Optické vady jsou pojem, který někomu velmi snadno nažene husí kůži. Podivná směs fyzikálních principů optiky a ne moc lehce představitelných situací, které jsou na míle daleko od našich představ "normálního" zobrazení přes brýle. Pokud člověk není nadšený optický konstruktér, tak optické vady bere jako nudnou kapitolu. Mnohdy si ale neuvědomujeme, jak se těmto základním principům všechno podřizuje. Pojďte aspoň trochu nadzvednout pokličku tajemství a odhalte svět optických vad v poněkud přijatelnější formě.

Úvod

Optické vady spadají do oblasti hodnocení kvality brýlových čoček. Jen snad pro úplnost  - spadá zde i technologická kvalita čoček - jejich čirost, absence šlír, bublin a jiných. Druhým pohledem hodnocení kvality je kvalita optického zobrazení, kde spadají i naše oblíbené optické vady. Optické vady ve spojení s celkovou kvalitou optické soustavy můžeme rozdělit, tak jak je to na Obr. 1:

Obr. 1: Obrazová kvalita soustavy.

Toto rozdělení kvality zobrazení plně vystihuje problematiku v celé šíři. Zákaldní geometrie optických vad je základním kritériem při navrhování. V době, kdy nebyla ještě výpočetní technika plně integrována do procesu návrhu, byl návrh optické soustavy poměrně náročnou činností. Postupem času se vyvinuly početní techniky, kdy se nebraly vady samostatně jedna po druhé, ale soustava se definovala pomocí směrodatných konstant. Změna těchto konstant pak relativně dobře vypovídala jak se dílčí vady chovají a k jakým změnám v zobrazování v konečném důsledku dochází. S nástupem výpočetní techniky se návrh optických soustav zcela zautomatizoval a zpřesnil. Geometrické optické vady stavějí na těch nejzákladnějších poučkách a jejich projevy zásadním způsobem ovlivňují návrh brýlových čoček a jejich centrování v brýlové obrubě.

Jedním z nejnovějších trendů v zobrazovací optice jsou vlnové aberace. Rozmach této optické disciplíny je zapříčiněn hlavně technickým pokrokem, který umožnil diagnostikovat touto metodou téměř jakoukoliv optickou soustavu. Rozvojem CCD detektorů a informační technologie se dospělo k velice přesné metodě, která spolehlivě a rychle vyhodnocuje kvalitu přenosu. Máme-li popisovat optické vady pomocí vlnových aberací, zcela určitě si nevystačíme s geometrickou optikou, ale musíme použít zcela odlišné nástroje matematiky (dnes velmi popularizované Zernikeho polynomy). Užitím vlnových aberací se tak vyvinula mocná diagnostická metoda, jinak také zvaná wavefront analýza. Je to silný pomocník v oblasti adaptivních systému a za zmínku určitě stojí, že jsou na ní postaveny nejmodernější refrakční lasery a začíná být také využívána v návrhu designu kontaktních čoček. Vlnové aberace mají neodmyslitelné místo v pozicích optických vad - o těch snad ale někdy jindy.

Syntetické pojetí kvality nám popisuje k jakým obrazovým ztrátám dochází, a detailněji popisuje konkrétnější specifické případy zobrazení. Výsledky těchto charakteristik najdou svou odezvu především ve vědeckých diagnostických metodách. Právě zde se pracuje s jednotkou obrazové informace (pixely), kde je její informační hodnota základním kritériem pro vyhodnocení experimentu. K jakým ztrátám a deformacím dochází, jak je soustava citlivá na detaily, jak je moc závislá na osvětlení, jakou prostorovou frekvenci je schopna přenést a zaznamenat, toto vše popisuje syntetické pojetí kvality (je třeba zmínit, že uvedené charakteristiky nejsou již zcela záležitostí optických médií, ale i samotných čidel – detektorů).

Geometrické vady

V předchozím celkovém dělení byly geometrické vady děleny do jednotné skupiny bez ohledu na jejich vlastnosti. Přihlédneme-li k jejím účinkům, můžeme tyto vady poměrně přesně rozčlenit. Jako hlavní se považuje dělení zda se jedná o vadu, která se projevuje na optické ose nebo mimo optickou osu, zda se projevuje při zobrazování bodu nebo svazkem paprsků a nebo zda se jedná o vadu při zobrazení monochromatickým či barevným světlem. Všechny tyto aspekty jsou shrnuté v následujícím Obr. 2, který lze považovat za výchozí v dělení geometrických vad.

Obr. 2: Dělení geometrických vad.

Abychom mohli hovořit o optických vadách, to je o neideálním optickém zobrazení, musíme si určit jaké je optické zobrazení ideální. Obecně lze optické zobrazení definovat takto:

„Účelem optického zobrazování je učinit předměty viditelnými na jiném místě, a to buď v téže velikosti, nebo častěji ve zvětšeném měřítku." (Havelka, 1955)

Každý zobrazovaný předmět si můžeme představit jako nekonečný počet svítících nebo osvětlených bodů A, B..., z kterých vychází světelné svazky a které pak pomocí optické soustavy přeměníme na jiné světelné svazky s vrcholy A´, B´... Optickou soustavou rozumíme zařízení složené z čoček. Nejjednodušší optická soustava je jedna čočka, což je dvojice ploch uzavírající průhledné prostředí. Prvky optické soustavy jsou centrovány svými vrcholy na optické ose soustavy (centrovaná optická soustava), čímž dosahujeme konstrukční jednotnosti a dobrých podmínek pro kvalitní optické zobrazení. Každá optická soustava využívá základních zákonů lomu a odrazu ke zobrazení předmětu z oblasti předmětové před soustavou, do oblasti obrazové, nacházející se za soustavou (u zdánlivých obrazů před soustavou).

Základy optického zobrazení

Jsou-li paprsky po průchodu soustavou sbíhavé, mluvíme o obrazu skutečném (Obr. 3), vznikne-li obraz po prodloužení v opačném směru šíření paprsku, mluvíme o obrazu neskutečném – zdánlivém (Obr. 4). Z toho také plyne rozdílné označení předmětového a obrazového prostoru. Například u spojek je prostor za soustavou označován jako skutečný obrazový prostor, před soustavou pak jako neskutečný obrazový prostor.

Obr. 3: Vznik skutečného obrazu.

Obr. 4: Vznik neskutečného obrazu.

Je-li zobrazovaný bod (předmět) umístěn na optické ose, mluvíme o osovém zobrazení (Obr. 5), v opačném případě o zobrazení mimoosovém (Obr. 6).

Obr. 5: Osové zobrazení bodu.

Obr. 6: Mimoosové zobrazení bodu.

V teorii ideálního optického zobrazení používáme pojem homocentrický svazek. Jedná se o svazek, který vychází z bodového zdroje a po průchodu optickou soustavou se opět protne v jednom bodě. Existuje obecný požadavek, aby ideální optická soustava neměnila homocentricitu svazku, ale jenom prostorové úhly, v nichž se zobrazovací svazky šíří. Přesnější definici ideálního zobrazení nám poskytuje Maxwellova definice dokonalého přístroje:

„Ideální optické zobrazení by nastalo, kdyby se paprsky, vycházející z bodu, protínaly po průchodu soustavou opět v jediném bodě, kdyby se přímky zobrazovaly jako přímky a roviny jako roviny." (Havelka, 1955)

Jediné ideální zobrazení celého prostoru libovolným svazkem je odraz na rovinné ploše (Obr. 7), v případě lomu na kulové ploše za podmínky uvedené v Obr. 8, a nebo užitím speciálních eliptických nebo parabolických ploch.

Obr. 7: Ideální zobrazení při odrazu na rovinné ploše.

Obr. 8: Bodové (stigmatické) zobrazení kulovou plochou.

Základní element optické soustavy, čočka, poskytuje ideální zobrazení jen ve velice malém omezeném prostoru. Dochází k němu pouze v oblasti velmi blízké optické ose v tzv. paraxiálním prostoru, a to za podmínek velmi úzkého zobrazovacího svazku. V případě širokých paprsků není při zobrazení čočkou splněna ani jedna podmínka bodového zobrazení. Příčinou jsou optické vady, které jsou pro jednotlivé čočky různé. Právě tato skutečnost umožňuje korekci optických vad kombinováním různých typů čoček (typické složité konstrukce objektivů a mikroskopů). V mnoha případech jsou přístroje navrhovány pro pozorování lidským okem, to je orgánem, který neumožňuje vjem ideálního zobrazení. Je-li tedy soustava navržena tak, že lidské oko již není schopno rozeznat vliv vad, mluvíme o soustavě dokonalé.

Při popisu optických vad soustavy se používá několik paprsků, které se nechávají projít soustavou a sledují se jejich průsečíky v obrazovém prostoru – postupuje se od jedné plochy k druhé a výsledkem jsou údaje poukazující na odchylku od ideálního zobrazení.

Použité materiály

1) OPTIKA, Filmová technika a technologie   [online] – Čerpáno 24.1.2005. Dostupný z WWW (Optika.doc): http://famu.aktualne.cz

2) KREJČÍ, A. Vady optického zobrazení – fyzikální rozbor podložený experimentem. Brno: SZŠ a VZŠ, Merhautova – absolventská práce, 2002.

3) HAVELKA, B. Geometrická optika – 1. díl. 1. vydání. Praha: Nakladatelství Československé AV, 1955.