Хроматическая аберрация в оптике¶
Хроматическая аберрация — это искажение изображения в оптической системе, вызванное зависимостью показателя преломления материала линзы от длины волны света (дисперсией). В результате лучи разных цветов фокусируются на разных расстояниях от линзы и в разных точках фокальной плоскости, из-за чего изображение приобретает цветные каёмки и теряет резкость. Явление относится к классу геометрических аберраций и характерно для любых преломляющих систем, включая человеческий глаз, объективы фотоаппаратов, микроскопы и телескопы.
¶Физическая природа
Белый свет представляет собой совокупность электромагнитных волн с разными длинами. При прохождении через границу двух сред волна испытывает преломление, причём угол отклонения зависит от показателя преломления n, который для большинства прозрачных материалов растёт при уменьшении длины волны. Это свойство называется нормальной дисперсией: коротковолновое (синее, фиолетовое) излучение преломляется сильнее, чем длинноволновое (красное).
Для одиночной собирающей линзы это означает, что синие лучи пересекают оптическую ось ближе к линзе, чем красные. Расстояние между соответствующими фокусами называют продольной (осевой) хроматической аберрацией. Если же рассматривать точку вне оси, возникает поперечная (боковая) хроматическая аберрация: изображения разных цветов смещены друг относительно друга в плоскости приёмника, что даёт радужное окаймление по краям кадра.
¶Виды
Различают два основных типа:
- Продольная (осевая) — фокусы разных длин волн лежат на разных расстояниях вдоль оптической оси. Проявляется как размытие точки в цветное пятно даже в центре поля зрения.
- Поперечная (боковая) — фокусы совпадают по оси, но изображения разных цветов имеют разный масштаб и смещены. Нарастает от центра к краям поля, поэтому заметнее всего по углам кадра.
Отдельно выделяют вторичный спектр — остаточную хроматическую аберрацию, сохраняющуюся даже после частичной коррекции, поскольку дисперсия реальных стёкол нелинейна по длине волны.
¶Проявление и диагностика
Визуально аберрация обнаруживается как цветные контуры вокруг контрастных объектов: фиолетово-синие с одной стороны и жёлто-зелёные с другой. Особенно заметна на контровом свете, при съёмке тёмных предметов на ярком фоне, а также на длиннофокусной оптике и при макросьёмке. В телескопах-рефракторах она исторически была главной проблемой, тогда как зеркальные системы (рефлекторы) от неё свободны, поскольку отражение не сопровождается дисперсией.
¶Способы коррекции
Основной метод борьбы — комбинирование линз из стёкол с разной дисперсией.
- Ахромат — склейка положительной и отрицательной линз, сводящая в один фокус две длины волны (обычно красную и синюю). Остаточный вторичный спектр сохраняется.
- Апохромат — система, сводящая в одну точку три и более длины волны; применяются специальные стёкла с аномальной дисперсией и флюоритовые элементы.
- Дифракционные и гибридные элементы — позволяют управлять ходом лучей без классической дисперсии.
- Цифровая коррекция — программное устранение цветных каёмок при обработке изображения.
В фототехнике объективы с исправленной аберрацией обозначают маркировкой «APO», «Apo», «LD», «UD», «ED».
¶Значение и области применения
Понимание хроматической аберрации важно в астрономии, микроскопии, спектроскопии, фотографии и офтальмологии. В оптическом приборостроении расчёт хроматических характеристик — обязательный этап проектирования. В человеческом глазу аберрация частично компенсируется жёлтым пигментом макулы и неодинаковой чувствительностью колбочек, поэтому в норме она слабо заметна, но может усиливаться при некоторых заболеваниях.
¶Источники
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика.
- Ландсберг Г. С. Оптика.
- Борн М., Вольф Э. Основы оптики.
- Справочник по оптико-электронным приборам.