Хроматические аберрации

Выше были рассмотрены виды искажений, являющиеся резуль­татом наличия в оптической системе (линзе или объективе) различ­ных монохроматических аберраций, т. е. искажений, возникающих даже в тех случаях, когда изображение строится монохроматиче­ским светом – лучами какой-либо одной длины волны.

При прохождении через оптическую систему пучка белого света, состоящего из целого ряда лучей различных длин волн, положение существенно усложняется дисперсией, т. е. зависимостью показателя преломления от длины световой волны. Это явление иногда наблюда­ется даже в идеальных оптических системах, подчиняющихся законам геометрической оптики.

Видимый белый свет состоит из лучей различных длин волн, от самых коротких – фиолетовых и до самых длинных – красных. А как известно, фокусное расстояние любой линзы определяется радиусами кривизны ее поверхностей и показателями преломления стекла, из которого она изготовлена. Последние же в свою очередь зависят не только от сорта стекла, но и от длины световой волны.

Таким образом, каждая простая, не исправленная специально, линза будет иметь несколько различные фокусные расстояния для лучей разного цвета (Рис. 10): а – для синих, б – для зеленых, с – для красных.

Рис. 10. Разложение линзой белого света при хроматической аберрации

Пучок лучей белого света, параллельный оси системы, пройдя через простую линзу, вследствие дисперсии разло­жится на отдельные монохроматические пучки, которые построят на некотором участке оптической оси ряд изображений одной и той же точки в различных цветах спектра. Для коротковолновых – фиолетовых – лучей фокусное расстояние такой положительной лин­зы будет меньше, чем для более длинных – красных. И в этом случае центр изображения точки будет окрашен в синий цвет (а) с плавным переходом через голубую, зеленую, желтую, оранжевую к красной кайме. Если же рассматривать изображение в точке фокусировки зеленых лучей (б), то можно увидеть центральную зеленую точку, также окруженную цветной каймой окружностей, но с другой последовательностью цветов. При фокусировке по красным лучам (с) также будет наблюдаться окрашенное изображение точки: от красного центра до синего, фиолетового крайнего кольца. Для всех ос­тальных цветных лучей фокусные расстояния будут иметь соответ­ствующие их длине волны промежуточные значения. Это явление называют продольной хроматической аберрацией, или хроматиче­ской аберрацией положения (от греческого слова chroma – цвет, краска).

Её величина в каждом случае определя­ется разностью расстояний от оптической системы до изображений точки на оси, построенных параксиальными лучами различного цвета – разной длины волны.

Рис. 11. Построение изображений при хроматической аберрации

Таким образом, величину продольной хроматической аберрации для любого спектрального участка, ограниченного лучами с длиной волны λ₁ и λ₂, выражает отрезок ΔS' (рис. 11), равный разности величин фокусных расстояний линзы для крайних лучей выбранного участка спектра:

ΔS'= S'_кр- S'_ф

Граничные значения длин волн λ₁ и λ₂ могут быть выбраны в соответствии с используемым участком спектра. Для цветных съемок этот участок должен охватывать всю видимую зону от фиолетовых до красных лучей.

При наличии значительной хроматической аберрации нельзя по­лучить резким изображение объекта съемки ни при какой наводке на фокус, так как в любом случае на резкое изображение, построен­ное линзой в одном из цветов, накладываются более или менее раз­мытые изображения во всех остальных цветах.

Следствием дисперсии является также хроматическая аберрация увеличения или хроматическая разность увеличений. Результатом этой аберрации будет некоторая разница в размере изображений одного и того же объекта, построенных лучами разной длины волны, что может привести к окрашиванию контуров изображения.

Хроматическая аберрация корректируется применением вместо одной линзы соответствующей пары обычно склеенных между собой положительной и отрицательной линз, изготовленных из разных подобранных друг к другу сортов стекла с различной дисперсией.

Таким путем удается значительно уменьшить величину продоль­ной хроматической аберрации, а для некоторых длин волн и полно­стью ее устранить. В современных кинотелесъемочных объективах, предназначенных для цветных съемок, стремятся свести к одной плоскости изображе­ния в трех зональных цветах, соответствующих максимумам спектраль­ной чувствительности отдельных светочувствительных слоев цвет­ной пленки или максимумам спектраль­ной чувствительности отдельных светочувствительных матриц. При выполнении такой коррекции уменьшается не только продольная хроматическая аберрация, но и хроматическая разность увеличений.

Одновременное и полное устранение всех видов аберраций в раз­личных объективах – задача практически неразрешимая. Поэто­му при создании конкретных объективов оптики стремятся в каждом из них в первую очередь устранить те недостатки, которые в данном случае наиболее заметны и нежелательны. Остальные же устраняют­ся по мере возможности. Так, например, для широкоугольных объек­тивов в первую очередь необходимо устранение аберраций наклон­ных пучков лучей – комы, астигматизма, кривизны поля, которые при больших углах зрения заметнее влияют на конечный результат.

Т.о. полностью устранить все аберрации в оптических системах не представляется возможным. Но снизить их до приемлемых величин можно. Традиционный путь – замена отдельной линзы системой специально подобранных линз. Такая система – это комбинация положительных и отрицательных линз, знаки аберраций в которых различны. Надо сказать, что расчет систем линз с минимальными значениями аберраций – процесс весьма трудоемкий. В последнее десятилетие изменился и подход к снижению аберраций в сложных оптических системах. Одним из эффективных путей, приводящем к улучшению качества оптических систем, является применение в этих системах асферических преломляющих и отражающих поверхностей. Поверхности асферических линз рассчитываются специально под конкретную оптическую схему объектива, для коррекции которого и предназначена такая линза. Соответственно подбираются материал и толщина линзы в ее сечениях. В современных профессиональных объективах используется одна или несколько асферических линз, эффективно снижающих все типы аберраций до приемлемого уровня.

Дата добавления: 2014-01-07