Aberācijas optika

Aberācija, optiskajās sistēmās, piemēram, objektīvos un izliektos spoguļos, gaismas staru novirze caur objektīviem, izraisot objektu attēlu izplūšanu. Ideālā sistēmā katrs objekta punkts fokusēsies uz nulles lieluma punktu attēlā. Praktiski tomēr katrs attēla punkts aizņem ierobežota izmēra un nesimetriskas formas tilpumu, izraisot visa attēla izplūšanu. Atšķirībā no plakana spoguļa, kas rada attēlus bez aberācijām, objektīvs ir nepilnīgs attēla veidotājs, kļūstot par ideālu tikai stariem, kas iet caur tā centru paralēli optiskajai asij (līnija caur centru, perpendikulāra objektīva virsmām). Vienādojumi, kas izstrādāti objekta un attēla attiecībām objektīvā ar sfēriskām virsmām, ir tikai aptuveni un attiecas tikai uz paraksiālajiem stariem, tas ir, uz stariem, kas veido tikai mazus leņķus ar optisko asi. Ja ir tikai viena viļņa garuma gaisma, jāņem vērā piecas aberācijas, kuras sauc par sfērisko aberāciju, komu, astigmatismu, lauka izliekumu un kropļojumiem. Sestā aberācija, kas konstatēta objektīvos (bet ne spoguļos), proti, hromatiskā aberācija, rodas, ja gaisma nav monohromatiska (nav viena viļņa garuma).

optika: objektīva aberācijas

Ja objektīvs bija ideāls un objekts bija monohromatiskas gaismas viens punkts, tad, kā minēts iepriekš, gaismas vilnis, kas rodas no

Sfēriskās aberācijas gadījumā gaismas stari no objektīva, kam ir sfēriskas virsmas, optiskās ass punkta, neatbilst visiem attēla punktiem. Stari, kas iet caur objektīvu tuvu tā centram, ir fokusēti tālāk nekā stari, kas iet caur apļveida zonu netālu no tās loka. Katrā stūra konusā no aksiālā objekta punkta, kas sastopas ar objektīvu, ir stūru konuss, kas saplūst, veidojot attēla punktu, un konusa garums ir atšķirīgs atkarībā no apļveida zonas diametra. Visur, kur tiek konstruēta plakne taisnā leņķī pret optisko asi, stari veidos apļveida šķērsgriezumu. Šķērsgriezuma laukums mainās atkarībā no attāluma gar optisko asi, mazākais izmērs, kas pazīstams kā vismazākās neskaidrības aplis. Šajā attālumā ir redzams attēls, kurā bez sfēriskās aberācijas nav.

Koma, tā sauktā, jo punktveida attēls ir izplūdis komētas formā, tiek veidota, kad starus no objekta punkta, kas atrodas ārpus ass, attēlo dažādās objektīva zonās. Sfēriskas aberācijas gadījumā uz ass objekta punkta attēli, kas nokrīt uz plaknes taisnā leņķī pret optisko asi, ir apļveida formas, dažāda lieluma un izvietoti virs kopīga centra; komā ārpus asi esoša objekta punkta attēli ir apļveida formas, dažāda lieluma, bet ir savstarpēji nobīdīti. Pievienotajā diagrammā parādīts pārspīlēts divu attēlu gadījums: vienu no tiem rada centrālais staru konuss, bet otru - no konusa, kas šķērso loka. Parasti komas mazināšanas veids ir diafragmas izmantošana, lai novērstu staru ārējos konusus.

Astigmatisms, atšķirībā no sfēriskās aberācijas un komas, rodas, ja objektīva viena zona nespēj fokusēt ārpusas punkta attēlu vienā punktā. Kā parādīts trīsdimensiju shēmā, divas plaknes, kas atrodas taisnā leņķī viena pret otru un šķērso optisko asi, ir meridiāna plakne un sagitālā plakne, meridiāna plakne ir tā, kurā atrodas objekta punkts, kas atrodas ārpus ass. Stari, kas neatrodas meridiāna plaknē un kurus sauc par šķībiem stariem, ir fokusēti tālāk no objektīva nekā tie, kas atrodas plaknē. Abos gadījumos stari neatbilst punkta fokusam, bet gan kā līnijas, kas ir perpendikulāras viena otrai. Starp šiem diviem stāvokļiem attēliem ir eliptiska forma.

Lauka izliekums un kropļojumi attiecas uz attēla punktu atrašanās vietu attiecībā pret otru. Kaut arī objektīva dizainā var koriģēt iepriekšējās trīs novirzes, šīs divas aberācijas var saglabāties. Lauka izliekumā plakana objekta attēls, kas ir perpendikulārs optiskajai asij, atradīsies uz paraboloidālās virsmas, ko sauc par Petzval virsmu (pēc Ungārijas matemātiķa József Petzval). Plakana attēla lauki ir vēlami fotogrāfijā, lai tie atbilstu filmas plaknei un projekcijai, kad palielinošais papīrs vai projekcijas ekrāns atrodas uz līdzenas virsmas. Izkropļojumi attiecas uz attēla deformāciju. Ir divu veidu izkropļojumi, katrs no tiem var būt objektīvā: mucas izkropļojumi, kuros palielinājums samazinās ar attālumu no ass, un šķipsnu izkropļojumi, kuros palielinājums palielinās līdz ar attālumu no ass.

• 

• 

Pēdējā aberācija, hromatiskā aberācija, ir objektīva nespēja fokusēt visas krāsas vienā plaknē. Tā kā refrakcijas koeficients ir vismazākais spektra sarkanajā galā, lēcas fokusa attālums gaisā būs lielāks sarkanai un zaļai, nevis zilai un violetai. Palielinājumu ietekmē hromatiskā aberācija, tā ir atšķirīga gar optisko asi un perpendikulāra tai. Pirmo sauc par garenvirziena hromatisko aberāciju, bet otro - par sānisko hromatisko aberāciju.