Прядко а.М. Аберрации оптических систем

При построении оптического изобра­жения объекта съемки принято считать, что тот или иной оптический прибор, его отдельные оптические элементы, представляют собой идеальную оптическую систему, которая не вносит в создаваемое изображение никаких искажений. Однако в действительности опти­ческие системы не свободны от недостатков, и полученное изобра­жение не является идеальным подобием объекта съемки. Искажения изображе­ния реальными объективами – это не следствие дефектов их изготовле­ния, а результат некоторых недостатков, свойственных таким оптическим системам. Искажения наиболее заметны при широких пучках лучей, входящих в объектив под большими углами к его оп­тической оси, и при сложном спектральном составе света. Это зна­чит, что чем больше угол зрения объектива и его светосила, тем труднее устранить все разновидности искажений.

Реальная оптическая система нарушает гомоцентричность проходящего через нее пучка лучей, поэтому изображения точек получаются нерезкими. Лишь в параксиальной области, которая рассматривает узкие пучки лучей, идущие под малыми углами к оптической оси, свойства реальной оптической системы тождественны свойствам идеальной системы. Но при этом получаем как незначительную яркость полученного изображения, так и малые размеры изображаемого предмета. Т.е. ранее мы рассматривали идеальные оптические элементы, где в сущности распространение, отражение и преломление касалось монохроматического света.

В результате реальный объектив изображает точечный объект не в виде точки, а в виде размытого пятна определенной формы и размера. Плоскость в предметном пространстве, перпендикулярная оптической оси, изображается не плоскостью, а некоторой искривленной поверхностью; изображение прямой линии в ряде случаев может быть изогнуто, нарушается геометрическое подобие между предметом и его изображением, изображение в белом свете может оказаться окрашенным и т. д.

Такие погрешности реальных оптических систем называют аберрациями. Термин аберрация составлен из двух латинских слов: aber и ratio. Т.е. аберрации (aberration – уклонение) – это характеристики отклонения реальной оптической системы от ее идеального представления. В приведенной ниже структуре показана классификация аберраций.

АБЕРРАЦИИ

Монохроматические

Хроматические

Высшего

порядка

Высшего

порядка

1-го порядка

3-го порядка

3-го порядка

(элементарные)

Сферические

Кома

Астигматизм

Кривизна изображения

Дисторсия

Хроматизм положения

Вторичный спектр

Хроматизм увеличения

Сферохроматическая

Цветная кома

Цветной астигматизм

Цветная кривизна

Хроматическая дисторсия

С огласно такой классификации аберрации оптических систем делятся на две группы: монохроматические и хроматические.

Монохроматические аберрации представляют собой такие погрешности изображения, которые возникают в оптической системе даже при прохождении лучей света строго определенной длины волны. К ним относятся сферическая аберрация, кома, астигматизм, кривизна поверхности изображения и дисторсия.

Сущность хроматических аберраций заключается в том, что при прохождении через преломляющие поверхности пучка лучей белого света он разлагается на спектральные составляющие из-за дисперсии в оптических средах системы. В результате такого разложения изображение будет представлять собой сумму большого числа монохроматических изображений, не совпадающих как по положению, так и по размерам, вследствие чего изображение становится окрашенным. Это явление носит название хроматизма. Различают хроматическую аберрацию положения или хроматизм положения, хроматическую аберрацию увеличения или хроматизм увеличения и т.н. вторичный спектр. Еще можно назвать аберрации осевые, т. е. искажения, свой­ственные изображениям точек, лежащих па оптической оси объек­тива; аберрации полевые, т.е. искажения изображения точек, ле­жащих в пределах поля зрения объектива, но не на его оси.

И хотя все эти виды искажений в хороших объективах неве­лики, все же в ряде случаев нужно считаться с их наличием. Высочайшая точность обработки оптических оптических поверхностей, сборки оптических приборов, расчета и коррекции практически сводят на нет проблему аберраций. Кроме того, произошли и серьезные изменения в материале, используемом для изготовления линз. В качестве материала для оптических стекол вместо стеклообразного диоксида кремния (SiO₂) в настоящее время применяют, например, фтористый кальций (CaF₂ – флюорит). Так, по мнению специалистов Canon, именно этот материал отличает самое удачное соотношение высокого значения коэффициента преломления и относительно малого коэффициента дисперсии. Необходимо еще раз отметить, что именно дисперсия света является одной из основных причин хроматических аберраций.