РОЛЬ АБЕРРАЦИЙ В ОБРАЗОВАНИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Для определения точки изображения в идеальной оптической системе достаточно найти в пространстве изображений точку пересечения двух лучей. Такая система образует резкое изображение, и каждой точке предмета соответствует только одна точка изображения. В действительности, в реальных оптических системах изображение образуется в виде кружков или пятен рассеяния.
Широкие пучки лучей, вышедшие из одной точки предмета, преломляясь оптической системой, не образуют одну точку схода. Ошибка, или погрешность изображения в оптической системе, вызываемая отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в идеальной оптической системе, называется аберрацией.
Изучая изображение точки, образованное различными лучами, можно заметить характерные аберрации, присущие только этим лучам. Поэтому раздельно рассматривают прохождение различных лучей через оптическую систему и каждой аберрации присваивают свое наименование.
В области нулевых лучей образуется без аберрационное изображение. Такое изображение позволяет найти положение плоскости изображения М' (рис. 33), оптически сопряженное с плоскостью предметов М.
Из точки А, расположенной на оптической оси, выходит осевой пучок лучей. Эти лучи в плоскости М' образуют геометрически правильный кружок рассеяния. Здесь достаточно рассмотреть преломление лучей в одной меридиональной плоскости, так как во всех меридиональных плоскостях существуют одинаковые условия для преломления лучей.
Из точки В, удаленной от оптической оси, выходит наклонный пучок лучей, образующий изображение в виде пятна рассеяния
В'. Чаще всего ограничиваются рассмотрением хода лучей в меридиональной и сагиттальной плоскостях. В первом случае имеем дело с меридиональным наклонным пучком лучей, рассматриваемым в плоскости чертежа, а во втором - с сагиттальным, ему перпендикулярным, содержащим главный луч меридионального пучка лучей. Меридиональные лучи в отверстии системы опираются на отрезок ab, а сагиттальные на cd.
 |
Более точное знание структуры точек изображения дают вне- меридиональные, или косые лучи, составляющие большую часть широкого пучка лучей. Широкий пучок лучей опирается на все отверстия и содержит меридиональные и сагиттальные лучи. Косые лучи не лежат в меридиональной плоскости. Такие лучи показаны выходящими из точки К. Любой пучок лучей, выходящих из точки вне оптической оси, например из точек В и К, имеет косые лучи.
Вычисление координат точек изображения, образованных выбранными для анализа лучами, дает возможность рассмотреть структуру точки изображения и найти размеры кружков и пятен рассеяния. Однако геометрические размеры этих кружков еще не указывают на достаточность приближения изображения реальной оптической системы к идеальной. Обычно их размеры достаточно велики, и для определения истинной картины изображения необходимо знать распределение световой энергии в кружках и пятнах рассеяния. Действительно, если преобладающая часть световой энергии соберется в одну точку, то именно эта точка будет определять изображение. В другой части пятна рассеяния образуется изображение с несравненно меньшей световой интенсивностью.
До недавнего времени к вычислению распределения световой энергии в "точке" изображения прибегали в исключительных случаях. В практике вычисления оптических систем ограничивались рассмотрением аберраций осевых и наклонных меридиональных и сагиттальных лучей, и в особых случаях в сложных объективах- косых лучей. В настоящее время применение быстродействующих электронных вычислительных машин позволило выполнять сложные вычисления в кратчайшее время и сделало возможным не только быстро вычислять распределение световой энергии в кружке (пятне) рассеяния, но и контраст изображения.
При создании всякого рода наблюдательных приборов, работающих совместно с глазом, обычно ограничиваются рассмотрением аберраций осевого и наклонного пучков лучей, лежащих в меридиональной плоскости. Кроме того, рассматривают меридиональные и сагиттальные лучи, бесконечно близкие к главному лучу, иногда называемые элементарным астигматическим пучком. Сложные же объективы (фотографические, микро объективы и др.) требуют при этом еще знания аберраций лучей, лежащих в сагиттальной плоскости.
Большое значение для оценки аберраций имеет сравнительный анализ с аберрациями известных систем. Сопоставление аберраций какой-либо новой оптической системы с аберрациями известной системы, близкой по назначению и устройству, позволяет с большей степенью вероятности установить допустимость той или иной аберрационной картины.
Условия наблюдения изображения являются решающими в вопросе о допустимости тех или иных аберраций. Существуют четыре главных вида наблюдения изображения:
- Глаз человека рассматривает изображение через оптическую систему. Оптические системы, предназначенные для этой цели, называются визуальными. К ним, например, относятся зрительные трубы, микроскопы, спектроскопы и другие.
- Глаз человека рассматривает изображение на экране. Оптические системы, образующие такие изображения, называются проекционными. К их числу относятся эпидиаскопы, проекторы, трансформаторы и др.
- Изображение фиксируется каким-нибудь светочувствительным слоем. Глаз человека рассматривает изображение, зафиксированное этим слоем, без оптической системы, его образовавшей. Оптические системы для образования таких изображений называются фотографическими. К их числу относятся: киносъемочные объективы, фотографические объективы, спектрографы и др. К этому же виду наблюдения изображений относят телевизионные объективы и объективы электронно-оптических преобразователей (ЭОП).
- Изображение образуется на фотокатоде светоприемника (фотоэлемент, ФЭУ, термоэлемент и т. п.) и интегрально отображает яркость предмета. В этом случае изображение не имеет структуры, подобной предмету, а представляет собой площадку, равномерно освещенную в единицу времени. Изображение такого вида называется интегральным, а оптические системы, образующие такие изображения, называются фотоэлектрическими.
Глаз человека выполняет важную роль в наблюдении изображения - с его помощью человек оценивает качество изображения. Если недостатки оптической системы в изображении не могут быть обнаружены глазом, то такие изображения представляются человеку совершенными. Следовательно, знание разрешающей способности глаза для тех или иных случаев наблюдения позволяет более точно определять оптимальные размеры кружков (пятен) рассеяния. Например, если для визуальных приборов за предел разрешения глаза в угловой мере принимают 30-60 сек, то для проекционных систем в условиях кинотеатра - 2-3 мин.
Качество изображения оптических систем - это общий термин, включающий в себя два понятия:
- Способность оптической системы раздельно передавать разные изображения. Это свойство называется разрешающей способностью.
- Способность оптической системы правильно изображать контраст предмета.
Представим себе, что фотографируется предмет в виде чередующихся белых и черных полос. Оптическая система позволяет получить изображение этих отличающихся друг от друга по контрасту полос, малых по ширине. Но изображение имеет между полосами весьма малый контраст, и сами полосы не выглядят резкими, хотя и различны. Такая оптическая система имеет высокую разрешающую способность, но плохое качество изображения, так как не выполнено второе условие.
Качество изображения оптической системы определяется ее аберрациями. При рассмотрении аберраций различают: 1) сферическую аберрацию, 2) отступление от условия синусов, 3) сферическую аберрацию наклонного пучка лучей, 4) меридиональную кому, 5) сагиттальную кому, 6) аберрации косых лучей, 7) астигматизм, 8) кривизну поля, 9) дисторсию, 10) сферическую аберрацию в зрачках, 11) хроматизм положения, 12) хроматизм увеличения, 13) хроматическую разность сферических аберраций, 14) хроматическую аберрацию наклонного пучка лучей.
Сферическая аберрация и отступление от условия синусов определяются при рассмотрении в меридиональной плоскости хода лучей, выходящих из точки предмета, расположенной на оптической оси.
Сферическая аберрация наклонного пучка лучей, меридиональная кома, дисторсия и сферическая аберрация в зрачках определяются при рассмотрении в меридиональной плоскости хода лучей, выходящих из точки предмета, расположенной вне оптической оси.
Сагиттальная кома наклонного пучка лучей определяется при рассмотрении в сагиттальной плоскости хода лучей, выходящих из точки предмета, расположенной вне оптической оси.
Аберрации косых лучей определяются из рассмотрения хода пучка лучей, выходящего из точки предмета, расположенной вне
оптической оси, и опирающегося на все отверстия входного зрачка.
Астигматизм и кривизна поля изображения определяются при рассмотрении элементарного астигматического пучка, бесконечно близкого к главному лучу, выходящему из точки предмета вне оптической оси.
Хроматизм положения определяется из рассмотрения хода параксиальных лучей с различной длиной волны, выходящей из точки предмета, расположенной на оптической оси. Хроматическая разность сферических аберраций определяется из рассмотрения в меридиональной плоскости хода лучей различной длины волны, выходящих из точки предмета, расположенной на оптической оси. Хроматизм увеличения и хроматическая аберрация наклонного лучка лучей определяются из рассмотрения в меридиональной плоскости хода лучей различной длины волны, выходящих из точки предмета вне оптической оси.