Что такое аберрация в оптике, её виды (типы)

В данной статье узнаем про аберрации оптических систем, что это такое и какие есть различия между аберрациями.

Что такое аберрации

Аберрации — это ошибки в изображении, возникающие из-за несовершенства оптической системы. Другими словами, аберрации возникают, когда оптическая система неправильно направляет лучи объекта. Оптические компоненты могут создавать ошибки в изображении, даже если они сделаны из лучших материалов и не имеют дефектов. Некоторые типы аберраций могут возникать при отображении электромагнитного излучения одной длины волны (монохроматические аберрации), а другие типы возникают при отображении электромагнитного излучения двух или более длин волн (хроматические аберрации).

Монохроматические аберрации могут быть сгруппированы в несколько различных категорий: сферические, коматические (кома), астигматизм, кривизна поля и искажение. Идея эталонной сферы часто используется при обсуждении аберраций. Для всех сфер луч, нарисованный перпендикулярно поверхности сферы, будет пересекать центр сферы, независимо от того, какое место на поверхности выбрано.

сфера с лучами

Сфера с лучами, нарисованными перпендикулярно поверхности, пересекается в центре сферы.

Контрольная сфера не является физической структурой; это просто математическая конструкция, с которой сравнивается волновой фронт электромагнитного излучения. Если электромагнитный волновой фронт имеет форму эталонной сферы, то волновой фронт будет идеально сфокусирован в центре сферы. Помните, что определение луча указывает, что лучи нарисованы перпендикулярно волновому фронту. Все лучи, связанные со сферическим волновым фронтом, будут пересекаться в центре сферы. Если волновой фронт не сферический, некоторые из лучей будут проходить через центр сферы.

эталонная сфера

Сравнивая волновой фронт электромагнитного излучения с эталонной сферой, можно определить, какие аберрации присутствуют на изображении и насколько они серьезны.

Сферическая аберрация

Сферические аберрации возникают для линз, которые имеют сферические поверхности. Лучи, проходящие через точки на линзе дальше от оси, преломляются больше, чем те, которые ближе к оси. Это приводит к распределению очагов вдоль оптической оси.

параксиальные и периферические лучи имеют разные фокусы

Сферические аберрации приводят к тому, что параксиальные и периферические лучи имеют разные фокусы.

Лучи, которые образуют небольшой угол с оптической осью и проходят близко к оси, называются параксиальными лучами. Периферийные лучи взаимодействуют с краями компонентов в оптической системе. Когда волновой фронт сферически аберрируется, периферические лучи фокусируются ближе к линзе, чем параксиальные лучи. Разница между фокусировкой этих двух типов лучей является способом измерения степени сферической аберрации в системе.

Можно конструировать оптические компоненты с асферическими поверхностями, которые не имеют сферической аберрации. Линзы с градиентным индексом, которые имеют показатели преломления, которые являются самыми высокими в центре линзы и постепенно уменьшаются ближе к краю линзы, также могут устранить сферическую аберрацию. Однако оптические компоненты со сферическими поверхностями гораздо проще и дешевле в производстве, чем компоненты с асферическими поверхностями или характеристиками индекса градиента. Из-за этого большинство разработчиков оптических систем используют готовые компоненты со сферическими поверхностями.

сферическая аберрация

Мера сферической аберрации оптической системы — это физическое расстояние между фокусами эталонной сферы и периферийных лучей аберрированного волнового фронта (между R и W).

При проектировании систем с несколькими объективами разработчики оптических систем используют взаимодействия всех компонентов системы для минимизации сферических и других аберраций. Недостаточная коррекция одной линзы может использоваться для компенсации чрезмерной коррекции другой линзы. Если оптическая система должна содержать только одну сферическую линзу, сферическая аберрация может быть сведена к минимуму, если обе поверхности линзы вносят одинаковый вклад в мощность линзы. Изготовление линзы с большим радиусом кривизны также поможет минимизировать сферическую аберрацию.

Коматическая аберрация (Кома)

Сферические аберрации описывают, где различные точки фокусируются вдоль оптической оси. Изображение точки объекта, которая лежит вне оптической оси, сформирует изображение в форме капли. Расклешенный хвост изображения обычно направлен в сторону от оси, но он также может быть ориентирован в направлении оси.

кома

Кома размывает изображение внеосевой точки в форме слезы.

Когда объект изображается линзой, которая страдает от комы, лучи, которые проходят через периферию линзы, формируют изображение большего размера, чем лучи, которые проходят через линзу ближе к оси. Исправление комы требует, чтобы различные изображения были сделаны с перекрытием. В действительности, изображения, сформированные параксиальным и периферическим лучами, должны испытывать различные степени увеличения.

Кому можно свести к минимуму, тщательно указав радиусы кривизны двух сторон одной линзы или используя комбинацию оптических элементов. Когда оптическая система не имеет сферической аберрации или комы, она называется апланатической.

Астигматизм

Лучи, которые испускаются из точки объекта, формируют правильный круглый конус, когда они движутся к линзе. Когда точка объекта расположена вне оси, этот конус лучей образует эллипс на поверхности линзы. (Если бы конус лучей был испущен из точки объекта на оси, они бы образовали круг на поверхности линзы.) Тангенциальная плоскость пересекает большую ось эллипса и содержит как оптическую ось, так и точку объекта. Сагиттальный план ориентирован перпендикулярно тангенциальной плоскости.

Из-за различных путей пересечения линзы лучи в тангенциальной плоскости и лучи в сагиттальной плоскости эффективно испытывают линзы с разными фокусными расстояниями. Эффективная линза, которую испытывают лучи в тангенциальной плоскости, имеет большую мощность. Из-за этой асимметрии лучи в тангенциальной плоскости фокусируются ближе к линзе, чем сагиттальные лучи.

иллюстрация астигматизма

На верхнем рисунке показано, как система, страдающая от астигматизма, фокусирует конус лучей из внеосевой точки на тангенциальную и сагиттальную плоскости. Нижняя фигура помещает экран просмотра в точку объекта, тангенциальный фокус и сагиттальный фокус.

Расположение точек изображения для тангенциального и сагиттального лучей совпадает на оптической оси, и они расходятся для точек дальше от оптической оси.

Астигматизм

Астигматизм вызывает фокусирование лучей в тангенциальной плоскости на поверхность, отличную от лучей в сагиттальной плоскости.

Кривизна поля

Кривизна поля — это аберрация, связанная с астигматизмом, но она может существовать в системе, которая не страдает астигматизмом. В случае искривления поля объект изображается на изогнутой поверхности, а не на плоскости. Изображение не размыто этой аберрацией; оно просто проецируется на изогнутую поверхность. Это проблема для камер и слайд-проекторов, потому что плоскость изображения должна быть плоской для этих применений. Изогнутое поле изображения можно сплющить с помощью комбинации линз. Если используются две линзы, их показатели преломления (n1 и n2) и их фокусные расстояния (f1 и f2) должны соответствовать следующему условию:

n1f1 + n2f2 = 0.

кривизна поля

Если система демонстрирует кривизну поля, объекты отображаются на изогнутой плоскости изображения.

Искажение

Как и кривизна поля, изображение, которое страдает от искажений, не размыто. Вместо этого точки изображения смещены в радиальном направлении от положений, предсказанных при прохождении параксиальных лучей через оптическую систему. Точки изображения могут быть смещены либо к оптической оси, либо от нее. Этот эффект предполагает, что различные части объекта испытывают различное увеличение.

При подушкообразном искажении увеличение увеличивается в указанных направлениях. Изображение квадрата, страдающего от подушкообразного искажения, имело бы вытянутые углы.

При бочкообразным искажении увеличение уменьшается по указанным направлениям. Изображение квадрата, страдающего от бочкообразного искажения, будет характеризоваться пересеченными углами.

подушкообразное и бочкообразное искажение

Подушкообразные искажения сжимают и растягивают изображение квадрата по углам (а). 
Бочкообразное искажение сдвигает углы изображения квадрата к центру (b).

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...