Aberația sistemului optic

Aberație a sistemului optic - o eroare sau eroare de imagine în sistemul optic , cauzată de abaterea fasciculului de la direcția în care ar trebui să meargă într -un sistem optic ideal . Aberația este caracterizată de diferite tipuri de încălcări ale homocentricității [1] în structura fasciculelor de raze care ies din sistemul optic.

Valoarea aberației poate fi obținută atât prin compararea coordonatelor razelor prin calcul direct folosind formule geometric-optice exacte, cât și aproximativ - folosind formulele teoriei aberațiilor.

În acest caz, este posibil să se caracterizeze aberația atât prin criteriile opticei cu raze , cât și pe baza conceptelor de optică ondulată . În primul caz, abaterea de la homocentricitate este exprimată prin ideea aberațiilor geometrice și a figurilor de împrăștiere a razelor în imagini punctuale. În al doilea caz se estimează deformarea unei unde luminoase sferice trecute prin sistemul optic, introducând conceptul de aberații de undă. Ambele metode de descriere sunt interconectate, descriu aceeași stare și diferă doar prin forma descrierii.

De regulă, dacă lentila are aberații mari, atunci este mai ușor să le caracterizați prin valorile aberațiilor geometrice, iar dacă acestea sunt mici, atunci pe baza conceptelor de optică ondulată.

Aberațiile pot fi împărțite în monocromatice, adică inerente fasciculelor de raze monocrome și cromatice .

Aberații monocromatice

Astfel de erori de imagine sunt inerente oricărui sistem optic real și nu pot fi eliminate în principiu. Apariția lor se explică prin faptul că suprafețele de refracție nu sunt capabile să colecteze într-un punct fascicule largi de raze care cad asupra lor la unghiuri mari.

Aceste aberații duc la faptul că imaginea unui punct este un fel de figură neclară ( cifră de împrăștiere ), și nu un punct, care, la rândul său, afectează negativ claritatea imaginii și încalcă asemănarea imaginii și a obiectului. .

Teoria aberațiilor

Teoria aberațiilor geometrice stabilește dependența funcțională a aberațiilor de coordonatele fasciculului incident și de elementele structurale ale sistemului optic — de razele suprafețelor sale, grosimi, indici de refracție ai lentilelor etc.

Aberații monocromatice de ordinul al treilea

Teoria aberațiilor se limitează la o reprezentare aproximativă a componentelor aberațiilor ( și ) sub forma unei serii, ai cărei membri conțin anumiți coeficienți (sume de variabile) care depind doar de elementele structurale ale sistemului optic și de poziția obiectului și a planurilor pupilei de intrare, dar nu depind de coordonatele fasciculului. De exemplu, componenta meridională [2] a aberației de ordinul trei poate fi reprezentată prin formula: $\delta g'$ $\delta G'$ $a_{1},a_{2},\dots ,a_{k}$

\delta g'=a'_{1}m^{3}+a'_{2}lm^{2}+a'_{3}l^{2}m+a'_{4 }l^{3}

unde și sunt coordonatele razelor care apar ca factori ai termenilor seriei. $l$ $m$

Numărul acestor coeficienți de aberație de ordinul trei este de cinci și, de regulă, ei sunt notați cu literele S I , S II , S III , S IV , S V .

Mai mult, pentru a simplifica analiza, se presupune că în formule doar unul dintre coeficienți nu este egal cu zero și determină aberația corespunzătoare.

Fiecare dintre cei cinci coeficienți determină una dintre așa-numitele cinci aberații Seidel :

S I - aberatie sferica ;
S II - coma ;
S III - astigmatism ;
S IV - curbura câmpului (suprafeței) imaginii ;
S V - distorsiune .

În sistemele reale, anumite tipuri de aberații monocromatice nu apar aproape niciodată. În realitate, se observă o combinație a tuturor aberațiilor, iar studiul unei figuri de împrăștiere aberaționale complexe prin selectarea unor tipuri individuale de aberații (de orice ordine) nu este altceva decât o tehnică artificială care facilitează analiza fenomenului.

Aberații monocromatice de ordin superior

De regulă, imaginea distribuției razelor în figurile de împrăștiere este semnificativ complicată de faptul că aberațiile de ordine superioare sunt suprapuse combinației tuturor aberațiilor de ordinul trei. Această distribuție se schimbă considerabil odată cu poziția punctului obiect și a găurii sistemului. De exemplu, aberația sferică de ordinul cinci, spre deosebire de aberația sferică de ordinul trei, este absentă într-un punct de pe axa optică, dar crește proporțional cu pătratul distanței de la aceasta.

Influența aberațiilor de ordin superior crește pe măsură ce deschiderea relativă a lentilei crește și atât de repede încât, în practică, proprietățile optice ale lentilelor rapide sunt determinate tocmai de ordinele superioare ale aberațiilor.

Valorile aberațiilor de ordin superior sunt luate în considerare pe baza unui calcul precis al traseului razelor prin sistemul optic (urmărire). De regulă, cu utilizarea programelor specializate pentru modelare optică (Cod V, OSLO, ZEMAX etc.)

Aberații cromatice

Aberațiile cromatice sunt cauzate de dispersia mediilor optice din care este format sistemul optic - adică dependența indicelui de refracție al materialelor optice din care sunt realizate elementele sistemului optic de lungimea undei luminoase transmise. .

Ele se pot manifesta prin colorarea străină a imaginii și prin apariția unor contururi de culoare în imaginea obiectului, care erau absente în obiect.

Aceste aberații includ aberația cromatică de poziție (cromatism) , numită uneori „cromatism longitudinal”, și aberația cromatică de mărire (cromatism) .

De asemenea, se obișnuiește să se facă referire la aberațiile cromatice diferențele cromatice ale aberațiilor geometrice , în principal diferența cromatică a aberațiilor sferice pentru raze de diferite lungimi de undă (așa-numitul „sferocromatism”) și diferența cromatică a aberațiilor fasciculelor înclinate.

Aberația difractivă

Aberația difractivă se datorează naturii ondulatorii a luminii și, prin urmare, este de natură fundamentală și, prin urmare, nu poate fi eliminată în principiu. Lentilele de înaltă calitate suferă exact în același mod ca și cele ieftine. Poate fi redusă doar prin creșterea deschiderii sistemului optic. Această aberație se datorează difracției luminii de către diafragma și cilindrul unui obiectiv fotografic . Aberația difractivă limitează puterea de rezoluție a unui obiectiv fotografic . Datorită acestei aberații, distanța unghiulară minimă dintre puncte permisă de lentilă este limitată de valoarea radianilor , unde (lambda) este lungimea de undă electromagnetică a domeniului luminii (lungimi de undă de la 400 nm la 700 nm) și este diametrul obiectivul (în aceleași unități, care și ). $1,22\times \lambda /D$ $\lambda$ $D$ $\lambda$

Este imposibil să eliminați complet aberațiile din sistemele optice. Sunt aduse la valorile minime posibile, datorită cerințelor tehnice și a costului de fabricație a sistemului. Uneori, de asemenea, unele aberații sunt minimizate prin creșterea altora.

Vezi și

Note

↑ Homocentric (homocentric) este un fascicul de raze luminoase emis de un punct luminos sau care converg într-un punct.
↑ Adică situat în plan meridional .
Planul meridional , în sistemele optice cu simetrie centrală, va fi orice plan căruia îi aparține axa optică a sistemului. În literatura optică europeană și americană, acest plan este mai des denumit tangențial .
Planul sagital , pentru orice fascicul de raze situat în planul meridional, va fi planul care include fasciculul principal al acestui fascicul și este perpendicular pe planul meridional.

Literatură

Volosov D.S. Optica fotografică. M.: Art, 1971.
Rusinov M. M. Compoziția sistemelor optice. L.: Mashinostroenie, 1989.
Sivukhin DV Curs general de fizică. Optica. Moscova: Nauka, 1985.

Link -uri

Traducerea secțiunii privind terminologia optică din „Canon Lens Work II”

Dicționare și enciclopedii	mare danez Mare norvegian Mare norvegian Rusă mare Britannica (online) Britannica (online) Brockhaus
În cataloagele bibliografice	BNE : XX5241153 NKC : ph543019