Podstawowymi wadami odwzorowań optycznych w soczewkach są: aberracja sferyczna, aberracja chromatyczna i astygmatyzm. Omówię kolejno ich istotę.
Jeśli na soczewkę pada szeroka wiązka promieni równoległych, to po załamaniu w soczewce promienie nie przecinają się w jednym punkcie, nie ma jednego punktowego ogniska dla całej szerokiej wiązki. Promienie biegnące blisko osi głównej(rys.1) przecinają się dalej od soczewki w ognisku F1, promienie skrajne przecinają się bliżej soczewki w ognisku F2. Odległość F1F2 przyjęto za miarę aberracji sferycznej podłużnej. Jeśli w ognisku F1 umieścimy ekran prostopadle do osi optycznej, to zamiast obrazu punktowego otrzymamy obraz w postaci krążka. Promień tego krążka jest miarą aberracji sferycznej podłużnej.
Aberrację sferyczną można zmniejszyć stosując zamiast soczewek pojedynczych układy wielosoczewkowe o odpowiednio dobranych promieniach krzywizny. Ustawienie soczewek o budowie niesymetrycznej ma również wpływ na wielkość aberracji sferycznej. Mniejszą aberrację sferyczną wykazuje soczewka wtedy, gdy załamanie światła rozkłada się mniej więcej równomiernie na obie powierzchnie soczewki. Na przykład ustawiając soczewkę płasko- wypukłą strona płaską względem padającej wiązki równoległej otrzymujemy większe zniekształcenie obrazu wskutek aberracji sferycznej niż ustawiając tę samą soczewkę strona wypukłą. Układy soczewek wolne od aberracji sferycznej nazywamy układami aplanatycznymi.
Drugą podstawową wadą odwzorowań w soczewkach jest aberracja chromatyczna związana z rozczepieniem światła przy załamaniu, czyli wynikająca z faktu, że współczynnik załamania n jest funkcją częstotliwości (barwy) padającego promieniowania. Weźmy pod uwagę dwa skrajne promienie światła białego (ryc.2) padającego na soczewkę równolegle do osi głównej. Po załamaniu (podobnie jak w pryzmacie) większe odchylenie od pierwotnego biegu wykaże składnik fioletowy światła białego, mniejsze- składnik czerwony. A zatem w różnych punktach na osi głównej przypadną ogniska Ff i Fcz, przy czym ognisko Fcz będzie leżało dalej od soczewki. Odległość Ff Fcz jest miarą aberracji chromatycznej podłużnej.
Ustawiając ekran prostopadle do osi głównej w punktach Ff lub Fcz otrzymamy obraz źródła z barwną obwódką czerwoną lub fioletową. Przesuwając ekran od jednego ogniska do drugiego będziemy mieli obraz w postaci barwnego krążka, zmieniającego rozmiary w miarę przesuwania ekranu. Najmniejsza średnice tego barwnego krążka przyjmiemy za miarę aberracji chromatycznej poprzecznej.
W celu zmniejszenia aberracji chromatycznej stosuje się również układy soczewek zamiast soczewek pojedynczych. Odpowiednie zestawienie soczewek zbierających i rozpraszających sporządzonych z różnych gatunków szkła może dać całkowitą achromatyzację dla pewnych długości fal.
Usunięcie aberracji chromatycznej ma duże znaczenie w optycznych przyrządach soczewkowych. W zależności od tego, czy przyrządy te są przeznaczone do badań wyłącznie wizualnych, wyłączenie fotograficznych czy tez mieszanych, stosujemy układy achromatyczne dla różnie dobranych długości fal. W przyrządach przeznaczonych do obserwacji wizualnej, np. w mikroskopie, tak dobieramy układ soczewek, aby był achromatyczny dla określonej długości fali z dziedziny czerwonej i niebieskiej widma. Okazuje się, że taki układ odznacza się stosunkowo małą aberracją chromatyczną dla tych długości fal, na które oko ludzkie jest najbardziej czułe, tzn. barw widma miedzy czerwoną i niebieską.
Wobec maksymalnej czułości kliszy na promieniowanie fioletowe i niebieskie stosujemy achromatyzację dla określonych długości fal z tych obszarów widmowych w takich przyrządach, w których stosujemy wyłącznie fotograficzną metodę badań (Np. refraktory astronomiczne). Jeśli badania SA prowadzone częściowo wizualnie, a częściowo fotograficznie, to dążymy do achromatyzacji dla określonych długości fal w dziedzinie żółtej i fioletowej widma. Wtedy wady wynikające z aberracji chromatycznej są stosunkowo niewielkie dla zakresu dużej czułości oka i kliszy.
Warto tu wspomnieć, że achromatyzację można też osiągnąć przez rozsunięcie soczewek zbierających. Dwie soczewki zbierające o ogniskowych F1 i F2, umieszczone w odległości (f1+f2)/2, stanowią układ achromatyczny.
Oprócz takich wad odwzorowań w soczewkach, jak aberracja sferyczna i chromatyczna, istnieją jeszcze inne wady. Na przykład obrazem punktu świecącego, leżącego daleko od osi głównej, obejmującego swym promieniem dużą powierzchnie soczewki, jest figura przypominająca kształtem przecinek. Jest to tzw. wada koma. Wiązka promieniowania wychodząca z punktu świecącego odległego od osi głównej, a więc padająca mocno skośnie na środkową część soczewki, również nie daje punktowego obrazu. Powstaje obraz w postaci dwóch wichrowatych, wzajemnie do siebie prostopadłych odcinków. Tę wadę odwzorowań optycznych nazywamy astygmatyzmem. Astygmatyzm występuje w przypadkach, gdy soczewka nie wykazuje symetrii względem osi padających wiązek, jak również soczewki walcowe, wykazują zawsze odkształcenia astygmatyczne powstających obrazów
|
