Wady soczewek

Astygmatyzm

Pojęcie ogniska głównego odnosi się do wiązki promieni równoległych osi do głównej. Promienie tworzące wiązki równoległe nachylone pod niewielkimi kątami do osi głównej przecinają się po odbiciu od zwierciadła w punkcie leżącym nie na osi głównej, lecz z boku. W tych warunkach mówimy o ogniskach bocznych albo pochylonych. Inaczej przedstawia się wynik odbicia, gdy mamy do czynienia z wiązkami równoległymi, tworzącymi duże kąty z osią główną. W tym przypadku znowu nie otrzymujemy punktowego odwzorowania punktu świecącego. Zamiast obrazu punktowego otrzymujemy obraz w postaci dwóch wichrowatych odcinków. Tę wadę odwzorowań optycznych nazywamy astygmatyzmem. Odległość obu wichrowatych odcinków jest miarą astygmatyzmu wiązki odbitej.

ABERRACJA SFERYCZNA

Jeżeli na soczewkę pada szeroka wiązka promieni równoległych, to po załamaniu soczewce promienie nie przecinają się w jednym punkcie, nie ma jednego punktowego ogniska dla całej szerokości wiązki. Promienie biegnące blisko osi głównej (rys. 1) przecinają się dalej od soczewki w ognisku F1, promienie soczewki przecinają się bliżej soczewki w ognisku F2. Odległości F1F2 przyjęto za miarę aberracji sferycznej podłużnej. Jeśli w ognisku F1 umieści się ekran prostopadle do osi optycznej, to zamiast obrazu punktowego otrzyma się obraz w postaci krążka. Promień tego krążka jest miarą aberracji sferycznej poprzecznej.

Rys.1 (patrz załącznik)

Aberrację sferyczną można zmniejszać 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 stroną płaską względem padającej wiązki równoległej otrzymujemy większe zniekształcenie obrazu wskutek aberracji sferycznej niż ustawiając tę samą soczewkę stroną wypukłą. Układy soczewek wolne od aberracji sferycznej nazywamy układami aplanatycznymi.

Drugą podstawową wadą w soczewkach jest aberracja chromatyczna związana z rozszczepieniem światła przy załamaniu, czyli wynikająca z faktu, ż współczynnik załamania n jest funkcją częstotliwości padającego promieniowania. Biorąc pod uwagę dwa skrajne promienie światła białego (rys. 2) padające na soczewkę równoległe do osi głównej. Po załamaniu większe odchylenie od pierwotnego biegu wykazuje składnik fioletowy światła białego, mniejsze składnik czerwony. 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.

Rys. 2 (patrz załącznik)

Ustawiając ekran prostopadle do osi głównej w punkcie Ff lub Fcz otrzyma się obraz źródła z barwą obwódką czerwoną lub fioletową. Przesuwając ekran od jednej ogniska do drugiego uzyska się obraz w postaci barwnego krążka, zmieniającego rozmiary w miarę przesuwania ekranu. Najmniejszą średnicę tego barwnego krążka przyjmuje się 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, wyłącznie fotograficznych czy też mieszanych, stosuje się układy chromatyczne 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. dla barw widma między czerwoną i niebieską. Wobec maksymalnej czułości kliszy na promienie fioletowe i niebieskie stosujemy achromatyzację dla określonych długości fal z tych obszarów widmowych w takich przyrządach, przyrządach, których stosujemy wyłącznie fotograficzną metodę badań. Jeśli badania są 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.

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 promieniowaniem dużą powierzchnię soczewki, jest figura przypominająca kształtem przecinek. Jest to tzw. Wada koma. Wiązka promieniowania wychodzącego 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 od siebie prostopadłych odcinków. Tę wadę odwzorowań optycznych nazywamy astygmatyzmem. Astygmatyzm występuje w przypadkach, gdy soczewka nie wykazuje symetrii względem osi padającej wiązki. Soczewki pochylone względem osi padających wiązek, jak również soczewki walcowe, wykazują zawsze odkształcenia astygmatyczne powstających obrazów.