Поняття про аберації. Монохроматичні і хроматичні аберації (стр. 1 из 3)

Поняття про аберації. Монохроматичні і хроматичні аберації

В області параксіальних променів утворюється ідеальне зображення. Однак практичне використання оптичних систем, обмежених параксіальною областю, дуже мале. При збільшенні площі перетину пучків променів і розширенні області простору, що зображений реальною оптичною системою, хід променів у системі і будівля пучків значно відрізняються від того, що має місце в ідеальній системі. У результаті реальні оптичні системи дають зображення, яке лише більш-менш наближаєтьсся до ідеального. У зв'язку з цим необхідний критерій оцінки, за яким можна судити про ступінь наближення реальної системи до ідеальної і який оцінюється якістю зображення. Одним з таких критеріїв є аберації – погрішності зображень. Ці погрішності обумовлені відхиленнями променів від тих напрямків, по яких вони повинні були б йти в ідеальній оптичній системі. Таким чином, аберації можна розглядати як порушення гомо-центричності пучків променів або сферичності хвильових поверхонь, а також як порушення розташування точки зображення при дії реальної оптичної системи стосовно ідеальної.

Аберації оптичних систем поділяють на монохроматичні і хроматичні. Монохроматичними абераціями називають погрішності зображення, що мають місце для променів визначеної довжини хвилі. Сутність хроматичних аберацій в тому, що при проходженні через заломлюючі поверхні випромінювання складного спектрального складу воно розпадається на складені спектральні частини внаслідок дисперсії світла. У цьому випадку зображення являє собою суму великого числа монохроматичних зображень, які не збігаються між собою ані за розміщенням чи за розмірами. Зображення стає пофарбованим.

Для математичного опису монохроматичних аберацій їх поділяють на аберації третього порядку й аберації вищого порядку, а хроматичні – на аберації першого порядку, третього порядку й аберації вищого порядку. У свою чергу серед монохроматичних аберацій третього порядку розрізняють:

1) сферичну аберацію;

2) кому;

3) астигматизм;

4) кривизну зображення і

5) дисторсію.

Хроматичні аберації першого порядку включають:

1) хроматизм положення;

2) вторинний спектр і

3) хроматизм збільшення.

Хроматичні аберації третього порядку можна поділити на:

1) сферохроматичну аберацію;

2) кольорову кому;

3) кольоровий астигматизм;

4) кольорову кривизну і

5) хроматичну дисторсію.

Повний опис аберацій може бути отриманий за допомогою эйконалів. Эйконали – це функції від деяких параметрів, що виражають оптичні довжини променя між спеціальним образом обраними точками. Оптична довжина променя визначається сумою

добутків показників заломлення на відрізки , відлічувані вздовж шляху променя, що йде від предметної точки до точки зображення.

Монохроматичні аберації. У загальному випадку геометричний зміст аберацій стає зрозумілим з рис. 1. Перед умовно зображеною оптичною системою розташовується предмет

, ідеальне зображення якого . У зв'язку з тим, що реальна оптична система порушує гомоцентричність променів, у загальному випадку зовнішньомеридіональний промінь, що вийшов із точки В0, після оптичної системи в точку В не приходить, а перетинає площину ідеального зображення в точці . Тоді геометричною аберацією буде відрізок . Зазвичай знаходять проекції аберацій на двох площинах: меридіональну та сагитальну . Тоді координатами точки будуть та . На розглянутому рисунку і – площини предмета та зображення; і – площини вхідної і вихідної зіниць; положення предметної площини і площини зображення щодо першої й останньої поверхонь оптичної системи визначаються відповідно відрізками s і , а положення зіниць щодо тих же поверхонь- відрізками sp і .

Рисунок 1– Геометричне представлення аберації

Меридіональна

і сагитальна складові поперечної аберації зовнішньомеридіонального променя є функціями координат променя у площині предмета і вхідної зіниці (у, т, М), а також залежать від конструктивних параметрів оптичної системи, положення предметної площини і вхідної зіниці (Sp'). Теорія аберацій встановлює зв'язок між складовими аберацій та і координатами променя у, т та М:

(1)

Внаслідок симетрії системи щодо оптичної осі функції (1) не містять членів парних порядків:

Складові аберацій

і називають абераціями третього порядку, і - п'ятого порядку і т.д. До аберацій вищих порядків відносять складові аберацій вище третього порядку.

Найбільше застосування в обчислювальній оптиці отримали розкладання Зейделя (або аберації третього порядку), що записуються у такому вигляді:

(2)

де А, В, С, D, Е- коефіцієнти, що залежать від конструктивних параметрів, а також від положення площин предмета і вхідної зіниці.

Кожний з коефіцієнтів у формулах (2) визначає окрему аберацію, для якої характерна своя фігура розсіювання.

Розгляд фігур розсіювання, що виникають при абераціях третього порядку, зручно проводити в полярних координатах і за умови, що присутнім є тільки один який-небудь коефіцієнт. У цьому випадку

і , де j- кут між радіусом-вектором і віссю ординат.

Сферична аберація. Припустимо, що B = C = D = E = 0, A ¹ 0. З формул (2) випливає, що

Переходячи до полярних координат, після нескладних перетворень одержуємо рівняння окружності

.

Отже, зображення точки при наявності сферичної аберації виходить у вигляді плоского кола (диска), радіус якого пропорційний до третього ступеня радіуса-вектора r, який визначає точку зустрічі променя з площиною вхідної зіниці, а центр збігається з початком координат. Особливістю сферичної аберації третього порядку є те, що вона не залежить від розміру предмета, тобто вона постійна на всім полі.

Величину

називають подовжньою сферичною аберацією, а - поперічною сферичною аберацією.

З розгляду рис. 2, а випливає, що якщо площину зображення переміщати вздовж оптичної осі від площини ідеального зображення 2, то можна значно зменшити розмір кола розсіювання. Площина 1, у якій коло розсіювання має мінімальний розмір, називається площиною найкращої установки (ПНУ). При наявності в оптичній системі сферичної аберації тільки третього порядку зсув ПНУ на величину

дозволяє отримати , де , – подовжня і поперечна сферичні аберації для променя, що проходить через край вхідної зіниці. На рис. 2, б показаний графік залежності поперечної сферичної аберації від вихідного апертурного кута. Користуючись цим графіком, можна визначити положення ПНУ.