Понятие аберрации и её природа
Аберрациями называют отклонения от идеального изображения, формируемого оптической системой. В идеальных условиях пучок световых лучей, испущенных от одной точки предмета, должен собираться в единую точку изображения. Однако в реальных оптических системах (линзах, зеркалах, объективах) это условие нарушается из-за геометрических и физических факторов. Аберрации приводят к искажению формы изображения, его размытию или смещению.
Существует два основных типа аберраций: – монохроматические — возникающие при прохождении света одной длины волны, – хроматические — вызванные дисперсией, т.е. различной преломляемостью света разной длины волны.
Классификация монохроматических аберраций
Монохроматические аберрации (также называемые геометрическими) делятся на пять классических типов, каждый из которых обусловлен определёнными отклонениями в прохождении световых лучей через элементы оптической системы.
Сферическая аберрация
Это аберрация, при которой лучи, проходящие через края линзы или зеркала, фокусируются в другой точке, чем лучи, проходящие ближе к оптической оси. В результате вместо одной фокусной точки получается продолговатая зона фокусировки.
Причины: – форма сферических поверхностей; – отклонения от параксиальных условий (углы падения лучей велики).
Последствия: – снижение резкости изображения; – световое пятно вместо световой точки.
Коррекция: – использование асферических линз; – ограничение апертуры (диафрагмирование); – применение сложных объективов (например, ахроматов с внутренней коррекцией).
Кома
Кома проявляется в виде искажения изображения точки, находящейся вне оси: она приобретает вид размытого «кометного хвоста», направленного радиально от центра. Это связано с тем, что наклонные пучки лучей фокусируются в различных точках в зависимости от расстояния от оптической оси.
Особенности: – характерна для широких апертур; – увеличивается с расстоянием от оси.
Методы устранения: – использование комбинированных линз; – симметричное построение оптической системы; – введение корректирующих элементов, сдвигающих фокус наклонных лучей.
Астигматизм
Астигматизм возникает, когда оптическая система формирует два изображения одной и той же точки объекта — в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: меридиональной и сагиттальной. На экране наблюдаются вместо точки сначала линия, потом эллипс, потом другая линия — т.н. астигматический пучок.
Характеристика: – точка вне оси даёт два фокуса на разных расстояниях; – следствием является размытое или искажённое изображение.
Устранение: – подбор соответствующих радиусов кривизны линз; – конструктивное выравнивание фокусных расстояний в различных плоскостях.
Кривизна поля изображения
Эта аберрация заключается в том, что изображение плоского объекта проецируется не на плоскость, а на искривлённую поверхность (обычно сферическую). В результате при фокусировке центра изображения края оказываются не в фокусе, и наоборот.
Причина: – несовпадение главных фокусных плоскостей с плоскостью изображения.
Проявления: – «бочка» или «подушка» фокусировки при съёмке на фотоплёнку или матрицу.
Компенсация: – применение корректирующих линз, формирующих плоское изображение (например, полевые линзы); – построение системы с уравновешенной кривизной.
Дисторсия
Дисторсия проявляется в виде геометрического искажения изображения: прямые линии становятся кривыми. В отличие от других аберраций, дисторсия не влияет на резкость, а изменяет форму объекта.
Два основных типа: – подушкообразная дисторсия — увеличение масштаба изображения к краям поля зрения; – бочкообразная дисторсия — уменьшение масштаба к краям.
Причины: – неоднородное увеличение изображения на разных участках поля зрения; – особенности преломления в сильно искривлённых линзах.
Методы исправления: – включение корректирующих линз, создающих противоположное искажение; – цифровая коррекция изображения на стадии обработки.
Хроматические аберрации
Хроматические аберрации обусловлены дисперсией — зависимостью показателя преломления от длины волны. Вследствие этого лучи разного цвета фокусируются в разных точках, что приводит к окрашенным ореолам и размытию.
Продольная хроматическая аберрация Луч света с меньшей длиной волны (синий) фокусируется ближе к линзе, чем луч с большей длиной волны (красный). Это вызывает размытость по оси.
Поперечная хроматическая аберрация Наблюдается при наклонном падении пучка: лучи разной длины волны фокусируются не в одной точке поперек поля зрения. Объект может быть окружён фиолетовыми или зелёными контурами.
Способы устранения: – применение ахроматических и апохроматических линз — комбинаций стекол с разной дисперсией; – подбор специальных оптических материалов (низкодисперсные стекла); – цифровая обработка изображений в современных фотосистемах.
Методы общей коррекции аберраций
– Оптический дизайн. Подбор форм и расположения элементов с учётом всех видов аберраций. Математическое моделирование на основе уравнений Зернике и теории Сейделя. – Асферические поверхности. Использование линз и зеркал с не сферическими, а специально рассчитанными поверхностями. Это позволяет минимизировать несколько видов аберраций одновременно. – Комплексные объективы. Конструкции, в которых отдельные элементы компенсируют аберрации друг друга (например, в фотообъективах с множеством линз). – Диафрагмирование. Ограничение крайних лучей уменьшает аберрации, особенно сферическую и кому, однако снижает светосилу. – Цифровая постобработка. Используется в цифровых системах визуализации для устранения остаточных хроматических и геометрических искажений.
Практическое значение учета аберраций
Контроль и минимизация аберраций имеют решающее значение в создании телескопов, микроскопов, фото- и видеотехники, лазерных систем, прицельных устройств и любой другой техники, основанной на формировании качественного изображения. Современная оптика требует высокоточной коррекции аберраций как на этапе проектирования, так и в процессе эксплуатации систем.