Фотообладнання Урок 28-29 Аберації оптичних систем. Сферична, кома, астигматизм, дисторсія та хроматична аберація.

АБЕРАЦІЇ ОПТИЧНИХ СИСТЕМ. СФЕРИЧНА, КОМА, АСТИГМАТИЗМ, ДИСТОРСІЯ ТА ХРОМАТИЧНА АБЕРАЦІЯ.

Аберація (лат. Aberratio — відхилення) — дефект, похибка зображення в оптичних системах. Аберація оптичних систем проявляється в тому, що зображення втрачають чіткість і не точно відповідають зображуваним об'єктам.

Найпоширенішими є геометричні аберації:

• сферична аберація — дефект зображення, при якому промені, що проходять поблизу оптичної осі системи і промені, що проходять на віддалі від оптичної осі не збираються в одну точку.

Сферична аберація являється аберацією оптичних систем, викликаною порушенням гомоцентричності пучків променів від точкового джерела, що пройшли через оптичну систему без порушення симетрії будови цих пучків (на відміну від коми й астигматизму).

Сферичну аберацію прийнято розглядати для пучка променів, що виходить з точки, розташованої на оптичній осі. Однак, сферична аберація має місце і для інших пучків променів, що виходять з точок предмета, віддалених від оптичної осі, але в таких випадках вона розглядається як складова частина аберацій всього пучка променів. Причому, хоча ця аберація і називається сферичною, вона характерна не тільки для сферичних поверхонь.

В результаті сферичної аберації циліндричний пучок променів після заломлення лінзою (у просторі зображень) отримує вигляд не конуса, а деякої воронкоподібній фігури, зовнішня поверхня якої, поблизу вузького місця, називається каустичною поверхнею. При цьому зображення точки у фокусі має вигляд диска з неоднорідним розподілом освітленості, а форма каустичної кривої дозволяє судити про характер розподілу освітленості.

Проходження світлового пучка через ідеальну лінзу (зверху) та лінзу з наявною сферичною аберацією (знизу)

 

• кома — аберація, що виникає при косому проходженні променів через оптичну систему.

Коматична аберація або Кома (від дав.-гр. κόμη - волосся) - одна з п'яти аберацій Зейделя оптичних систем; проявляється в тому, що кожна ділянка оптичної системи, віддалена від її осі на відстань d (кільцева зона), дає зображення світної точки у вигляді кільця, радіус якого тим більше, чим більше d; може розглядатися як сферична аберація променів, що проходять не через оптичну вісь системи. Центри кілець не збігаються, в результаті чого їх накладення, тобто зображення точки, що дається системою в цілому, приймає вигляд несиметричної плями розсіювання. Розміри цієї плями пропорційні квадрату кутової апертури системи і віддалі точки-об'єкта від осі оптичної системи.

Кома дуже велика в параболічних рефлекторах і є основним чинником, що обмежує їх поле зору. У складних оптичних системах кому зазвичай виправляють спільно зі сферичною аберацією підбором лінз. Оптичні системи з виправленими коматичною і сферичною аберацією називаються апланатами. Якщо при виготовленні системи допущена децентровка однієї з поверхонь, то кома спотворює зображення і тих точок, які розташовані на осі оптичної системи.

 

Схема утворення коми: промені, які приходять під кутом до оптичної осі збираються не в одній точці

 

• астигматизм — виникає при проходженні через систему хвилі зі сферичним хвильовим фронтом, у випадку, коли пучки променів з однієї точки не перетинаються в одній точці а розташовуються в двох взаємно перпендикулярних відрізках.

Астигматизм (рос. астигматизм, англ. astigmatism, нім. Astigmatismus), монохроматична польова аберація оптичних систем, яка полягає в тому, що зображення однієї і тієї ж точки предмета нескінченно тонкими пучками променів, розташованими у взаємно перпендикулярних площинах (меридіональній і широтній), має вигляд двох точок, що не збігаються з площиною зображення цієї точки паралельними променями. У телескопічних системах астигматизм виражається в діоптріях; у зорових трубах значення астигматизму допускається не більше 3-х діоптрій.

Зовнішній ефект астигматизму — перекручування зображення оптичною системою, пов'язане з тим, що заломлення (або відбиття) променів у різних частинах системи неоднакове. Внаслідок астигматизму зображення предмета стає нерізким. Кожна точка предмета зображується розмитим еліпсом. Астигматизм ока усувається за допомогою окулярів з циліндричним склом, контактних лінз.

Астигматизм — один із недоліків оптичного зображення. Якщо сферична хвиля, що йде від точкового джерела, після проходження оптичної системи залишається сферичною і промені хвилі дають точкове зображення, то пучок таких променів називається стигматичним (грец. στιγμα — точка). Якщо ж ця хвиля оптичною системою деформується так, що її промені перетинаються у двох взаємно перпендикулярних відрізках, розташованих на деякій відстані один від одного, то такий пучок називається астигматичним (зображення не точкове; мал.). Внаслідок астигматизму точки, розміщені на взаємно перпендикулярних лініях (в сагітальному і меридіональному перерізах), зображаються не однаково чітко.

 Ілюстрація явища астигматизму

 

• дисторсія — аберація, що призводить до геометричної невідповідності між об'єктом та його зображенням.

Дисторсія (від лат. distorsio, distortio — викривлення) — аберація оптичних систем, при якій лінійне збільшення змінюється по полю зору. При цьому порушується подібність між об'єктом і його зображенням.

«Подушкоподібна» дисторсія виникає у випадку, коли лінійне збільшення зростає з віддаленням елементів зображення від оптичної осі. Коли лінійне збільшення зменшується з віддаленням елементів зображення від оптичної осі — виникає «бочкоподібна» дисторсія.

Зображення без дисторсії, з «подушкою» і «бочкою»

 Також до аберацій відносять кривизну поля зображення.

Поряд із геометричними існують інші види аберацій, такі як:

• хроматична аберація, пов'язана із різницею коефіцієнтів заломлення світла для світла різного кольору.

Хроматична аберація — вид аберації оптичних систем, спотворення зображень, отриманих в немонохроматичному (наприклад, білому) світлі.

Хроматичні аберації зумовлені дисперсією світла в лінзах і призмах оптичної системи і виявляються в утворенні кольорової облямівки контрастних елементів зображення.

Зменшення хроматичних аберацій досягається використанням оптичних систем: ахроматів та апохроматів.

• внаслідок хвильової природи світла виникає також дифракційна аберація — зображення монохроматичної світної точки, що лежить на осі системи, має вигляд світлої плями, оточеної концентричними кільцями, інтенсивність яких послідовно зменшується;
• термооптична аберація — виникає внаслідок неоднорідних температурних змін різних частин оптичного приладу. Виявляється в зміні розташування та розмірів зображення.

Оптичні системи можуть мати кілька різних типів аберацій одночасно. Усунення аберацій часто є дуже складною проблемою.

Дифракційні аберації усунути принципово неможливо і вони визначають теоретичну роздільну здатність оптичних приладів (наприклад, телескопів).