Дефекты оптических систем
Аберрация – отклонение хода лучей от идеальной схемы, создающее деформации изображения.
Аберрации выражают или в волновой мере (волновая аберрация или дефект в длине оптического луча выраженный в числе или долях длин волн излучения), или в линейной (отклонение в пересечении лучом плоскости изображения - поперечная аберрация или оси пучка - продольная аберрация), или угловой (отклонение в угле выхода луча из оптической системы), или диоптрийной (отклонение в сходимости). Эти представления можно пересчитать из одного в другое. Существуют критерии (Релея, Марешаля, Штреля) оценки допустимости уровня аберраций, при котором их вред еще не существенен.
Виды аберраций:
1) Хроматическая аберрация – паразитная дисперсия света, проходящего через оптическую систему. Является следствием разного показателя преломления оптическим материалом световых волн разной длины (например, красные лучи преломляются слабее, синие и фиолетовые – сильнее). Проявляется в постороннем окрашивании изображения и в появлении у предмета цветных контуров, которые у предмета отсутствовали. Вследствие хроматической аберрации световые лучи не могут быть сведены в одну точку и поэтому изображение светящейся точки будет иметь вид окрашенного кружка (кружок хроматической аберрации или «поперечный хроматизм»).
Подвиды хроматических аберраций:
а) хроматизм положения (т.н. «продольный хроматизм») – растянутость изображения вдоль оптической оси, вычисляется как разность фокуса синих и красных лучей (если наводить на резкость по красным лучам, изображение в синих лучах будет не в фокусе, и наоборот); уменьшается диафрагмированием объектива, частично устраняется в ахроматических (сближение фокусов двух лучей) и значительно лучше в апохроматических объективах (сближение фокусов трех лучей), также существуют объективы-суперапохроматы (сближение фокусов четырех лучей);
б) хроматизм увеличения (хроматическая разность увеличения) – изображение одного и того же предмета в лучах разного цвета имеют несколько различный размер; не уменьшается от диафрагмирования;
в) хроматические разности геометрических аберраций – различие в проявлениях геометрических аберраций (например сферической – т.н. «сферохроматизм») в зависимости от цвета;
2) Сферическая аберрация – разные кольцевые зоны пучка (участки, отстоящие на разном расстоянии от оптической оси) фокусируются на разных расстояниях от номинальной плоскости изображения. Проявляется в невозможности навести резкость для всех кольцевых зон изображения. Подразделяется на отрицательную (кольцевая зона фокусируется до плоскости изображения) и положительную (кольцевая зона фокусируется после плоскости изображения). Аналогично хроматической аберрации, сферическая представлена поперечной и продольной аберрациями.
Продольная аберрация лучей пропорциональна квадрату расстояния точки их падения от оси (квадрату зоны), а поперечная аберрация – кубу этого расстояния.
Диагностика. Если при достаточно большом увеличении пятно расфокусировки звезды или другого условно точечного тест-предмета в предфокале имеет яркий резко очерченный край, а в зафокале внешний край более тусклый и размытый, то имеем отрицательную (недокомпенсированную) сферическую аберрацию. И наоборот, если в зафокале яркий резко очерченный край, а в предфокале более тусклый и размытый внешний край, то перед нами положительная (перекомпенсированная) сферическая аберрация.
В ахроматической комбинации двух линз (собирающей и рассеивающей) с соответствующей формой поверхности сферические аберрации могут в известной мере компенсировать друг друга (наряду с исправлением хроматической аберрации). В зеркальной оптике сферическую аберрацию исправляют асферизацией зеркал – поскольку в сферическом зеркале фокус краевых лучей лежит ближе к объективу, чем фокус центральных, то для приведения всех лучей к одной точке фокуса необходимо придать зеркалу параболическую форму.
3) Кома – каждый участок оптической системы (кольцевая зона), удаленный от ее оси на расстояние d, дает изображение светящейся точки в виде кольца, радиус которого тем больше, чем больше d. Проявляется во все большем размытии изображения звезд и их вытягивании по радиусу поля по мере удаления от центра и приближения к краям поля зрения – с одного конца более широкие и тусклые, с другого более узкие и яркие.
Вред от нее тем сильнее, чем больше поле зрения и чем больше относительное отверстие телескопа. Таким образом наиболее страдают от комы светосильные ньютоны. В катадиоптриках кома исправляется совместно со сферической аберрацией с помощью корректирующей линзы. Если при изготовлении системы допущена децентровка одной из поверхностей, то кома искажает изображения и тех точек, которые расположены на оси оптической системы.
Оптические системы с исправленной комой и сферической аберрацией называются апланатическими. Например, классический телескоп Ньютона, Кассегрен и обычный Шмидт-Кассегрен неапланатичны, а Максутовкий Кассегрен, Ричи-Кретьен и схема Клевцова апланатичны. Апланатические оптические системы кроме того менее подвержены разъюстировкам. Для неапланатичных систем существуют отдельные линзовые корректоры комы.
4) Астигматизм – как и кома, сказывается на изображении, лежащем в стороне от центра поля зрения, и выражается в том, что световой пучок при построении изображения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях фокусируется на разных расстояниях от выходного зрачка оптического инструмента. Астигматизм объясняется зависимостью углов преломления лучей пучка от углов их падения.
Проявляется в том, что изображение точки растягивается в черточку; при отодвигании окуляра от точной наводки на фокус изображение вместо кружка расплывается в эллипс, большая ось которого принимает одно из двух взаимно перпендикулярных направлений в пред- и зафокале. Астигматизм пропорционален относительному отверстию.
Данная аберрация растет квадратично по мере отступа от оси изображения и линейно – при росте диаметра апертуры.
К проявлению астигматизма могут приводить деформации оптических поверхностей, возникающие, например, при их пережатии в оправах, отражении под косыми углами слегка выпуклых/вогнутых диагональных зеркал.
5) Кривизна поля – заключается в том, что в реальности «фокальная плоскость» на самом деле не плоскость, а некая кривая поверхность. Так, фокальная плоскость в двухлинзовом ахромате обращена к объективу своей вогнутостью.
Эта аберрация родственна астигматизму, поскольку возникает при совместном отклонении фокусов наклонных взаимно перпендикулярных пучков от плоскости фокусировки.
Если окуляр сфокусирован по изображению звезды, находящейся в центре поля зрения, то вследствие кривизны поля изображение звезды, видимой у его края, оказывается не в фокусе.
Как и астигматизм, кривизна пропорциональна квадрату полевого угла.
Кривизна поля не столь опасна в визуальных системах, и в некоторых пределах (плюс-минус 3-4 диоптрии) нормальный глаз легко перефокусируется при переводе взгляда от центра к краю изображения. Однако для фотографических систем вроде фотообъективов исправление кривизны изображения является обязательным. Для ее хорошего исправления, с учетом других аберраций, обычно необходимо, чтобы объектив содержал не менее двух отрицательных линз. При невозможности исправления кривизна может быть (частично) взаимно скомпенсирована астигматизмом.
6) Дисторсия – искажение подобия. Состоит в том, что увеличение, даваемое объективом (масштаб изображения) меняется по мере удаления от оптической оси. Следствием этого является искажение геометрии фигур.
Выделяют:
а) положительную («подушкообразную») дисторсию – увеличение на краю поля зрения больше, чем в центре, таким образом у геометрической фигуры квадрат, подверженной этой разновидности дисторсии, визуально ребра прогибаются к центру, а углы заостряются, таким образом, он становится похожим на подушку (откуда и произошло название);
а) отрицательную («бочкообразную») дисторсию – увеличение на краю поля зрения меньше, чем в центре, таким образом у геометрической фигуры квадрат, подверженной этой разновидности дисторсии, визуально ребра выгибаются от центра, а углы затупляются;
Дисторсия исправляется подбором линз и других элементов оптической системы при ее разработке. Если присутствует в цифровом изображении, может быть исправлена программно.
Данный вид аберраций искажает форму объекта примерно пропорционально третьей степени удаления от центра поля зрения. Дисторсия зависит также и от длины волны, что дает побочный эффект, сходный с хроматизмом увеличения.
Оптические объективы и окуляры, свободные от дисторсии, называются ортоскопическими.
Также отдельно от общего перечня аберраций можно выделить следующие недостатки объективов:
1) Светопотери – следствие:
а) поглощения света линзой - различно для разного сорта стекла и разных длин волн, например, обычные стекла поглощают главным образом ультрафиолетовые и фиолетовые лучи; обычные светопотери на одной линзе составляют 4-6%, а также зависит от толщины линзы;
б) отражения зеркалом - часть лучей поглощается, а часть рассеивается, например, серебряный слой зеркала (в отличие от алюминиевого) поглощает значительную часть ультрафиолетовых лучей;
Устраняются так называемым просветлением оптики – нанесением на оптические поверхности тончайших пленок вещества, обладающего низким показателем преломления.
2) Искажение изображения вследствие деформации объектива – происходит под воздействием собственной тяжести линзы или зеркала значительных размеров, а также в результате расширения и сжатия при колебаниях температуры. Современные стекла, как правило, хорошо отожжены, поэтому температурные колебания не очень сильно портят изображения, однако сказываются на расфокусировке.
3) Виньетирование – дефект, при котором яркость изображения падает к периферии по сравнению с его центром. В зависимости от принципа образования подразделяется на:
а) геометрическое - обрезание внеосевых световых пучков элементами конструкции объектива (трубы телескопа) тем, что принято называть виньетирующими диафрагмами. То есть внеосевые точки изображения строится в условиях геометрического виньетирования меньшей апертурой, чем осевая (в центре изображения);
б) механическое – в некоторых случаях существует виньетирование элементами конструкции;
в) оптическое - краями линз в многолинзовых конструкциях.
Геометрическое виньетирование приводит у падению яркости (освещенности) изображения к краю из-за уменьшения площади входного зрачка. Однако довольно часто расчетчики объективов используют виньетирование для отсечения широких аберрационных "крыльев" полевых пучков.
