Оптические аберрации

Аберрации — это отклонения реальной оптической системы от идеального параксиального изображения, приводящие к размытию или искажению изображения вне оси или для непараксиальных лучей.

Definition

Несовершенства в формировании изображения, при которых оптическая система не может отобразить каждую точку объекта в одну резкую точку изображения, классифицируемые как монохроматические аберрации, возникающие из геометрии непараксиальных лучей, и хроматические аберрации, возникающие из-за зависимости показателя преломления от длины волны.

Scope

Эта тема охватывает систематические отклонения от идеального формирования изображения, которые возникают при нарушении параксиального приближения или при участии света различных длин волн. Она включает пять основных (Зейделевых) монохроматических аберраций: сферическую аберрацию, кому, астигматизм, кривизну поля и дисторсию, а также хроматическую аберрацию, возникающую из-за дисперсии. Рассматривается волновой подход к описанию аберраций, их зависимость от апертуры и поля, а также стратегии, используемые для их балансировки или коррекции при проектировании линз.

Core questions

• Почему реальные линзы не могут формировать идеальные изображения внеосевых или широкоапертурных точек объекта?
• Каковы различные типы основных аберраций и как каждая из них искажает изображение?
• Как хроматическая аберрация возникает из-за дисперсии и как она корректируется?
• Как многоэлементная конструкция может сбалансировать аберрации друг относительно друга?

Key concepts

• сферическая аберрация
• кома
• астигматизм
• кривизна поля
• дисторсия
• хроматическая аберрация
• волновая ошибка
• число Аббе

Key theories

Теория аберраций Зейделя (третьего порядка)

Разложение волновой ошибки до третьего порядка по апертуре и углу поля дает пять основных монохроматических аберраций: сферическую аберрацию, кому, астигматизм, кривизну поля и дисторсию, каждая из которых имеет характерную зависимость от апертуры и поля.

Хроматическая аберрация и ахроматизация

Поскольку показатель преломления изменяется с длиной волны, фокусное расстояние зависит от цвета; комбинирование линз с комплементарной дисперсией в ахроматическом дублете позволяет свести две или более длины волн в общий фокус.

Clinical relevance

Аберрации человеческого глаза, как рефракционные ошибки низшего порядка, так и аберрации высшего порядка, измеряются с помощью волновой аберрометрии и корректируются очками, индивидуальными контактными линзами или рефракционной хирургией; контроль аберраций также важен для микроскопов высокого разрешения и астрономических инструментов.

History

Зейдель опубликовал теорию третьего порядка пяти основных аберраций в 1856 году, предоставив разработчикам линз систематический словарь. Ранее Фраунгофер и другие разработали ахроматические дублеты для уменьшения хроматической аберрации, а Аббе позднее заложил более прочную теоретическую и метрологическую основу для проектирования линз при производстве оптики для микроскопов.

Key figures

• Ludwig von Seidel
• Ernst Abbe
• Joseph von Fraunhofer

Seminal works

• bornwolf1999
• smith2007

Frequently asked questions

В чем разница между сферической и хроматической аберрацией?

Сферическая аберрация — это монохроматический дефект, при котором лучи, проходящие через различные зоны сферической поверхности, фокусируются на разных расстояниях, тогда как хроматическая аберрация возникает из-за того, что разные длины волн света преломляются по-разному и, следовательно, фокусируются в разных точках.

Можно ли полностью устранить аберрации?

Ни одна отдельная линза не свободна от всех аберраций, но тщательный выбор формы элементов, материалов и расстояний, а также использование асферических поверхностей могут уменьшить остаточные аберрации до уровня, незначительного для данного применения.