Аберрации и параллакс оптических прицелов

21 Марта 2019
Аберрации и параллакс оптических прицелов

Аберрации и параллакс оптических прицелов



В связи с большим распространением среди людей, близких к стрелковому спорту (снайпер - тоже спортсмен) и охоте, большого количества разнообразных оптических приборов (биноклей, зрительных труб, телескопических и коллиматорных прицелов) все чаще стали возникать вопросы, связанные с качеством изображения, даваемого такими приборами, а также о факторах, влияющих на точность прицеливания. 

Так как народ у нас все больше с образованием и/или имеющий доступ к Интернету, то большинство все же где-то слышало или видело такие связанные с данной проблемой слова, как ПАРАЛЛАКС, АБЕРРАЦИЯ, ДИСТОРСИЯ, АСТИГМАТИЗМ и т.п. 
Так что же это такое и так ли оно на самом деле страшно?

Аберрации оптического прицела – это последнее, о чём стоит думать его владельцу. Они практически не влияют на точность выстрела. Тем не менее, если Вы не знаете, чем занять своё время, прочтение данной статьи поможет Вам разобраться в многообразии оптических аберраций и в методах борьбы с ними, что, конечно же, бесценно для общего развития в этой области.

Аберрации оптической системы (в нашем случае – оптического прицела) – это несовершенство изображения, которое вызывается отклонением лучей света от пути, по которому они должны были бы следовать в идеальной (абсолютной) оптической системе.

Свет от всякого точечного источника, пройдя через идеальную оптическую схему, должен был бы формировать бесконечно малую точку на плоскости матрицы или плёнки.
На деле этого, естественно, не происходит, и точка превращается в т.н. пятно рассеяния, но инженеры-оптики, разрабатывающие оптические схемы прицелов, стараются приблизиться к идеалу насколько это возможно.

Различают монохроматические аберрации, в одинаковой степени присущие лучам света с любой длиной волны, и хроматические, зависящие от длины волны, т.е. от цвета.

Монохроматические аберрации

В 1857 году немецкий математик и астроном Филип Людвиг Зейдель выявил и математически описал пять т.н. монохроматических аберраций третьего порядка. Вот они:

  • Сферическая аберрация
  • Кома
  • Астигматизм
  • Кривизна поля изображения
  • Дисторсия

Настоящая статья написана для охотников, а не для математиков, а потому нас, прежде всего, интересует не то, какие формулы описывают каждую из аберраций, а то, как аберрации проявляют себя в практической фотографии.

Рассмотрим их по порядку.

Сферическая аберрация

Особенность сферической линзы такова, что лучи света, проходящие через линзу вблизи её края, преломляются сильнее, чем лучи, проходящие через центр. Объясняется это тем, что исходно параллельные лучи света падают на сферическую поверхность линзы под разными углами. Чем дальше лежит путь луча от оптической оси объектива, тем больше угол его падения, и тем сильнее он преломляется. В конечном итоге это приводит к невозможности сфокусировать точку иначе как в виде размытого по краям пятна, и всё изображение оказывается нерезким.

Идеальная линза
Ход световых лучей в идеальной линзе.

Сферическая аберрация
Ход лучей при сферической аберрации.

Искусственное диафрагмирование объектива прицела заметно уменьшает сферическую аберрацию, поскольку при уменьшении отверстия диафрагмы отсекается часть лучей, проходящая через край линзы, а оставшиеся вблизи оптической оси лучи формируют более резкое изображение.
Минусом этого пути является уменьшение поля зрения и появление так называемого "тоннельного эффекта", когда при взгляде через прицел на заданном производителем расстоянии от глаза до окуляра, мы наблюдаем визуальное изображение цели очерченное толстым темным "кольцом", что крайне раздражает при прицеливании в динамике, когда мы пытаемся "поймать" нашу быстро передвигающуюся цель в поле обзора прицела.

При конструировании объективов прицелов сферические аберрации устраняются комбинированием положительных и отрицательных линз, а также применением специальных асферических элементов, т.е. линз, преломляющая поверхность которых имеет асферическую форму, с тем расчётом, чтобы, вне зависимости от удалённости лучей света от оптической оси объектива, все они преломлялись по возможности одинаково, и в итоге сходились при фокусировке в одну точку. Чрезмерное исправление сферических аберраций, кстати, также ни к чему хорошему не приводит: пятно рассеяния становится ярче по краям, нежели в центре, что проявляется в виде кольцеобразного боке.

Кома

Коматическая аберрация или кома возникает, когда лучи света проходят через линзу под углом к оптической оси. В результате изображение точечных источников света приобретает по краям кадра вид асимметричных пятен каплеобразной (или, в тяжёлых случаях, кометообразной) формы.

Кома
Коматическая аберрация.

Кома бывает заметна по краям изображения при наблюдении в недорогие оптические прицелы малой кратности ("загонники"). Поскольку диафрагмирование уменьшает количество лучей, проходящих через край линзы, оно, как правило, устраняет и коматические аберрации.

Конструкционно с комой борются примерно так же, как и со сферическими аберрациями.

Астигматизм

Астигматизм проявляется в том, что для наклонного (не параллельного оптической оси объектива) пучка света лучи, лежащие в меридиональной плоскости, т.е. плоскости, которой принадлежит оптическая ось, фокусируются отличным образом от лучей, лежащих в сагиттальной плоскости, которая перпендикулярна плоскости меридиональной. Это, в конечном итоге приводит к асимметричному растягиванию пятна нерезкости. Астигматизм заметен по краям изображения, но не в его центре.

Астигматизм труден для понимания, поэтому я попробую проиллюстрировать его на простом примере. Если представить, что изображение буквы А находится в верхней части кадра, то при астигматизме объектива оно бы выглядело так:

Меридиональный фокус.
Сагиттальный фокус.
При попытке достичь компромисса мы получаем универсально нерезкое изображение.
Исходное изображение без астигматизма.

Для исправления астигматической разности меридионального и сагиттального фокусов требуется не менее трёх элементов (обычно два выпуклых и один вогнутый).

Очевидный астигматизм в современном объективе указывает обычно на непараллельность одного или нескольких элементов, что является однозначным дефектом.

Кривизна поля изображения

Под кривизной поля изображения подразумевают характерное для весьма многих объективов явление, при котором резкое изображение плоского объекта фокусируется объективом не на плоскость, а на некую искривлённую поверхность. Например, у многих недорогих "загонников" наблюдается выраженная кривизна поля изображения, в результате которой края кадра оказываются сфокусированы как бы ближе к наблюдателю, чем центр. У прицелов большой кратности кривизна поля изображения обычно выражена слабо.

Кривизна поля изображения
Кривизна поля изображения.
 

Дисторсия

Дисторсия – это аберрация при которой объектив отказывается изображать прямые линии прямыми. Геометрически это означает нарушение подобия между объектом и его изображением вследствие изменения линейного увеличения по полю зрения объектива.

Выделяют два наиболее распространённых типа дисторсии: подушкообразная и бочкообразная.

При бочкообразной дисторсии линейное увеличение уменьшается по мере удаления от оптической оси объектива, в результате чего прямые линии по краям кадра изгибаются наружу, и изображение выглядит выпуклым.

При подушкообразной дисторсии линейное увеличение, напротив, возрастает с удалением от оптической оси. Прямые линии изгибаются внутрь, и изображение кажется вогнутым.

Кроме того, встречается комплексная дисторсия, когда линейное увеличение сперва уменьшается по мере удаления от оптической оси, но ближе к краям изображения снова начинает возрастать. В таком случае прямые линии приобретают форму усов.

Бочкообразная дисторсия
Бочкообразная дисторсия.
Подушкообразная дисторсия
Подушкообразная дисторсия.
Комплексная дисторсия
Комплексная дисторсия.

Дисторсия наиболее выражена в прицелах с большой кратностью, но заметна и в прицелах с фиксированным фокусным расстоянием. Для широкоугольных "загонников" характерна преимущественно бочкообразная дисторсия (экстремальный пример такой дисторсии – объективы типа fisheye или «рыбий глаз»), в то время как в прицелах с большой кратностью чаще свойственна подушкообразная дисторсия. Как правило, прицелы известных марок (Калес, Вортекс, Лейка и др.) наименее подвержены дисторсии.

Ладога
Это не Земля закругляется, а обычная бочкообразная дисторсия.

У прицелов переменной кратности часто можно наблюдать бочкообразную дисторсию в широкоугольном положении (на малой кратности) и подушкообразную дисторсию в телеположении (на большой кратности зума) при практически свободной от дисторсии середине диапазона фокусных расстояний.

Степень выраженности дисторсии может также изменяться в зависимости от дистанции фокусировки: у многих прицелов дисторсия очевидна, когда они сфокусированы на близлежащем объекте, но делается почти незаметной при фокусировке (отстройке от параллакса) на бесконечность.

Хочу также заметить, что на практике исправление дисторсии требуется не так уж часто, ведь дисторсия бывает заметна невооружённым глазом только тогда, когда по краям изображения присутствуют заведомо прямые линии (горизонт, стены зданий, колонны). В сценах же, не имеющих на периферии строго прямолинейных элементов, дисторсия, как правило, совершенно не режет глаз. Поэтому если Вы не снайпер, работающий в городской застройке, этот эффект будет Вам практически незнаком. 

Хроматические аберрации

Хроматические или цветовые аберрации обусловлены дисперсией света. Не секрет, что показатель преломления оптической среды зависит от длины световой волны. У коротких волн степень преломления выше, чем у длинных, т.е. лучи синего цвета преломляются линзами объектива сильнее, чем красного. Как следствие, изображения предмета, формируемые лучами различного цвета, могут не совпадать между собой, что приводит к появлению цветных артефактов, которые и называются хроматическими аберрациями.

Различают два основных типа хроматических аберраций: хроматизм положения (продольная хроматическая аберрация) и хроматизм увеличения (хроматическая разность увеличения). В свою очередь, каждая из хроматических аберраций может быть первичной или вторичной. Также к хроматическим аберрациям относят хроматические разности геометрических аберраций, т.е. различную выраженность монохроматических аберраций для волн разной длины.

Хроматизм положения

Хроматизм положения или продольная хроматическая аберрация возникает, когда лучи света с разной длиной волны фокусируются в разных плоскостях. Иными словами, лучи синего цвета фокусируются ближе к задней главной плоскости объектива, а лучи красного цвета – дальше, чем лучи зелёного цвета, т.е. для синего цвета наблюдается фронт-фокус, а для красного – бэк-фокус.

Хроматическая аберрация
Хроматизм положения.

К счастью для нас, хроматизм положения научились исправлять ещё в XVIII в. путём комбинирования собирательной и рассеивающей линз, изготовленных из стёкол с разными показателями преломления. В результате продольная хроматическая аберрация флинтовой (собирательной) линзы компенсируется за счёт аберрации кроновой (рассеивающей) линзы, и лучи света с различной длиной волны могут быть сфокусированы в одной точке.

Исправление первичной хроматической аберрации
Исправление хроматизма положения.

Практически все современные объективы прицелов известных производителей являются ахроматами, так что о хроматизме положения на сегодняшний день можно спокойно забыть.

Хроматизм увеличения

Хроматизм увеличения возникает за счёт того, что линейное увеличение объектива различается для разных цветов. В результате изображения, формируемые лучами с различной длиной волны, имеют немного разные размеры. Поскольку изображения разного цвета отцентрированы по оптической оси объектива, хроматизм увеличения отсутствует в центре наблюдаемого изображения, но возрастает к его краям.

Хроматизм увеличения проявляется на периферии изображения в виде цветной каймы вокруг объектов с резкими контрастными краями, такими как, например, тёмные ветви деревьев на фоне светлого неба. В областях, где подобные объекты отсутствуют, цветная кайма может быть незаметной, но общая чёткость всё равно падает.

При конструировании объектива прицела хроматизм увеличения исправить значительно труднее, чем хроматизм положения, поэтому эту аберрацию можно в той или иной степени наблюдать у весьма многих прицелов. Этому подвержены в первую очередь прицелы с большой кратностью, особенно в широкоугольном положении.

Хроматическая аберрация
Этот фрагмент фотографии иллюстрирует хроматизм увеличения. 

Первичные и вторичные хроматические аберрации

Хроматические аберрации подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные хроматические аберрации – это хроматизмы в своём исходном неисправленном виде, обусловленные различной степенью преломления лучей разного цвета. Артефакты первичных аберраций окрашены в крайние цвета спектра – сине-фиолетовый и красный.

При исправлении хроматических аберраций хроматическая разность по краям спектра устраняется, т.е. синие и красные лучи начинают фокусироваться в одной точке, которая, к сожалению, может не совпадать с точкой фокусировки зелёных лучей. При этом возникает вторичный спектр, поскольку хроматическая разность для середины первичного спектра (зелёных лучей) и для его сведённых вместе краёв (синих и красных лучей) остаётся не устранённой. Это и есть вторичные аберрации, артефакты которых окрашены в зелёный и пурпурный цвета.

Когда говорят о хроматических аберрациях современных объективов прицелов, в подавляющем большинстве случаев имеют в виду именно вторичный хроматизм увеличения и только его. Апохроматы, т.е. объективы, в которых полностью устранены как первичные, так и вторичные хроматические аберрации, чрезвычайно сложны в производстве и вряд ли когда-нибудь станут массовыми.

Что же из всего вышеизложенного важно для уважаемого читателя?

Сколь-нибудь серьезное влияние на точность прицеливания в оптический прицел могут оказать сферическая аберрация, кома, астигматизм и хроматическая аберрация. 
Но, как правило, уважающие себя фирмы делают все от них зависящее, чтобы максимально исправить эти аберрации. 
Критерием исправления аберраций является предел разрешения оптической системы. 
Измеряется он в угловых величинах, и чем он меньше (при равном увеличении), тем лучше прицел исправлен на аберрации.
Дисторсия не оказывает влияния на разрешение прицела и проявляется в некотором искажении резко видимого изображения. 
Многие могли сталкиваться с такими приборами, как дверные глазки и фотообъективы типа "Рыбий глаз", в которых дисторсия специально не исправляется. 
Как правило, дисторсия в оптических прицелах также исправляется. 


Теперь о понятии параллакса.

В разговорах "бывалых", когда речь заходит об оптических прицелах, зачастую всплывает понятие "параллакс". При этом упоминается множество фирм и моделей прицелов и звучат разнообразные оценки.

Так что же такое параллакс?
Параллаксом называют видимый сдвиг изображения цели по отношению к изображению прицельной марки, если глаз отодвигается в сторону от центра окуляра. Это происходит вследствие того, что изображение цели сфокусировано не совсем в фокальной плоскости прицельной марки.
Максимальный параллакс возникает, когда глаз достигает границы выходного зрачка прицела.
Но даже в этом случае прицел с постоянной кратностью увеличения 4х, отстроенный от параллакса на 150 м (на заводе) даст ошибку около 20 мм на дистанции 500 м.
На коротких дистанциях эффект параллакса практически не сказывается на точности выстрела. Так, для упомянутого выше прицела на дистанции 100 м, ошибка составит лишь около 5 мм. Также следует иметь в виду, что при удержании глаза по центру окуляра (на оптической оси прицела), эффект параллакса практически отсутствует и не сказывается на точности стрельбы в большинстве охотничьих ситуаций.

Прицелы с заводской отстройкой от параллакса

Любой прицел с фиксированной системой фокусировки объектива может быть отстроен от параллакса только на какую-либо одну определенную дистанцию. Большинство прицелов имеют заводскую отстройку от параллакса на 100-150 м.
Исключением являются прицелы малой кратности увеличения, ориентированные на использование с дробовиком или комбинированным оружием (40-70 м) и так называемые "тактические" и им подобные прицелы для стрельбы на дальние дистанции (300 м и более).

По мнению специалистов, не стоит обращать серьезного внимания на параллакс при условии, что дистанция стрельбы простирается в пределах: на 1/3 ближе ... на 2/3 дальше дистанции заводской отстройки прицела от параллакса.
Пример: "тактический" прицел постоянной кратности KAHLES ZF 95 10x42 отстроен от параллакса на заводе на дистанцию 300 м.
Это означает, что при стрельбе на дистанциях от 200 до 500 м Вы не ощутите эффект параллакса. Кроме того, при стрельбе на 500 м на точность выстрела влияет масса факторов, связанных, в первую очередь, с характеристиками оружия, баллистикой боеприпасов, погодными условиями, стабильностью положения оружия в момент прицеливания и выстрела, приводящих к отклонению точки попадания от точки прицеливания на величины, значительно превышающие отклонение, вызванное параллаксом при стрельбе из винтовки, зажатой в тиски в абсолютном вакууме.
Другой критерий: параллакс не проявляется существенным образом, пока кратность увеличения не превышает 12х. Другое дело - прицелы для целевой стрельбы и варминтинга, как, скажем, 6-24х44 или 8-40х56.

Прицелы с возможностью отстройки от параллакса

Целевая стрельба и варминтинг требуют максимальной точности прицеливания. Для обеспечения требуемой точности на разных дистанциях стрельбы выпускаются прицелы с дополнительной фокусировкой на объективе, окуляре или на корпусе центральной трубки и соответствующей шкалой расстояний. Такая система фокусировки позволяет совместить изображение цели и изображение прицельной марки в одной фокальной плоскости.
Чтобы устранить параллакс на выбранной дистанции, необходимо проделать следующее:
1. Изображение прицельной марки должно быть четким. Этого необходимо добиться с помощью фокусировочного механизма вашего прицела (диоптрийная коррекция).
2. Каким-либо способом измерьте расстояние до цели. Поворотом фокусировочного кольца на объективе или маховика на корпусе центральной трубки установите измеренное значение дистанции напротив соответствующей метки.
3. Надежно зафиксируйте оружие в максимально стабильном положении и посмотрите в прицел, сконцентрировавшись на центре прицельной марки. Слегка приподнимите, а затем опустите голову. Центр прицельной марки должен быть абсолютно неподвижным по отношению к цели. В противном случае выполните дополнительную фокусировку, вращая кольцо или барабан до полного устранения движения центра марки.
Преимущество прицелов с отстройкой от параллакса на корпусе центральной трубки или на окуляре состоит в том, что при настройке прицела стрелку, приготовившемуся к стрельбе, нет необходимости менять положение.

Вместо вывода
Ничего не бывает просто так. Появление в прицеле дополнительного регулировочного узла не может не сказаться на общей надежности конструкции, а при надлежащем исполнении - на цене. К тому же, возникновение необходимости думать о дополнительной настройке в стрессовой ситуации не может не сказаться на точности Вашего выстрела, и тогда в промахе будете виноваты Вы сами, а не Ваш прицел.




Вернуться к списку статей