Aberace optické soustavy

Aberace optické soustavy - chyba nebo chyba obrazu v optické soustavě , způsobená odchylkou paprsku od směru, kterým by se měl v ideálním optickém systému ubírat . Aberace je charakterizována různými typy porušení homocentricity [1] ve struktuře svazků paprsků vycházejících z optické soustavy.

Hodnotu aberace lze získat jak porovnáním souřadnic paprsků přímým výpočtem pomocí přesných geometricko-optických vzorců, tak přibližně - pomocí vzorců teorie aberací.

V tomto případě je možné aberaci charakterizovat jak kritérii paprskové optiky , tak na základě konceptů vlnové optiky . V prvním případě je odchylka od homocentricity vyjádřena myšlenkou geometrických aberací a obrazců rozptylu paprsků v bodových obrázcích. Ve druhém případě je odhadnuta deformace kulové světelné vlny procházející optickým systémem, čímž se zavádí koncept vlnových aberací. Oba způsoby popisu jsou vzájemně propojené, popisují stejný stav a liší se pouze formou popisu.

Pokud má čočka zpravidla velké aberace, pak je snazší je charakterizovat hodnotami geometrických aberací, a pokud jsou malé, pak na základě konceptů vlnové optiky.

Aberace lze rozdělit na monochromatické, to znamená, že jsou vlastní monochromatickým svazkům paprsků, a chromatické .

Monochromatické aberace

Takové chyby obrazu jsou vlastní každému skutečnému optickému systému a nelze je v zásadě eliminovat. Jejich výskyt je vysvětlen skutečností, že lámavé povrchy nejsou schopny shromáždit do bodu široké paprsky paprsků dopadajících na ně pod velkými úhly.

Tyto aberace vedou k tomu, že obraz bodu je nějaký rozmazaný obrazec ( rozptylový obrazec ), a ne bod, což zase negativně ovlivňuje jasnost obrazu a narušuje podobnost obrazu a objektu. .

Teorie aberací

Teorie geometrických aberací stanovuje funkční závislost aberací na souřadnicích dopadajícího paprsku a na konstrukčních prvcích optického systému – na poloměrech jeho povrchů, tloušťkách, indexech lomu čoček atd.

Monochromatické aberace třetího řádu

Teorie aberací se omezuje na přibližné znázornění složek aberací ( a ) ve formě řady, jejíž členy obsahují určité koeficienty (součty proměnných) , které závisí pouze na konstrukčních prvcích optické soustavy a na poloha objektu a rovin vstupní pupily, ale nezávisí na souřadnicích paprsku. Například meridionální [2] složka aberace třetího řádu může být reprezentována vzorcem: $\delta g'$ $\delta G'$ $a_{1},a_{2},\tečky ,a_{k}$

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

kde a jsou souřadnice paprsku, které se objevují jako faktory členů řady. $l$ $m$

Počet takových koeficientů aberace třetího řádu je pět a zpravidla se označují písmeny S I , S II , S III , S IV , S V .

Navíc se pro zjednodušení analýzy předpokládá, že ve vzorcích pouze jeden z koeficientů není roven nule a určuje odpovídající aberaci.

Každý z pěti koeficientů určuje jednu z takzvaných pěti Seidelových aberací :

S I - sférická aberace ;
S II - kóma ;
S III - astigmatismus ;
S IV - zakřivení pole (povrchu) obrazu ;
S V - zkreslení .

V reálných systémech se určité typy monochromatických aberací téměř nikdy nevyskytují. Ve skutečnosti je pozorována kombinace všech aberací a studium komplexního aberačního rozptylového čísla pomocí výběru jednotlivých typů aberací (jakéhokoli řádu) není nic jiného než umělá technika, která usnadňuje analýzu jevu.

Monochromatické aberace vyššího řádu

Obraz rozložení paprsků v obrazcích rozptylu je zpravidla znatelně komplikován tím, že aberace vyšších řádů jsou superponovány na kombinaci všech aberací třetího řádu. Toto rozložení se znatelně mění s polohou bodu objektu a systémové díry. Například sférická aberace pátého řádu, na rozdíl od sférické aberace třetího řádu, chybí v bodě optické osy, ale roste úměrně druhé mocnině vzdálenosti od ní.

Vliv aberací vyšších řádů se zvyšuje s rostoucí relativní světelností objektivu, a to tak rychle, že v praxi jsou optické vlastnosti rychlých objektivů přesně určeny vyššími řády aberací.

Hodnoty aberací vyšších řádů jsou brány v úvahu na základě přesného výpočtu dráhy paprsků optickým systémem (trasování). Zpravidla s využitím specializovaných programů pro optické modelování (Code V, OSLO, ZEMAX atd.)

Chromatické aberace

Chromatické aberace jsou způsobeny disperzí optických médií , ze kterých je vytvořena optická soustava - tedy závislost indexu lomu optických materiálů, ze kterých jsou prvky optické soustavy vyrobeny, na délce procházející světelné vlny. .

Mohou se projevovat cizím zabarvením obrazu a výskytem barevných kontur v obraze předmětu, které v objektu chyběly.

Mezi tyto aberace patří polohová chromatická aberace (chromatismus) , někdy nazývaná „longitudinální chromatismus“, a zvětšovací chromatická aberace (chromatismus) .

Je také zvykem označovat chromatické aberace chromatické rozdíly geometrických aberací , zejména chromatický rozdíl sférických aberací pro paprsky různých vlnových délek (tzv. sférochromatismus) a chromatický rozdíl aberací nakloněných paprsků.

Difrakční aberace

Difrakční aberace je způsobena vlnovou povahou světla, a proto je základní povahy, a proto ji nelze v zásadě odstranit. Kvalitní čočky jí trpí úplně stejně jako ty levné. Zmenšit ji lze pouze zvětšením apertury optické soustavy. Tato aberace je způsobena difrakcí světla clonou a tubusem fotografického objektivu . Difrakční aberace omezuje rozlišovací schopnost fotografického objektivu . Kvůli této aberaci je minimální úhlová vzdálenost mezi body povolená čočkou omezena hodnotou radiánů , kde (lambda) je elektromagnetická vlnová délka světelného rozsahu (vlnové délky od 400 nm do 700 nm) a je průměr čočka (ve stejných jednotkách, které a ). $1.22\times \lambda /D$ $\lambda$ $D$ $\lambda$

Není možné zcela eliminovat aberace v optických systémech. Vzhledem k technickým požadavkům a nákladům na výrobu systému jsou uvedeny na minimální možné hodnoty. Někdy jsou také některé aberace minimalizovány zvýšením jiných.

Viz také

Poznámky

↑ Homocentrický (homocentrický) je paprsek světelných paprsků vyzařovaný svítícím bodem nebo se sbíhající v jednom bodě.
↑ Tedy ležící v rovině poledníku .
Poledníková rovina v optických systémech se středovou symetrií bude jakákoli rovina, do které patří optická osa systému. V evropské a americké optické literatuře je tato rovina častěji označována jako tangenciální .
Sagitální rovina pro jakýkoli paprsek paprsků ležící v rovině poledníku bude rovinou, která zahrnuje hlavní paprsek tohoto svazku a je kolmá k rovině poledníku.

Literatura

Fotografická optika Volosov D.S. M.: Umění, 1971.
Rusinov M. M. Složení optických soustav. L.: Mashinostroenie, 1989.
Sivukhin DV Obecný kurz fyziky. Optika. Moskva: Nauka, 1985.

Odkazy

Překlad části o optické terminologii z "Canon Lens Work II"

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Skvělý norský Skvělý norský Velký Rus Britannica (online) Britannica (online) Brockhaus
V bibliografických katalozích	BNE : XX5241153 NKC : ph543019