Eliminazione dell'aberrazione sferica. Ricerca di base. Come appare l'aberrazione sferica in un'immagine?

Fig. 1 Illustrazione dell'aberrazione sferica non corretta. La superficie alla periferia della lente ha una lunghezza focale minore rispetto al centro.

La maggior parte degli obiettivi fotografici sono costituiti da elementi con superfici sferiche. Tali elementi sono relativamente facili da produrre, ma la loro forma non è ideale per l'imaging.

Aberrazione sfericaè uno dei difetti nella formazione dell'immagine che si verifica a causa della forma sferica della lente. Riso. 1 illustra l'aberrazione sferica per una lente positiva.

I raggi che attraversano la lente più lontano dall'asse ottico vengono focalizzati nella posizione Con. I raggi che passano più vicini all'asse ottico vengono focalizzati in posizione UN, sono più vicini alla superficie della lente. Pertanto, la posizione del fuoco dipende dal punto in cui i raggi passano attraverso l'obiettivo.

Se il fuoco laterale è più vicino alla lente rispetto al fuoco assiale, come accade con una lente positiva Fig. 1, quindi dire aberrazione sferica sottocorretto. Al contrario, se il fuoco marginale è dietro il fuoco assiale, allora si dice che lo sia l'aberrazione sferica corretto.

L'immagine di un punto realizzata da una lente con aberrazioni sferiche è solitamente ottenuta da punti circondati da un alone di luce. L'aberrazione sferica di solito si manifesta nelle fotografie attenuando il contrasto e sfocando i dettagli più fini.

L'aberrazione sferica è uniforme su tutto il campo, il che significa che la messa a fuoco longitudinale tra i bordi della lente e il centro non dipende dall'inclinazione dei raggi.

Dalla Fig. 1 sembra che sia impossibile ottenere una buona nitidezza su un obiettivo con aberrazione sferica. In qualsiasi posizione dietro la lente dell'elemento fotosensibile (pellicola o matrice), invece di un punto chiaro, verrà proiettato un disco sfocato.

Esiste però una messa a fuoco geometricamente "migliore" che corrisponde al disco meno sfocato. Questo peculiare insieme di coni luminosi ha una sezione minima, nella posizione B.

Spostamento del focus

Quando l'apertura è dietro l'obiettivo, si osserva un fenomeno interessante. Se l'apertura è coperta in modo tale da interrompere i raggi alla periferia dell'obiettivo, la messa a fuoco si sposta a destra. Con un'apertura molto coperta, la messa a fuoco migliore verrà osservata nella posizione C, ovvero, le posizioni dei dischi meno sfocati con l'apertura coperta e con l'apertura aperta differiranno.

Per ottenere la migliore nitidezza su un'apertura coperta, la matrice (pellicola) deve essere posizionata nella posizione C. Questo esempio mostra chiaramente che esiste la possibilità che non venga raggiunta la migliore nitidezza, poiché la maggior parte dei sistemi fotografici sono progettati per funzionare con un'apertura aperta.

Il fotografo mette a fuoco a tutta apertura e proietta il disco meno sfocato nella posizione B, quindi durante lo scatto, l'apertura si chiude automaticamente al valore impostato e in questo momento non sospetta nulla del successivo spostamento del fuoco, che non gli permette di raggiungere la migliore nitidezza.

Naturalmente un'apertura coperta riduce le aberrazioni sferiche anche in quel punto B, ma comunque non avrà la massima nitidezza.

Gli utenti reflex possono chiudere l'apertura di anteprima per mettere a fuoco con l'apertura effettiva.

La compensazione automatica dello spostamento della messa a fuoco è stata proposta da Norman Goldberg. Zeiss ha lanciato una linea di obiettivi per telemetro per le fotocamere Zeiss Ikon, che dispongono di un circuito appositamente progettato per ridurre al minimo lo spostamento della messa a fuoco con i cambiamenti dell'apertura. Allo stesso tempo, le aberrazioni sferiche negli obiettivi per le fotocamere a telemetro vengono notevolmente ridotte. Quanto è importante lo spostamento della messa a fuoco per gli obiettivi a telemetro, chiedi? Secondo il produttore dell'obiettivo LEICA NOCTILUX-M 50mm f/1, questo valore è di circa 100 µm.

La natura della sfocatura fuori fuoco

L'effetto delle aberrazioni sferiche su un'immagine a fuoco è difficile da distinguere, ma può essere chiaramente visto in un'immagine leggermente sfocata. L'aberrazione sferica lascia una traccia visibile nella zona di sfocatura.

Ritornando alla Fig. 1, si può notare che la distribuzione dell'intensità luminosa nel disco di sfocatura in presenza di aberrazione sferica non è uniforme.

Incinta C Il disco di sfocatura è caratterizzato da un nucleo luminoso circondato da un debole alone. Mentre il quadrante di sfocatura è in posizione UN ha un nucleo più scuro circondato da un anello luminoso di luce. Tali distribuzioni anomale della luce possono apparire nell'area sfocata dell'immagine.

Riso. 2 La sfocatura cambia prima e dopo il punto AF

Esempio nella fig. 2 mostra un punto al centro dell'inquadratura scattata in modalità macro 1:1 con un obiettivo 85/1.4 montato su un soffietto macro. Quando il sensore è 5 mm dietro la messa a fuoco migliore (punto centrale), il disco di sfocatura mostra un effetto ad anello luminoso (punto sinistro), dischi di sfocatura simili si ottengono con lenti reflex a menisco.

E quando il sensore è 5 mm avanti rispetto alla messa a fuoco migliore (cioè più vicino all'obiettivo), la natura della sfocatura cambia verso un centro luminoso circondato da un debole alone. Come potete vedere, la lente è stata corretta per l'aberrazione sferica perché si comporta in modo opposto all'esempio in Fig. 1.

L'esempio seguente illustra l'effetto di due aberrazioni sulle immagini sfocate.

Nella fig. 3 mostra una croce, che è stata fotografata al centro dell'inquadratura con lo stesso obiettivo 85/1.4. Il macrofur si allunga di circa 85 mm, il che dà un aumento di circa 1:1. La fotocamera (matrice) è stata spostata con incrementi di 1 mm in entrambe le direzioni dalla messa a fuoco massima. La croce è un'immagine più complessa del punto e gli indicatori di colore forniscono illustrazioni visive della sua sfocatura.

Riso. 3 I numeri nelle illustrazioni indicano i cambiamenti nella distanza dalla lente alla matrice, questi sono millimetri. la fotocamera si sposta da -4 a +4 mm con incrementi di 1 mm dalla posizione di messa a fuoco migliore (0)

L'aberrazione sferica è responsabile della natura dura della sfocatura a distanze negative e della transizione a una sfocatura morbida a distanze positive. Interessanti sono anche gli effetti cromatici che si verificano a causa dell'aberrazione cromatica longitudinale (colore assiale). Se l'obiettivo è assemblato in modo inadeguato, l'aberrazione sferica e il colore assiale sono le uniche aberrazioni visibili al centro dell'immagine.

Molto spesso, l'intensità e talvolta la natura dell'aberrazione sferica dipendono dalla lunghezza d'onda della luce. In questo caso, l'effetto combinato dell'aberrazione sferica e del colore assiale viene chiamato . Da ciò risulta chiaro che il fenomeno illustrato in Fig. 3 indica che questo obiettivo non è destinato all'uso come obiettivo macro. La maggior parte degli obiettivi sono ottimizzati per la messa a fuoco a campo vicino e all'infinito, ma non per la macro 1:1. Con questo zoom gli obiettivi convenzionali si comportano peggio degli obiettivi macro, che vengono utilizzati specificatamente a distanza ravvicinata.

Tuttavia, anche se l'obiettivo viene utilizzato per applicazioni standard, lo sferocromatismo può apparire nell'area fuori fuoco durante le riprese normali e influire sulla qualità.

conclusioni
Naturalmente, l'illustrazione in Fig. 1 è un'esagerazione. In realtà, la quantità di aberrazioni sferiche residue negli obiettivi fotografici è piccola. Questo effetto viene notevolmente ridotto combinando gli elementi dell'obiettivo per compensare la somma delle aberrazioni sferiche opposte, l'uso di vetro di alta qualità, la geometria della lente attentamente progettata e l'uso di elementi asferici. Inoltre, è possibile utilizzare elementi flottanti per ridurre le aberrazioni sferiche entro un determinato intervallo di distanze operative.

Nel caso di obiettivi con aberrazione sferica non corretta, un modo efficace per migliorare la qualità dell'immagine è chiudere l'apertura. Per l’elemento sottocorretto in Fig. 1, il diametro dei dischi di sfocatura diminuisce in proporzione al cubo del diametro dell'apertura.

Questa dipendenza può differire per le aberrazioni sferiche residue in schemi di lenti complessi, ma, di norma, chiudere l'apertura di uno stop dà già un notevole miglioramento dell'immagine.

In alternativa, invece di combattere l'aberrazione sferica, il fotografo può sfruttarla intenzionalmente. I filtri ammorbidenti Zeiss, nonostante la superficie piatta, aggiungono aberrazioni sferiche all'immagine. Sono apprezzati dai fotografi ritrattisti per il loro effetto morbido e il carattere impressionante.

© Paul van Walree 2004–2015
Traduzione: Ivan Kosarekov

1. Introduzione alla teoria delle aberrazioni

Quando si parla di prestazioni degli obiettivi, si sente spesso la parola aberrazioni. "Questo è un obiettivo eccellente, in esso tutte le aberrazioni sono praticamente corrette!" - una tesi che spesso si trova in discussioni o recensioni. Molto meno spesso puoi sentire un'opinione diametralmente opposta, ad esempio: "Questo è un obiettivo meraviglioso, le sue aberrazioni residue sono ben pronunciate e formano uno schema insolitamente plastico e bello" ...

Perché ci sono opinioni così diverse? Proverò a rispondere a questa domanda: quanto è buono/cattivo questo fenomeno per gli obiettivi e per i generi fotografici in generale. Ma prima proviamo a capire quali sono le aberrazioni di un obiettivo fotografico. Iniziamo con la teoria e alcune definizioni.

Nell'uso generale, il termine Aberrazione (lat. ab- “da” + lat. errare “vagare, err”) - questa è una deviazione dalla norma, un errore, una sorta di violazione del normale funzionamento del sistema.

Aberrazione della lente- errore o errore di immagine nel sistema ottico. È causato dal fatto che in un mezzo reale può esserci una deviazione significativa dei raggi dalla direzione in cui vanno nel sistema ottico "ideale" calcolato.

Di conseguenza, la qualità generalmente accettata di un'immagine fotografica ne risente: nitidezza insufficiente al centro, perdita di contrasto, forte sfocatura ai bordi, distorsione della geometria e dello spazio, aloni di colore, ecc.

Le principali aberrazioni caratteristiche degli obiettivi fotografici sono le seguenti:

1. Aberrazione comica.
2. Distorsione.
3. Astigmatismo.
4. Curvatura del campo immagine.

Prima di conoscerli meglio, ricordiamo dall'articolo come i raggi passano attraverso una lente in un sistema ottico ideale:

malato. 1. Il passaggio dei raggi in un sistema ottico ideale.

Come possiamo vedere, tutti i raggi vengono raccolti in un punto F, il fuoco principale. Ma in realtà le cose sono molto più complicate. L'essenza delle aberrazioni ottiche è che anche i raggi che cadono sulla lente da un punto luminoso non si riuniscono in un punto. Vediamo quindi quali deviazioni si verificano nel sistema ottico quando esposto a varie aberrazioni.

Qui va anche notato subito che sia in una lente semplice che in una lente complessa, tutte le aberrazioni descritte di seguito agiscono insieme.

Azione aberrazione sfericaè che i raggi incidenti sui bordi della lente si raccolgono più vicino alla lente rispetto ai raggi incidenti sulla parte centrale della lente. Di conseguenza, l'immagine di un punto su un piano si ottiene sotto forma di un cerchio o disco sfocato.

malato. 2. Aberrazione sferica.

Nelle fotografie, l'effetto dell'aberrazione sferica appare come un'immagine attenuata. Soprattutto spesso l'effetto è evidente a diaframmi aperti e gli obiettivi con un'apertura maggiore sono più suscettibili a questa aberrazione. Finché i bordi sono nitidi, questo effetto morbido può essere molto utile per alcuni tipi di fotografia, come i ritratti.

Fig.3. Effetto morbido su un'apertura aperta dovuto all'azione dell'aberrazione sferica.

Negli obiettivi costruiti interamente con lenti sferiche è quasi impossibile eliminare completamente questo tipo di aberrazione. Negli obiettivi con superapertura, l'unico modo efficace per compensarlo in modo significativo è utilizzare elementi asferici nello schema ottico.

3. Aberrazione del coma, o "Coma"

Questo è un tipo particolare di aberrazione sferica per le travi laterali. La sua azione sta nel fatto che i raggi che arrivano ad angolo rispetto all'asse ottico non vengono raccolti in un punto. In questo caso, l'immagine di un punto luminoso ai bordi della cornice è ottenuta sotto forma di una “cometa volante” e non sotto forma di punto. Un coma può anche causare la comparsa di aree dell'immagine nella zona sfocata.

malato. 4. Coma.

malato. 5. Coma su un'immagine fotografica

È una conseguenza diretta della dispersione della luce. La sua essenza sta nel fatto che un raggio di luce bianca, passando attraverso l'obiettivo, si decompone nei suoi raggi colorati costituenti. I raggi a lunghezza d'onda corta (blu, viola) vengono rifratti nella lente in modo più forte e convergono più vicino ad essa rispetto ai raggi a fuoco lungo (arancione, rosso).

malato. 6. Aberrazione cromatica. Ф - fuoco dei raggi viola. K - fuoco dei raggi rossi.

Qui, come nel caso dell'aberrazione sferica, l'immagine di un punto luminoso su un piano si ottiene sotto forma di un cerchio/disco sfocato.

Nelle fotografie, l'aberrazione cromatica appare come immagini fantasma e contorni colorati sui soggetti. L'effetto dell'aberrazione è particolarmente evidente nei soggetti contrastanti. Attualmente, XA può essere corretto abbastanza facilmente nei convertitori RAW se la ripresa è stata eseguita in formato RAW.

malato. 7. Un esempio della manifestazione dell'aberrazione cromatica.

5. Distorsione

La distorsione si manifesta nella curvatura e nella distorsione della geometria della fotografia. Quelli. la scala dell'immagine cambia con la distanza dal centro del campo ai bordi, per cui le linee rette curvano verso il centro o verso i bordi.

Distinguere a forma di barile O negativo(più tipico per un grandangolo) e a forma di cuscino O positivo distorsione (più spesso manifestata con una messa a fuoco lunga).

malato. 8. Distorsione a cuscino e a barilotto

La distorsione è solitamente molto più pronunciata con gli obiettivi zoom che con quelli a focale fissa. Alcuni obiettivi spettacolari, come Fish Eye, deliberatamente non correggono e addirittura enfatizzano la distorsione.

malato. 9. Distorsione pronunciata della lente a barilottoZenitar 16mmocchio di pesce.

Negli obiettivi moderni, compresi quelli con lunghezza focale variabile, la distorsione viene corretta in modo abbastanza efficace introducendo una lente asferica (o più lenti) nello schema ottico.

6. Astigmatismo

Astigmatismo(dal greco Stigma - punto) è caratterizzato dall'impossibilità di ottenere immagini di un punto luminoso ai bordi del campo sia sotto forma di punto che anche sotto forma di disco. In questo caso, un punto luminoso situato sull'asse ottico principale viene trasmesso come punto, ma se il punto si trova all'esterno di questo asse, come blackout, linee incrociate, ecc.

Questo fenomeno si osserva più spesso ai bordi dell'immagine.

malato. 10. Manifestazione dell'astigmatismo

7. Curvatura del campo immagine

Curvatura del campo immagine- questa è un'aberrazione, a causa della quale l'immagine di un oggetto piatto perpendicolare all'asse ottico dell'obiettivo si trova su una superficie concava o convessa rispetto all'obiettivo. Questa aberrazione provoca una nitidezza non uniforme nel campo dell'immagine. Quando il centro di un'immagine è perfettamente a fuoco, i bordi dell'immagine rimarranno fuori fuoco e non appariranno nitidi. Se l'impostazione della nitidezza viene effettuata lungo i bordi dell'immagine, la sua parte centrale risulterà sfocata.

Consideriamo l'immagine di un Punto situato sull'asse ottico dato dal sistema ottico. Poiché il sistema ottico ha simmetria circolare attorno all'asse ottico, è sufficiente limitarsi alla scelta dei raggi giacenti nel piano meridionale. Nella fig. 113 mostra il percorso dei raggi caratteristico di una lente singola positiva. Posizione

Riso. 113. Aberrazione sferica di una lente positiva

Riso. 114. Aberrazione sferica per punto fuori asse

L'immagine ideale del punto A dell'oggetto è determinata dal raggio parassiale che interseca l'asse ottico a distanza dall'ultima superficie. I raggi che formano angoli estremi con l'asse ottico non arrivano al punto di un'immagine ideale. Per una singola lente positiva, maggiore è il valore assoluto dell'angolo, più vicino alla lente il raggio attraversa l'asse ottico. Ciò è dovuto al potere ottico diseguale della lente nelle sue varie zone, che aumenta con la distanza dall'asse ottico.

La violazione indicata dell'omocentricità del fascio di raggi emergente può essere caratterizzata dalla differenza dei segmenti longitudinali per i raggi parassiali e per i raggi passanti attraverso il piano della pupilla d'ingresso ad altezze finite: questa differenza è chiamata aberrazione sferica longitudinale.

La presenza di aberrazione sferica nel sistema porta al fatto che invece di un'immagine nitida di un punto nel piano di un'immagine ideale, si ottiene un cerchio di dispersione, il cui diametro è pari al doppio del valore. legato all'aberrazione sferica longitudinale dalla relazione

e si chiama aberrazione sferica trasversale.

Va notato che in caso di aberrazione sferica, la simmetria viene preservata nel fascio di raggi che ha lasciato il sistema. A differenza delle altre aberrazioni monocromatiche, l'aberrazione sferica avviene in tutti i punti del campo del sistema ottico, e in assenza di altre aberrazioni per i punti fuori asse, il fascio di raggi in uscita dal sistema rimarrà simmetrico rispetto al fascio principale ( Fig. 114).

Il valore approssimativo dell'aberrazione sferica può essere determinato dalle formule per le aberrazioni del terzo ordine fino a

Per un oggetto situato ad una distanza finita, come segue dalla Fig. 113

Nell'ambito della validità della teoria delle aberrazioni del terzo ordine, si può prendere

Se mettiamo qualcosa, secondo le condizioni di normalizzazione, otteniamo

Quindi, utilizzando la formula (253), troviamo che l'aberrazione sferica trasversale del terzo ordine per un punto obiettivo situato a una distanza finita,

Pertanto, per le aberrazioni sferiche longitudinali del terzo ordine, assumendo secondo (262) e (263), si ottiene

Le formule (263) e (264) sono valide anche per il caso di un oggetto situato all'infinito, se calcolato in condizioni di normalizzazione (256), cioè a una lunghezza focale reale.

Nella pratica del calcolo aberrazionale dei sistemi ottici, quando si calcola l'aberrazione sferica del terzo ordine, è conveniente utilizzare formule contenenti la coordinata del raggio nella pupilla d'ingresso. Quindi secondo (257) e (262) otteniamo:

se calcolato in condizioni di normalizzazione (256).

Per le condizioni di normalizzazione (258), cioè per il sistema ridotto, secondo (259) e (262) avremo:

Dalle formule precedenti consegue che, per un dato, l'aberrazione sferica del terzo ordine è tanto maggiore quanto maggiore è la coordinata del raggio nella pupilla d'ingresso.

Poiché l'aberrazione sferica è presente in tutti i punti del campo, quando si corregge l'aberrazione di un sistema ottico, viene data priorità alla correzione dell'aberrazione sferica. Il sistema ottico più semplice con superfici sferiche in cui è possibile ridurre l'aberrazione sferica è una combinazione di lenti positive e negative. Sia nelle lenti positive che in quelle negative, le zone estreme rifrangono i raggi più fortemente delle zone situate vicino all'asse (Fig. 115). La lente negativa presenta un'aberrazione sferica positiva. Pertanto, la combinazione di una lente positiva avente un'aberrazione sferica negativa con una lente negativa dà come risultato un sistema con aberrazione sferica corretta. Purtroppo l'aberrazione sferica può essere eliminata solo per alcuni fasci, ma non può essere corretta completamente nell'intera pupilla d'ingresso.

Riso. 115. Aberrazione sferica di una lente negativa

Pertanto, qualsiasi sistema ottico presenta sempre un'aberrazione sferica residua. Le aberrazioni residue di un sistema ottico sono solitamente presentate sotto forma di tabelle e illustrate con grafici. Per un punto dell'oggetto situato sull'asse ottico, vengono forniti grafici delle aberrazioni sferiche longitudinali e trasversali, presentati come funzioni di coordinate, o

Le curve dell'aberrazione sferica longitudinale e della corrispondente trasversale sono mostrate nelle Figg. 116. Grafici di fig. 116a corrispondono a un sistema ottico con aberrazione sferica non corretta. Se per un tale sistema la sua aberrazione sferica è determinata solo da aberrazioni del terzo ordine, allora, secondo la formula (264), la curva di aberrazione sferica longitudinale ha la forma di una parabola quadratica e la curva di aberrazione trasversale ha la forma di una parabola cubica parabola. Grafici in fig. 116b corrispondono al sistema ottico, in cui l'aberrazione sferica è corretta per il raggio che passa attraverso il bordo della pupilla d'ingresso, e i grafici di Fig. 116, c - sistema ottico con aberrazione sferica reindirizzata. La correzione o la correzione dell'aberrazione sferica può essere ottenuta, ad esempio, combinando lenti positive e negative.

L'aberrazione sferica trasversale caratterizza un cerchio di dispersione, che si ottiene invece di un'immagine ideale di un punto. Il diametro del cerchio di diffusione per un dato sistema ottico dipende dalla scelta del piano dell'immagine. Se questo piano è spostato rispetto al piano ideale dell'immagine (il piano gaussiano) di un valore (Fig. 117, a), allora nel piano spostato otteniamo l'aberrazione trasversale associata all'aberrazione trasversale nel piano gaussiano dalla dipendenza

Nella formula (266), il termine sul grafico dell'aberrazione sferica trasversale tracciato in coordinate è una linea retta passante per l'origine. A

Riso. 116. Rappresentazione grafica delle aberrazioni sferiche longitudinali e trasversali

Aberrazione è un termine ambiguo che viene utilizzato in vari campi della conoscenza: astronomia, ottica, biologia, fotografia, medicina e altri. Cosa sono le aberrazioni e quali tipi di aberrazioni esistono saranno discussi in questo articolo.

Significato del termine

La parola "aberrazione" deriva dalla lingua latina e letteralmente si traduce come "deviazione, distorsione, rimozione". Pertanto, l'aberrazione è il fenomeno della deviazione da un certo valore.

In quali ambiti scientifici si può osservare il fenomeno dell’aberrazione?

Aberrazione in astronomia

In astronomia viene utilizzato il concetto di aberrazione della luce. Si intende lo spostamento visivo di un corpo celeste o di un oggetto. È causato dalla velocità di propagazione della luce rispetto all'oggetto osservato e all'osservatore. In altre parole, l'osservatore in movimento vede l'oggetto in un luogo diverso da dove lo avrebbe osservato, essendo a riposo. Ciò è dovuto al fatto che il nostro pianeta è in costante movimento, quindi lo stato di riposo dell'osservatore è fisicamente impossibile.

Poiché il fenomeno dell’aberrazione è causato dal movimento della Terra, si distinguono due tipologie:

• aberrazione diurna: la deviazione è causata dalla rotazione diurna della Terra attorno al proprio asse;
• aberrazione annuale: dovuta alla rivoluzione del pianeta attorno al sole.

Questo fenomeno fu scoperto nel 1727 e da allora molti scienziati hanno prestato attenzione all'aberrazione della luce: Thomas Young, Airy, Einstein e altri.

Aberrazione del sistema ottico

Un sistema ottico è un insieme di elementi ottici che convertono i fasci luminosi. Il sistema umano più importante di questo tipo è l'occhio. Inoltre, tali sistemi vengono utilizzati per progettare dispositivi ottici: fotocamere, telescopi, microscopi, proiettori, ecc.

Le aberrazioni ottiche sono varie distorsioni dell'immagine nei sistemi ottici che influiscono sul risultato finale.

Quando un oggetto si allontana dal cosiddetto asse ottico, si verifica la dispersione dei raggi, l'immagine finale risulta sfocata, sfocata, sfuocata o di colore diverso dall'originale. Ecco cos'è l'aberrazione. Quando si determina il grado di aberrazione, è possibile utilizzare formule speciali per calcolarlo.

L'aberrazione dell'obiettivo è divisa in diversi tipi.

aberrazioni monocromatiche

In un sistema ottico perfetto, anche il raggio proveniente da ciascun punto dell'oggetto in uscita è concentrato in un punto. In pratica questo risultato è impossibile da ottenere: il fascio, arrivando in superficie, si concentra in punti diversi. È questo fenomeno di aberrazione che causa la sfocatura dell'immagine finale. Queste distorsioni sono presenti in qualsiasi sistema ottico reale ed è impossibile eliminarle.

Aberrazione cromatica

Questo tipo di aberrazione è dovuto al fenomeno della dispersione: diffusione della luce. Colori diversi dello spettro hanno velocità di propagazione e gradi di rifrazione diversi. Pertanto, la lunghezza focale è diversa per ciascun colore. Ciò porta alla comparsa di contorni colorati o di aree di colore diverso nell'immagine.

Il fenomeno dell'aberrazione cromatica può essere ridotto utilizzando speciali lenti acromatiche negli strumenti ottici.

Aberrazione sferica

Un fascio di luce ideale in cui tutti i raggi passano attraverso un solo punto è detto omocentrico.

Con il fenomeno dell'aberrazione sferica, i raggi di luce che passano a diverse distanze dall'asse ottico cessano di essere omocentrici. Questo fenomeno si verifica anche quando l'origine si trova direttamente sull'asse ottico. Sebbene i raggi siano simmetrici, i raggi distanti vengono rifratti in modo più forte e il punto finale acquisisce un'illuminazione non uniforme.

Il fenomeno dell'aberrazione sferica può essere ridotto utilizzando una lente con un raggio superficiale maggiore.

distorsione

Il fenomeno della distorsione (curvatura) si manifesta nella discrepanza tra la forma dell'oggetto originale e la sua immagine. Di conseguenza, sull'immagine appaiono i contorni distorti dell'oggetto. possono essere di due tipi: concavità dei contorni o loro convessità. Con il fenomeno della distorsione combinata, l'immagine può avere una natura complessa di distorsione. Questo tipo di aberrazione è dovuto alla distanza tra l'asse ottico e la sorgente.

Il fenomeno della distorsione può essere corretto mediante una speciale selezione di lenti nel sistema ottico. Per correggere le foto è possibile utilizzare editor grafici.

Coma

Se il raggio di luce passa ad angolo rispetto all'asse ottico, si osserva un fenomeno di coma. L'immagine di un punto in questo caso ha la forma di una macchia sparsa che ricorda una cometa, il che spiega il nome di questo tipo di aberrazione. Quando si fotografa, appare spesso un coma quando si scatta con un'apertura aperta.

Questo fenomeno può essere corretto, come nel caso delle aberrazioni o distorsioni sferiche, selezionando le lenti, nonché diaframmando, riducendo la sezione trasversale del raggio luminoso utilizzando i diaframmi.

Astigmatismo

Con questo tipo di aberrazione, un punto che non si trova sull'asse ottico può assumere nell'immagine la forma di un ovale o di una linea. Questa aberrazione è causata dalla diversa curvatura della superficie ottica.

Questo fenomeno viene corretto selezionando una curvatura superficiale e uno spessore della lente speciali.

Queste sono le principali aberrazioni caratteristiche dei sistemi ottici.

Aberrazioni cromosomiche

Questo tipo di aberrazione si manifesta con mutazioni, riarrangiamenti nella struttura dei cromosomi.

Un cromosoma è una struttura nel nucleo di una cellula responsabile della trasmissione delle informazioni ereditarie.

Le aberrazioni cromosomiche di solito si verificano durante la divisione cellulare. Sono intracromosomici e intercromosomici.

Tipi di aberrazioni:

Le cause delle aberrazioni cromosomiche sono le seguenti:

• esposizione a microrganismi patogeni - batteri e virus che penetrano nella struttura del DNA;
• fattori fisici: radiazioni, ultravioletti, temperature estreme, pressione, radiazioni elettromagnetiche, ecc.;
• composti chimici di origine artificiale: solventi, pesticidi, sali di metalli pesanti, ossido nitrico, ecc.

Le aberrazioni cromosomiche portano a gravi conseguenze per la salute. Le malattie che causano prendono solitamente il nome dagli specialisti che le hanno descritte: sindrome di Down, sindrome di Shershevsky-Turner, sindrome di Edwards, sindrome di Klinefelter, sindrome di Wolff-Hirshhorn e altre.

Molto spesso, le malattie provocate da questo tipo di aberrazione colpiscono l'attività mentale, la struttura scheletrica, i sistemi cardiovascolare, digestivo e nervoso e la funzione riproduttiva del corpo.

La probabilità di queste malattie non è sempre prevedibile. Tuttavia, già nella fase di sviluppo perinatale del bambino, con l'aiuto di studi speciali, è possibile vedere le patologie esistenti.

Aberrazione in entomologia

L'entomologia è la branca della zoologia che studia gli insetti.

Questo tipo di aberrazione appare spontaneamente. Di solito si esprime in un leggero cambiamento nella struttura del corpo o nel colore degli insetti. Molto spesso, l'aberrazione si osserva nei lepidotteri e nei coleotteri.

Le cause della sua comparsa sono l'impatto sugli insetti di fattori cromosomici o fisici nella fase precedente all'adulto (adulto).

Pertanto, l'aberrazione è un fenomeno di deviazione, distorsione. Questo termine appare in molti campi scientifici. Molto spesso viene utilizzato in relazione a sistemi ottici, medicina, astronomia e zoologia.

Il verificarsi di questo errore può essere rintracciato con l'aiuto di esperimenti facilmente accessibili. Prendiamo una semplice lente convergente 1 (ad esempio una lente piano-convessa) con il diametro più grande possibile e una lunghezza focale piccola. Una fonte di luce piccola e allo stesso tempo sufficientemente luminosa può essere ottenuta praticando un foro in un grande schermo 2 del diametro di circa , e fissando davanti ad esso un pezzo di vetro smerigliato 3, illuminato da una potente lampada da un breve distanza. È ancora meglio concentrare la luce della lampada ad arco sul vetro smerigliato. Questo "punto luminoso" dovrebbe essere posizionato sull'asse ottico principale dell'obiettivo (Fig. 228, a).

Riso. 228. Studio sperimentale dell'aberrazione sferica: a) una lente su cui cade un fascio largo dà un'immagine sfocata; b) la zona centrale dell'obiettivo restituisce un'immagine ben nitida

Con l'aiuto della lente specificata, sulla quale cadono ampi fasci di luce, non è possibile ottenere un'immagine nitida della sorgente. Non importa come muoviamo lo schermo 4, l'immagine è piuttosto sfocata. Ma se si limitano i raggi incidenti sulla lente ponendo davanti ad essa un cartoncino 5 con un piccolo foro opposto alla parte centrale (fig. 228, b), allora l'immagine migliorerà notevolmente: è possibile trovare tali una posizione dello schermo 4 in modo che l'immagine della sorgente su di esso sia sufficientemente nitida. Questa osservazione è in buon accordo con quanto sappiamo dell'immagine ottenuta in una lente a fasci stretti parassiali (cfr §89).

Riso. 229. Schermo con fori per lo studio dell'aberrazione sferica

Sostituiamo ora il cartoncino con foro centrale con un cartoncino con fori piccoli situato lungo il diametro della lente (Fig. 229). Il percorso dei raggi che passano attraverso questi fori può essere tracciato se l'aria dietro la lente viene leggermente affumicata. Scopriremo che i raggi che passano attraverso fori posti a diverse distanze dal centro della lente si intersecano in punti diversi: più il raggio si allontana dall'asse della lente, più viene rifratto, e più vicino alla lente è il punto della sua intersezione con l'asse.

Pertanto, i nostri esperimenti mostrano che i raggi che passano attraverso le singole zone della lente situate a diverse distanze dall'asse danno immagini della sorgente che si trova a diverse distanze dalla lente. In una determinata posizione dello schermo, verranno visualizzate diverse zone dell'obiettivo: alcune sono più nitide, altre sono immagini più sfocate della sorgente, che si fonderanno in un cerchio luminoso. Di conseguenza, una lente di grande diametro produce un'immagine di una sorgente puntiforme non come un punto, ma come un punto luminoso sfocato.

Pertanto, quando si utilizzano fasci di luce ampi, non otteniamo un'immagine puntiforme anche quando la sorgente si trova sull'asse principale. Questo errore nei sistemi ottici è chiamato aberrazione sferica.

Riso. 230. Evento dell'aberrazione sferica. I raggi che lasciano l'obiettivo a diverse altezze sopra l'asse danno immagini di un punto in punti diversi

Per le lenti negative semplici, a causa dell'aberrazione sferica, anche la lunghezza focale dei raggi che passano attraverso la zona centrale della lente sarà maggiore rispetto ai raggi che passano attraverso la zona periferica. In altre parole, un raggio parallelo che passa attraverso la zona centrale di una lente divergente diventa meno divergente di un raggio che passa attraverso le zone esterne. Forzando la luce dopo la lente convergente a passare attraverso la lente divergente, aumentiamo la lunghezza focale. Questo aumento sarà, tuttavia, meno significativo per i raggi centrali che per i raggi periferici (Fig. 231).

Riso. 231. Aberrazione sferica: a) in una lente convergente; b) in una lente divergente

Pertanto, la lunghezza focale maggiore della lente convergente corrispondente ai raggi centrali aumenterà in misura minore rispetto alla lunghezza focale minore dei raggi periferici. Pertanto, la lente divergente, a causa della sua aberrazione sferica, equalizza la differenza di lunghezza focale dei raggi centrali e periferici dovuta all'aberrazione sferica della lente convergente. Calcolando correttamente la combinazione di lenti convergenti e divergenti, possiamo ottenere questo allineamento in modo così completo che l'aberrazione sferica del sistema di due lenti sarà praticamente ridotta a zero (fig. 232). Di solito entrambe le lenti semplici vengono incollate insieme (Fig. 233).

Riso. 232 Correzione dell'aberrazione sferica combinando lenti convergenti e diffondenti

Riso. 233. Lente astronomica incollata corretta per l'aberrazione sferica

Da quanto detto si vede che l'eliminazione dell'aberrazione sferica viene effettuata mediante una combinazione di due parti del sistema le cui aberrazioni sferiche si compensano reciprocamente. Facciamo lo stesso quando correggiamo altre carenze del sistema.

Le lenti astronomiche possono servire come esempio di un sistema ottico con l'eliminazione dell'aberrazione sferica. Se la stella si trova sull'asse della lente, la sua immagine non è praticamente distorta dall'aberrazione, sebbene il diametro della lente possa raggiungere diverse decine di centimetri.