Дисторсия изображений
Если лучи от предмета составляют большие углы с оптической осью системы, то изображение, даваемое даже узкими пучками лучей, обнаруживает еще один вид искажений. Оно обусловлено тем, что поперечное увеличение такой системы зависит от угла между осями пучка и системы и, следовательно, меняется от центра изображения к периферии. Этот вид аберрации носит название дисторсии (от лат. distorsio – искривление) и ведет к тому, что изображение оказывается не подобным предмету.
Типичные виды дисторсии (объект имеет вид сетки с квадратными ячейками) приведены на рис. 12.5: если с увеличением расстояния от оптической оси увеличение растет, то изображение становиться подушкообразным (рис. 12.5, б) если уменьшается – то, бочкообразным (рис.12.5, в).
Рис. 12.5. Дисторсия изображения
Дисторсия обычно не очень мешает при наблюдении объектов, но становится крайне нежелательной, если при помощи оптической системы проводятся съемки, предназначенные для промеров (например, в геодезии). Поэтому объективы для таких работ очень тщательно исправляются на дисторсию.
В заключение обсуждения геометрических аберраций отметим, что классификация аберраций может быть сделана на основе анализа так называемой каустической поверхности или каустики (от греч. kaustikós – жгучий, палящий). Каустическая поверхность является огибающей семейства световых лучей, испущенных световой точкой и прошедших через оптическую систему (рис. 12.6). Сечение каустической поверхности любой плоскостью, проходящей через луч, называется каустической кривой.
Рис. 12.6. Сечение каустической поверхности
Если пучок при прохождении через оптическую систему сохранил гомоцентричность, то каустика вырождается в точку, представляющую вершину гомоцентрического пучка. Нарушение гомоцентричности означает большее или меньшее искажение каустической поверхности по сравнению с этим простейшим вырожденным случаем.
При различных аберрациях понижается симметрия каустической поверхности. Так, при сферической аберрации каустика приобретает вид поверхности, обладающей осью симметрии, но не имеющей центра симметрии (на рис.12.6 изображен именно этот случай – осью симметрии каустики является оптическая ось системы). Аберрация астигматизма соответствует дальнейшему понижению симметрии каустики, которая не имеет больше оси симметрии, а обладает лишь двумя взаимно перпендикулярными плоскостями симметрии. Аберрация комы означает, что каустическая поверхность обладает лишь одной плоскостью симметрии, проходящей через светящуюся точку и оптическую ось.
Хроматические аберрации
Если используется белый (точнее, немонохроматический) свет, то в изображении возникают дополнительные аберрации. Действительно, показатель преломления линз вследствие дисперсии зависит от длины волны. Поэтому оптическая система дает не одно, а множество монохроматических изображений, отличающихся друг от друга по величине и положению (рис. 12.7).
Рис. 12.7. Хроматическая аберрация
Результирующее изображение, получающееся от наложения таких монохроматических изображений, оказывается нерезким и с окрашенными краями. Это явление называется хроматической (от греч. chroma – цвет, краска) аберрацией или хроматизмом.
Хроматическая аберрация устраняется путем комбинации линз, изготовленных из стекла с различными оптическими свойствами. Устранение ее для всех лучей невозможно. Обычно, совмещают изображения только для каких-либо двух лучей с различными длинами волн. Оставшаяся хроматическая аберрация называется вторичным спектром. Выбор лучей, для которых должна быть ахроматизована оптическая система, определяется ее назначением. Так, для визуальных приборов – это, как правило, красные (λ = 656,3 нм) и синие (λ = 486,1 нм) лучи. Объективы, в которых ахроматизация выполнена для двух цветов спектра, называются ахроматами.
Из изложенного ясно, что устранение многочисленных аберраций возможно лишь в специально рассчитанных сложных оптических системах. Однако одновременное исправление всех недостатков может оказаться крайне сложной и даже неразрешимой задачей. Поэтому часто идут на компромисс, рассчитывая оптику, предназначенную для определенной цели. При этом устраняют те недостатки, которые наиболее опасны при решении поставленной задачи, и мирятся с неполным устранение других.