АБЕРРАЦИЯ

Хроматические аберрации

Хроматические аберрации возникают вследствие зависимости показателя преломления линз от длины волны света. Для глаза показатели преломления прозрачных сред тем больше, чем меньше длина волн. Это приводит к тому, что преломляющая сила глаза в синих лучах (длина волн около 450 нм) на 1,3 диоптрии (дптр) больше, чем в красных лучах (650 нм). Фокусные расстояния простых выпуклых линз для красных лучей оказываются больше (на 1—3% в зависимости от сорта стекла), чем для синих (рис. 1). Красные лучи создают резкие изображения дальше от линзы, чем синие (так возникает продольная хроматическая АБЕРРАЦИЯ), и в более крупном масштабе — так наз. хроматическая разница увеличений. Изображение яркой белой точки представляет собой яркое цветное пятнышко, окруженное ореолом дополнительных цветов.

Хроматическая АБЕРРАЦИЯ симметрична вокруг оси глаза и почти одинакова зля всех глаз. Вследствие хроматической АБЕРРАЦИИ обычный эмметропический глаз оказывается близоруким при синем освещении. В обычных же условиях освещения, когда на восприятие существенно сказывается лишь чувствительность глаза к средней части видимого спектра, хроматическая АБЕРРАЦИЯ лишь незначительно уменьшает четкость контуров.

Геометрические аберрации

Геометрические аберрации проявляются при действии пучков света, далеких от главной оптической оси системы, или пучков, сильно наклоненных к оси. Простейшими АБЕРРАЦИЯМИ сферических линз и зеркал являются: сферическая АБЕРРАЦИЯ, кома, астигматизм косых пучков, кривизна поля и дисторсия.

Сферическая аберрация. Лучи, вышедшие из точки, лежащей на главной оптической оси выпуклой линзы, и прошедшие через ее края, сойдутся раньше, чем параксиальные (т. е. прошедшие через середину линзы) лучи. Получающиеся распределения освещенности в изображении яркой точки для некоторых положений экрана даны на рис. 2 (а и б). На рис. 2, а изображен ход лучей. Рис. 2, б представляет собой график качественной зависимости освещенности в изображении одной точки от расстояния z от главной оптической оси Б при разных положениях экрана (O¹ — О¹), для каждого из которых вправо отложена освещенность. В результате сферической АБЕРРАЦИИ яркая точка, лежащая на оптической оси, изображается в виде «кружка рассеяния». Радиус этого кружка называют поперечной сферической А.

Кома проявляется тем сильнее, чем дальше от главной оптической оси отстоит изображаемая точка и чем больше открыта диафрагма. Изображение точки имеет вид продолговатого несимметричного пятнышка (рис. 3). Линиями на рисунке соединены точки с равными освещенностями. Наибольшая освещенность в точке О. Прямая ОО¹ пересекает главную оптическую ось.

Астигматизм косых пучков. Лучи в астигматическом пучке (в противоположность гомоцентрическому пли стигматическому пучку, все лучи которого пересекаются в одной точке) в отдельных случаях могут пересекаться, как показано на рис. 4. Световая волна имеет здесь различную кривизну в разных сечениях: в сечениях АВМ и CDN кривизна максимальна; а в АСР и BDQ — минимальна. Поэтому лучи, лежащие в сечении АВМ, проходят через точку М, а лучи сечения АСР проходят через точку Р. Таким образом, все лучи, ограниченные контуром АВDC, пересекают соответствующие точки отрезка MN, а затем отрезка PQ. Расстояние между MN и Р Q, характеризующее степень неопределенности положения наилучше го изображения, называется астигматической разностью. При косом падении лучей от светящейся точки на выпуклую линзу (линза не обладает осевой симметрией относительно оси пучка) лучи, прошедшие через верх и низ линзы, сойдутся в точке М, а прошедшие через разные точки ее горизонтального диаметра — в точке Р (рис. 5). В этом случае радиальные прямые плоскости OS, перпендикулярной оптической оси линзы (и плоскости чертежа), изобразятся резко на поверхности вращения р (образованной вращением РО' вокруг ОО'), а концентрические окружности той же плоскости изобразятся четко на поверхности т. На поверхности л, средней между p и m, длина пятна, изображающего любую точку плоскости OS, минимальна.

Этот вид АБЕРРАЦИИ часто встречается в жизни как один из недостатков зрения, связанного с дефектами форм поверхности глаза (см. Астигматизм глаза).

Отличие поверхности n от плоскости определяет собой еще один вид аберрации — кривизну поля, или искривление поверхности изображения. Существуют оптические системы, в которых m и р зеркально симметричны относительно плоскости О'S'. В них нет кривизны поля, но есть астигматизм. Возможен и обратный случай — большая кривизна поля без существенного астигматизма. Поверхности m и p всегда касательны к плоскости О'S', поэтому и астигматизм, и кривизна поля несущественны для параксиальных пучков.

Дисторсия — искажение изображения в результате зависимости линейного увеличения частей изображения от их расстояния до главной оптической оси. В этом случае изображение не подобно объекту. Если при удалении от оси увеличение растет, то изображение объекта, данного на рис. 6 а, приобретает подушкообразную форму (рис. 6, б); если же с удалением от оси увеличение падает, то получается бочкообразное изображение объекта (рис. 6, в). Из рисунка также видно, что радиальные прямые и симметричные относительно главной оси окружности дисторсией не искажаются.

Лучи света лишь условно можно считать эквивалентными геометрическим прямым.

В действительности распространение света есть волновой процесс, а лучи света — это перпендикуляры к волновым поверхностям. Сферическая волна, вышедшая из точечного источника монохроматического света, пройдя через оптическую систему, перестает быть сферической. Отступление реальной поверхности волны от идеальной сферической определяет волновую АБЕРРАЦИЮ.

Зная волновую АБЕРРАЦИЮ, можно точно вычислить распределение освещенности в области изображения. При этом оказываются учтенными сразу и вышеописанные простейшие геометрические аберрации, и более сложные аберрации, и дифракционные явления. Последние и в безаберрационных системах приводят к размытию изображений и принципиально ограничивают разрешающую силу оптических приборов (см. Оптические методы исследования).

Рассмотренные выше АБЕРРАЦИИ свойственны и безупречно изготовленным и смонтированным системам. На практике же вследствие неоднородности материала стекол, несоответствия формы и положения поверхностей расчетным возникает еще целый ряд дефектов изображения, уменьшающих резкость контуров, ухудшающих передачу контрастов (особенно мелких деталей и в тенях), искажающих форму изображения. Полное устранение аберрации, как правило, невозможно. Значительного их уменьшения добиваются, подбирая показатели преломления и дисперсии стекол линз, комбинируя формы, взаимное расположение линз (и зеркал). Однако необходимость соблюдения одних технических условий уменьшает нередко возможности выполнения других. Поэтому приходится в соответствии с назначением прибора определять, какие из АБЕРРАЦИЙ главные и в какой мере следует устранять ту или иную разновидность АБЕРРАЦИИ. Часто но названию оптической системы можно определить, какие из аберраций. в ней хорошо скомпенсированы. В ахроматах уменьшены хроматическая и сферическая А. В апохроматах эти же А. скомпенсированы значительно точнее. В апланатах исправлены хроматические и сферические АБЕРРАЦИИ, а также кома. Если, кроме этих АБЕРРАЦИЙ, устранены астигматизм и кривизна поля, то объектив называют анастигматом. Ортоскопическими называют системы с исправленной дисторсией.

Для медиков АБЕРРАЦИЯ важна уже тем, что глаз человека вследствие аберрации аберрации часто создает несовершенное изображение, значительно худшее, чем дала бы безаберрационная система той же светосилы и с тем же фокусным расстоянием. АБЕРРАЦИИ глаза разнообразны. Самые простые из них обусловлены неправильной фокусировкой глаза вследствие аномалий контактные линзы (см.).

См. также Аберрация глаза.

Библиография: Ландсберг Г. С. Общий курс физики, т. 3, М., 1957; Поль Р. В. Введение в оптику, пер. с нем., М.— Л.. 1947; Слюсарсв Г. Г. Геометрическая оптика, М.— Л., 1946, библиогр.; Тудоровский А. И. Теория оптических приборов, т. 1, с. 427, М.— Л., 1948, библиогр.

М. С. Смирнов, П. П. Николаев.