Вторая форма астигматизма возникает, когда оптическая система не симметрична относительно оптической оси. Это может быть связано с конструкцией (как в случае с цилиндрической линзой ) или из-за производственной ошибки на поверхностях компонентов или несоосности компонентов. При этом астигматизм наблюдается даже для лучей, исходящих от точек на оси объекта. Эта форма астигматизма чрезвычайно важна в науке о зрении и уходе за глазами, поскольку человеческий глаз часто демонстрирует эту аберрацию из-за несовершенства формы роговицы или хрусталика .
Астигматизм третьего порядка
[ редактировать ]
При анализе этой формы астигматизма чаще всего рассматривают лучи из данной точки объекта, распространяющиеся в двух определенных плоскостях. Первая плоскость – это касательная плоскость . Это плоскость, включающая в себя как рассматриваемую точку объекта, так и ось симметрии. Лучи, распространяющиеся в этой плоскости, называются тангенциальными лучами . Плоскости, включающие оптическую ось, являются меридиональными плоскостями. Обычно задачи в радиально-симметричных оптических системах упрощают, выбирая точки объекта только в вертикальной (« y ») плоскости. Эту плоскость иногда называют меридиональной плоскостью.
Вторая плоскость, используемая в анализе, — это сагиттальная плоскость . Это определяется как плоскость, ортогональная касательной плоскости, содержащая рассматриваемую точку объекта и пересекающая оптическую ось во входном зрачке оптической системы. Эта плоскость содержит главный луч , но не содержит оптическую ось. Следовательно, это наклонная плоскость, другими словами, не меридиональная плоскость. Лучи, распространяющиеся в этой плоскости, называются сагиттальными лучами .
При астигматизме третьего порядка сагиттальные и поперечные лучи образуют фокусы на разных расстояниях вдоль оптической оси. Эти фокусы называются сагиттальным фокусом и поперечным фокусом соответственно. При наличии астигматизма внеосевая точка объекта не отображается четко оптической системой. резкие линии Вместо этого в сагиттальных и поперечных фокусах образуются . Изображение в поперечном фокусе представляет собой короткую линию, ориентированную в направлении сагиттальной плоскости; изображения кругов с центром на оптической оси или линий, касательных к таким кругам, будут резкими в этой плоскости. Изображение в сагиттальном фокусе представляет собой короткую линию, ориентированную в тангенциальном направлении; изображения спиц, расходящихся из центра, в этом фокусе резкие. Между этими двумя фокусами формируется круглое, но «размытое» изображение. Это называется медиальным фокусом или кругом наименьшего замешательства . Эта плоскость часто представляет собой наилучшее компромиссное расположение изображения в системе с астигматизмом.
Величина аберрации, вызванной астигматизмом, пропорциональна квадрату угла между лучами от объекта и оптической осью системы. При осторожном подходе оптическая система может быть спроектирована так, чтобы уменьшить или устранить астигматизм. Такие системы называются анастигматами .
Астигматизм в системах, не являющихся вращательно-симметричными.
[ редактировать ]
Если оптическая система не является осесимметричной либо из-за ошибки формы оптических поверхностей, либо из-за несоосности компонентов, астигматизм может возникнуть даже для точек объекта, расположенных на оси. Этот эффект часто намеренно используется в сложных оптических системах, особенно в некоторых типах телескопов . Некоторые телескопы намеренно используют несферическую оптику, чтобы преодолеть это явление. [ почему? ] [3] [ не удалось пройти проверку ]
При анализе этих систем принято рассматривать тангенциальные лучи (как определено выше) и лучи в меридиональной плоскости (плоскости, содержащей оптическую ось), перпендикулярной тангенциальной плоскости. Эту плоскость называют либо сагиттально-меридиональной плоскостью , либо, что сбивает с толку, просто сагиттальной плоскостью .
Офтальмологический астигматизм
[ редактировать ]В оптометрии и офтальмологии вертикальная и горизонтальная плоскости обозначаются как тангенциальный и сагиттальный меридианы соответственно. Офтальмологический астигматизм – это ошибка рефракции глаза , при которой наблюдается разница в степени рефракции в разных меридианах. [4] Обычно он характеризуется асферической роговицей профиля роговицы без фигуры вращения, в которой наклон и преломляющая сила в одном меридиане меньше, чем у перпендикулярной оси.
Астигматизм вызывает трудности с рассмотрением мелких деталей. Астигматизм часто можно исправить с помощью очков с линзой , имеющей разные радиусы кривизны в разных плоскостях ( цилиндрическая линза), контактных линз или рефракционной хирургии . [5]
Астигматизм встречается довольно часто. Исследования показали, что от него страдает примерно каждый третий человек. [6] [7] [8] Распространенность астигматизма увеличивается с возрастом. [9] Хотя человек может не заметить легкий астигматизм, более высокий уровень астигматизма может вызвать нечеткость зрения, косоглазие , астенопию , усталость или головные боли . [10] [11] [12]
Существует ряд тестов, которые используются офтальмологами и оптометристами во время осмотра глаз для определения наличия астигматизма и количественной оценки степени и оси астигматизма. [13] Таблица Снеллена или другая глазная таблица может первоначально выявить снижение остроты зрения . Кератометр . можно использовать для измерения кривизны самых крутых и самых плоских меридианов передней поверхности роговицы [14] Топографию роговицы также можно использовать для получения более точного представления формы роговицы. [15] Авторефрактор ретиноскопия или поперечных могут обеспечить объективную оценку ошибки рефракции глаза, а использование цилиндров Джексона в фороптере может использоваться для субъективного уточнения этих измерений. [16] [17] [18] Альтернативный метод с использованием фороптера требует использования «циферблата часов» или диаграммы «солнечных лучей» для определения оси астигматизма и силы. [19] [20]
Астигматизм можно исправить с помощью очков , контактных линз или рефракционной хирургии . [21] [22] [23] Различные соображения, касающиеся здоровья глаз, рефракционного статуса и образа жизни, часто определяют, может ли один вариант быть лучше другого. У пациентов с кератоконусом торические контактные линзы часто позволяют пациентам достичь лучшей остроты зрения, чем очки. Если астигматизм вызван такой проблемой, как деформация глазного яблока из-за халязиона , лечение основной причины устранит астигматизм.
Несоосные или деформированные линзы и зеркала.
[ редактировать ]Шлифование и полировка прецизионных оптических деталей вручную или машиной обычно требует значительного давления вниз, что, в свою очередь, создает значительные боковые давления трения во время полировки, которые могут в совокупности локально изгибать и деформировать детали. Эти искажения обычно не обладают симметрией фигуры вращения и, таким образом, являются астигматическими и медленно затираются до поверхности, если проблемы, вызывающие искажения, не исправлены. Астигматические, искаженные поверхности потенциально могут привести к серьезному ухудшению характеристик оптической системы.
Искажение поверхности из-за шлифовки или полировки увеличивается с увеличением соотношения сторон детали (отношение диаметра к толщине). В первом порядке прочность стекла увеличивается пропорционально кубу толщины. Толстые линзы с соотношением сторон от 4:1 до 6:1 будут изгибаться гораздо меньше, чем детали с высоким соотношением сторон, такие как оптические окна, которые могут иметь соотношение сторон 15:1 или выше. Сочетание требований к точности поверхности или волнового фронта и соотношения сторон детали определяет требуемую степень однородности задней опоры, особенно во время более высоких прижимных давлений и боковых сил во время полировки. Оптическая обработка обычно предполагает определенную степень хаотичности, которая значительно помогает сохранить поверхности с фигурой вращения, при условии, что деталь не прогибается во время процесса шлифовки/полировки.
Преднамеренный астигматизм в оптических системах
[ редактировать ]В проигрывателях компакт-дисков для фокусировки используется астигматическая линза. Когда одна ось находится в фокусе больше, чем другая, точечные элементы на диске проецируются на овальные формы. Ориентация овала указывает, какая ось находится в фокусе больше и, следовательно, в каком направлении должна двигаться линза. Квадратное расположение всего четырех датчиков позволяет обнаружить это смещение и использовать его для наилучшей фокусировки считывающей линзы, не давая себя обмануть продолговатыми ямками или другими особенностями на поверхности диска. [ нужна ссылка ]
В 3D PALM/STORM , типе оптической микроскопии сверхвысокого разрешения , в систему визуализации можно ввести цилиндрическую линзу для создания астигматизма, что позволяет измерить положение Z источника света с дифракционным ограничением. [24]
Лазерные линейные уровни используют цилиндрическую линзу для распространения лазерного луча из точки в линию.
См. также
[ редактировать ]- Анастигмат (тип линзы)
- Стигматизм
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Харпер, Дуглас (2001). «Онлайн-этимологический словарь» . Проверено 29 декабря 2007 г.
- ^ Фредерик Юджин Райт (1911). Методы петрографо-микроскопических исследований, их относительная точность и область применения . Институт Карнеги в Вашингтоне.
- ^ Сачек, Владимир (14 июля 2006 г.). «Телескопический астигматизм» . Оптика любительских телескопов . Архивировано из оригинала 19 сентября 2008 года . Проверено 16 октября 2008 г.
- ^ «Факты об астигматизме | Национальный глазной институт» . nei.nih.gov . Архивировано из оригинала 2 октября 2016 г. Проверено 6 мая 2019 г.
- ^ «Лазерная хирургия глаза при астигматизме» . Ирландские Таймс . Архивировано из оригинала 24 октября 2012 г. Проверено 29 августа 2011 г.
- ^ Кляйнштейн Р.Н., Джонс Л.А., Халлетт С., Квон С. и др. (2003). «Нарушение рефракции и этническая принадлежность детей» . Арх. Офтальмол . 121 (8): 1141–47. дои : 10.1001/archopht.121.8.1141 . ПМИД 12912692 .
- ^ Гарсия К.А., Орефис Ф., Нобре Г.Ф., Соуза Дде Б., Роша М.Л., Вианна Р.Н. (2005). «[Распространенность аномалий рефракции у студентов на северо-востоке Бразилии.]» . Арк Брас Офтальмол (на португальском языке). 68 (3): 321–25. дои : 10.1590/S0004-27492005000300009 . ПМИД 16059562 .
- ^ Борн Р.Р., Дайнин Б.П., Али С.М., Нурул Хук Д.М., Джонсон Дж.Дж. (июнь 2004 г.). «Распространенность аномалий рефракции у взрослых Бангладеш: результаты Национального исследования слепоты и слабовидения в Бангладеш». Офтальмология . 111 (6): 1150–60. дои : 10.1016/j.ophtha.2003.09.046 . ПМИД 15177965 .
- ^ Асано К., Номура Х., Ивано М. и др. (2005). «Связь между астигматизмом и старением у японцев среднего и пожилого возраста». Япония. Дж. Офтальмол . 49 (2): 127–33. дои : 10.1007/s10384-004-0152-1 . ПМИД 15838729 . S2CID 20925765 .
- ^ Eyetopics.com
- ^ Medicinenet.com
- ↑ Hipusa.com. Архивировано 1 мая 2006 г., в Wayback Machine.
- ↑ Hipusa.com. Архивировано 26 апреля 2006 г., в Wayback Machine.
- ^ Stlukeseye.com. Архивировано 23 марта 2006 г., в Wayback Machine.
- ↑ Emedicine.com. Архивировано 18 февраля 2006 г., в Wayback Machine.
- ^ Графф Т. (июнь 1962 г.). «[Контроль определения астигматизма с помощью крестового цилиндра Джексона.]». Клинские ежемесячные бюллетени Augenheilkd Augenarztl, фотография тренировки (на немецком языке). 140 :702-08. ПМИД 13900989 .
- ^ Дель Приоре Л.В., Гайтон Д.Л. (ноябрь 1986 г.). «Кросс-цилиндр Джексона. Переоценка». Офтальмология . 93 (11): 1461–65. дои : 10.1016/s0161-6420(86)33545-0 . ПМИД 3808608 .
- ^ Брукман К.Е. (май 1993 г.). «Скрещенный цилиндр Джексона: историческая перспектива». J Am Optom Assoc . 64 (5): 329–31. ПМИД 8320415 .
- ^ Quantumoptical.com
- ^ Nova.edu
- ^ «Контактные линзы для коррекции зрения» . Американская академия офтальмологии . 01.09.2018 . Проверено 6 мая 2019 г.
- ^ «Очки для коррекции зрения» . Американская академия офтальмологии . 12 декабря 2015 г. Проверено 6 мая 2019 г.
- ^ «ЛАСИК глазная хирургия» . Клиника Мэйо . Проверено 6 мая 2019 г.
- ^ Хуан, Бо (8 февраля 2008 г.). «Трехмерная визуализация сверхвысокого разрешения с помощью микроскопии стохастической оптической реконструкции» . Наука . 319 (5864): 810–13. Бибкод : 2008Sci...319..810H . дои : 10.1126/science.1153529 . ПМК 2633023 . ПМИД 18174397 .
- Грейвенкамп, Джон Э. (2004). Полевое руководство по геометрической оптике . Полевые руководства SPIE, том. ФГ01 . ШПИОН. ISBN 978-0-8194-5294-8 .
- Хехт, Юджин (1987). Оптика (2-е изд.). Эддисон Уэсли. ISBN 978-0-201-11609-0 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Статьи об астигматизме
- Пола ван Валри Астигматизм и кривизна поля