Аберрация — понятие в оптике и астрономии¶

Аберрация (от лат. aberratio — «отклонение») — явление, выражающееся в видимом смещении положения наблюдаемого объекта относительно его истинного положения, обусловленном движением наблюдателя или оптической системы. Термин применяется в оптике, астрономии, электронике и теории изображений для обозначения искажений, возникающих при формировании изображения или измерении положения светил.

¶Оптическая аберрация

В классической оптике аберрация — это отклонение реальной оптической системы от идеальной, при котором точки изображаются не точками, а размытыми пятнами. Идеальной считается система, удовлетворяющая условию синуса (аберрация отсутствует), при котором все лучи от каждой точки объекта собираются в одну точку изображения.

¶Классификация аберраций по Зернике

Немецкий оптик Леонард Эйлер (1707—1783) и позднее Карл Фридрих Цейс (1816—1896) и Август Эмиль Зернике (1866—1946) разработали классификацию поперечных аберраций. По Зернике аберрации делятся на:

• Сферическая аберрация — зависимость фокуса от высоты луча на линзе или зеркале. Лучи, проходящие у края оптики, фокусируются ближе к линзе, чем центральные, что приводит к размытию изображения.
• Кома — аберрация, при которой точечный источник вне оптической оси изображается в виде фигуры, напоминающей комету. Возникает в широкополосных системах.
• Астигматизм — различие фокусов для лучей, лежащих в разных плоскостях, проходящих через одну точку. Изображение точки превращается в линию или эллипс.
• Искажение (дисторсия) — изменение линейных размеров изображения в зависимости от расстояния от оптической оси. Бывает «подушкообразным» (изображение выпуклое) и «бочкообразным» (вогнутое).
• Хроматическая аберрация — обусловлена зависимостью показателя преломления стекла от длины волны. Разные цвета фокусируются в разных точках, что проявляется цветной каймой вокруг объектов. Различают поперечную и продольную хроматическую аберрацию.

¶Коррекция аберраций

Для уменьшения аберраций применяют комбинации линз из стёкол с разной дисперсией (ахроматы, апохроматы), асферические поверхности, диафрагмирование (сужение пучка лучей). В телескопах Ньютона и Ричи-Кретьена аберрации исправляются подбором кривизны зеркал и введения корректоров.

¶Аберрация света (астрономическая)

Открыта Джеймсом Брэдли в 1729 году при попытке обнаружить годичное параллаксическое смещение звёзд. Брэдли наблюдал звезду Эль-Драбан (δ Дракона) и обнаружил, что её смещение происходит не в ожидаемом направлении, а с опережением на 90°, что объясняется конечной скоростью света и движением Земли вокруг Солнца.

Суть явления: поскольку Земля движется со скоростью примерно 30 км/с, лучи от звезды воспринимаются наблюдателем под углом, отличным от истинного направления на звезду. Максимальное отклонение (постоянная аберрации) составляет около 20,5 угловых секунд. Величина аберрации зависит от отношения скорости Земли к скорости света.

Годичная аберрация описывается формулой:

tg θ = v / c · cos λ / cos δ

где v — скорость Земли, c — скорость света, λ — эклиптическая долгота звезды, δ — её эклиптическая широта. Вследствие годичной аберрации все звёзды описывают на небесной сфере маленькие эллипсы с полуосями 20,5″.

Помимо годичной, различают суточную аберрацию (обусловленную вращением Земли, не превышает 0,32″) и планетную (от движения Солнечной системы в пространстве, очень мала).

¶Аберрация в других областях

¶Электронная оптика

В электронных микроскопах и осциллографах аберрация — искажение электронного пучка под действием неидеальных электрических и магнитных полей линз. Различают сферическую, хроматическую (зависимость от скорости электронов) и другие аберрации. Коррекция аберраций электронных линз — одна из ключевых задач современной электронной микроскопии, позволившая достичь разрешения менее 0,1 нм.

¶Теория относительности

В специальной теории относительности аберрация — изменение направления на источник света при движении наблюдателя. Формула аберрации для небольших углов: Δθ = v/c · sin θ. В общей теории относительности эффект дополняется гравитационным линзированием.

¶Медицина

В офтальмологии аберрации глаза — отклонения рефракции глаза от идеальной сферической поверхности, вызывающие снижение остроты зрения даже при отсутствии близорукости или дальнозоркости. Метод коррекции — индивидуальная лазерная коррекция (например, технология Wavefront), компенсирующая высшие аберрации глаза.

¶Историческая справка

Термин «аберрация» ввёл в употребление Джеймс Брэдли. До него Исаак Ньютон рассматривал схожий эффект для движения корабля. В оптике теорию аберраций разработали в XVIII—XIX веках Л. Эйлер, П. Буве, Ф. Арно, а в XX веке — М. Борн, Э. Вольф, В. Н. Челпанов.

¶Источники

• Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1970.
• Челпанов В. П. Курс общей астрономии. — М.: Физматгиз, 1962.
• Шиманович И. Я. Астрометрия. — М.: Высшая школа, 1988.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том III. Оптика. — М.: Физматлит, 2003.