§ 73. Сферична і хроматична аберація

Під час побудови зображення малого предмета в тонкій лінзі ми користувалися вузькими пучками, які йдуть поблизу головної оптичної осі під невеликим кутом до неї. Вважалося, що на лінзу падає монохроматичне світло, а показник заломлення матеріалу лінзи не залежить від довжини хвилі падаючого світла. На практиці ці умови не виконуються. Для доброї освітленості зображення до­водиться користуватися широкими світловими пучка­ми, тобто застосовувати лінзи великого діаметра. У тих

випадках, коли лінза мав дати зображення точок, значно віддалених від її головної оптичної осі, наприклад, при фотографуванні, доводиться користуватися пучками світ­ла, які утворюють великі кути з головною оптичною віссю. Відмовляючись від цих обмежень, ми погіршуємо оптичне зображення: воно виходить не дуже різким, розпливча­стим; дрібні деталі неможливо розрізнити. Крім того, іноді втрачається точна подібність між предметом і його зображенням.

Повністю усунути ці та інші недоліки оптичного зображення в реальних оптичних системах неможливо. Однак уважне вивчення похибок оптичних систем дав змогу знайти шляхи для зменшення їх впливу, і в сучасних оптичних приладах ці похибки настільки зменшені, що вони практично мало позначаються на якості зображення.

Похибки оптичних систем називають абераціямм. Коротко розглянемо найголовніші аберації і способи їх усунення.

Сферична аберація. У випадку тонкої лінзи параксіаль-ний пучок світла, вийшовши з точки S на головній оптич­ній осі, після заломлення в лінзі перетинає оптичну вісь в одній точці. Якщо із джерела S виходить пучок світла, який утворює з головною оптичною віссю великий кут, то промені, які утворюють різні кути, перетинають оптичну вісь не в одній, а в різних точках, наприклад точках Si, S2, S3 на малюнку 171. Промені, більш віддалені від центра лінзи, більше заломлюються і перетинають головну оптичну вісь на порівняно близьких відстанях від -тентра лінзи. Якщо екран Е, розташований перпендикулярно до головної оптичної осі, переміщати вліво від Si до S2, то замість точкового зображення буде розпливчаста пляма. Така похибка, зв'язана із сферичністю заломлюючих поверхонь, називається сферичною аберацією. Для її кіль-

кісної характеристики вводиться поняття поздовжньої аберації, що дорівнює лінійній відстані точки перетину крайніх (промені 3 на мал. 171) і центральних (промені 1) променів пучка з головною оптичною віссю S1S3. Лінійна аберація залежить від матеріалу лінзи, від кривизни поверхонь. Поздовжні аберації збирної і розсівиої лінз протилежні за знаком. Це дає можливість, комбінуючи такі лінзи, зменшувати сферичну аберацію.

Хроматична аберація. Залежність показника залом­лення речовини лінзи від довжини світлової хвилі (дис­персія) приводить до того, що фокуси для різних кольорів будуть зміщені один відносно одного (на мал. 172 пока­зані фокус F$ для фіолетових і фокус F₄ для червоних променів). У результаті цього зображення білсї плями виходить кольоровим. Чергування кольорів залежить від положення екрана, а відповідне спотворення зображення носить назву хроматичної аберації. Хроматична абера­ція, подібно до сферичної, кількісно характеризується по­здовжньою хроматичною аберацією (F^FJ. Для зведення ио можливості до мінімуму хроматичної аберації кори­стуються комбінацією лінз, виготовлених із спеціально підібраних матеріалів. Така система називається ахро­матичною.

Ахроматичні системи, безперечно, не можуть повністю усунути хроматичну аберацію. Найпростіша ахроматична система складається з опуклої лінзи, виготовленої з крон­гласу (легкого сорту скла), і приклеєної до неї вгнутої лінзи з флінтгласу (важкого сорту скла). Приєднання розсівної лінзи до такої системи приводить до збільшення її фокусної відстані. Однак збільшення фокусної від-етані залежить від довжини! світлової хвилі, причому фокусна відстань для фіолетового світла більша, ніж для червоного. Звичайно під час виготовлення ахроматичної

системи розрахунок виконується так, щоб фокуси для двох і більше довжин хвиль збіглися. У випадку візуального спостереження добиваються збігу фокусів для довжин хвиль Х= 0,6563 мкм (червоний) і 1= 0,4861 мкм (голу­бий). При фотографуванні ахроматична система доби­рається так, щоб збіглися фокуси для довжин хвиль Я= 0,4341 мкм і І— 5893 мкм. Такий вибір довжин хвиль обумовлений тим, що найсильніше впливають на фото­пластинку саме ці кольори.