ФИЗИКА
5.1.3. Недостатки (аберрации) оптических систем
При построении изображения малого предмета в тонкой линзе мы пользовались параксиальным пучком света. Кроме того, лучи параксиального пучка составляли небольшие углы с главной оптической осью. Далее падающий свет считали монохроматическим, а показатель преломления материала линзы – не зависящим от длины волны падающего света. На практике все эти условия не соблюдаются и возникают соответствующие недостатки оптических систем. Коротко остановимся на некоторых из них.
Сферическая аберрация. В случае тонкой линзы параксиальный пучок, исходящий из точки s, после преломления в линзе пересекает оптическую ось в одной точке. Если же пучок света, исходящий из источника s, составляет большой угол с главной оптической осью, то лучи, составляющие разные углы, пересекают оптическую ось не в одной точке, а в разных точках, например s1, s2, s3 (рис. 5.1.18). Лучи, более удалённые от центра линзы, сильнее преломляются и пересекают главную оптическую ось на более близких расстояниях от центра линзы. В результате на экране вместо стигматического точечного изображения получается расплывчатое пятно. Такая погрешность, связанная со сферичностью преломляющих поверхностей, называется сферической аберрацией. Для количественной характеристики сферической аберрации вводится понятие продольной аберрации, равной линейному расстоянию точки пересечения крайних (лучи 3) на рис. 5.1.18 и центральных (лучи 1) лучей пучка с главной оптической осью (s3s1).
Рис. 5.1.18 |
Продольные аберрации собирательной и рассеивающей линз противоположны по знаку. Это позволяет, комбинируя такие линзы, уменьшить сферическую аберрацию.
Хроматическая аберрация. Из-за явления дисперсии (зависимость показателя преломления от длины волны) для данной линзы фокусы Fф Fкр для разных цветов будут смещены друг относительно друга (рис. 5.1.19). В результате этого изображение белого пятна получается цветным. Чередование цветов зависит от положения экрана наблюдения, а соответствующее искажение носит название хроматической аберрации. Хроматическая аберрация, подобно сферической, количественно характеризуется продольной хроматической аберрацией (Fф Fкр). Для сведения к минимуму хроматической аберрации пользуются комбинацией линз, изготовленных из специально подобранных материалов. Такая система называется ахроматической.
Рис. 5.1.19 |
Дисторсия. Погрешность, при которой при больших углах падения лучей на линзу линейное увеличение для точек предмета, находящихся на разных расстояниях от главной оптической оси, несколько различается, называется дисторсией. В результате нарушается геометрическое подобие между предметом (прямоугольная сетка на рис. 5.1.20а) и его изображением (см. рис. 5.1.20б – подушкообразная дисторсия; см. рис. 5.1.20в – бочкообразная дисторсия). Дисторсию исправляют соответствующим подбором составляющих частей оптической системы.
Рис. 5.1.20 |
Кома. Если через оптическую систему проходит широкий пучок света от светящейся точки, расположенной не на оптической оси, то получаемое изображение этой точки будет в виде освещённого пятнышка, напоминающего кометный хвост. Такая погрешность поэтому и называется комой. Устранение комы производится теми же приёмами, что и сферической аберрации.
Астигматизм. Погрешность, обусловленная неодинаковостью кривизны оптической поверхности в разных плоскостях сечения падающего на неё светового пучка, называется астигматизмом. Так, изображение точки, удалённой от главной оптической оси, наблюдается на экране в виде расплывчатого пятна эллиптической формы. Это пятно в зависимости от расстояния экрана до оптического центра линзы вырождается либо в вертикальную, либо в горизонтальную прямую. Астигматизм исправляется подбором радиусов кривизны преломляющих поверхностей и их фокусных расстояний. Системы, исправленные на сферическую, хроматическую аберрации и астигматизм, называются анастигматами.
Устранение аберраций возможно лишь подбором специально рассчитанных сложных оптических систем.
к к к