АБЕРРАЦИЯ

АБЕРРАЦИЯ (лат. aberratio — отклонение) — отклонение в строении или функции от нормы, типичного образца.

В морфологии и физиологии термин «аберрация» обычно употребляется для обозначения индивидуальных отклонений от нормы; иногда как синоним девиации (см. Биогенетический закон). В систематике нек-рых групп животных (гл. обр. бабочек, жуков и рыб) этот термин применяют в таксономических целях (см. Таксономические категории) на основе выделения незначительных, случайных отклонений в окраске, рисунке и структуре покровов. В генетике применяют понятие «хромосомные аберрации», т. е. изменения линейной структуры хромосом, вызванные их разрывом с перераспределением, утратой или частичным удвоением генетического материала (см. Мутация).

Частным случаем А. являются аберрации оптических систем, т. е. погрешности изображений, даваемых оптическими системами (стеклянной линзой или набором линз, зеркалами, преломляющими средами глаза).

А. оптических систем многочисленны. Среди них различают хроматические и монохроматические, или геометрические.

Рис. 1. Хроматическая аберрация. Вид изображений яркой белой точки при разных положениях экрана: кругами обозначены сечения светового конуса в плоскостях фокусов фиолетовых, зеленых и красных лучей; вертикальными линиями обозначены экраны

Хроматические аберрации возникают вследствие зависимости показателя преломления линз от длины волны света. Для глаза показатели преломления прозрачных сред тем больше, чем меньше длина волн. Это приводит к тому, что преломляющая сила глаза в синих лучах (длина волн λ около 450 нм) на 1,3 диоптрии (дптр) больше, чем в красных лучах (λ = 650 нм). Фокусные расстояния простых выпуклых линз для красных лучей оказываются больше (на 1—3% в зависимости от сорта стекла), чем для синих (рис. 1). Красные лучи создают резкие изображения дальше от линзы, чем синие (так возникает продольная хроматическая А.), и в более крупном масштабе — так наз. хроматическая разница увеличений. Изображение яркой белой точки представляет собой яркое цветное пятнышко, окруженное ореолом дополнительных цветов.

Рис. 2. Сферическая аберрация простой линзы: а — ход лучей; б — распределение освещенности в изображении яркой точки при разных положениях экрана

Хроматическая А. симметрична вокруг оси глаза и почти одинакова Для всех глаз. Вследствие хроматической А. обычный эмметропический глаз оказывается близоруким при синем освещении. В обычных же условиях освещения, когда на восприятие существенно сказывается лишь чувствительность глаза к средней части видимого спектра, хроматическая А. лишь незначительно уменьшает четкость контуров.

Рис. 3. Распределение освещенности при коме

Геометрические аберрации проявляются при действии пучков света, далеких от главной оптической оси системы, или пучков, сильно наклоненных к оси. Простейшими А. сферических линз и зеркал являются: сферическая А., кома, астигматизм косых пучков, кривизна поля и дисторсия.

Рис. 4. Астигматизм

Сферическая аберрация. Лучи, вышедшие из точки, лежащей на главной оптической оси выпуклой линзы, и прошедшие через ее края, сойдутся раньше, чем параксиальные (т. е. прошедшие через середину линзы) лучи. Получающиеся распределения освещенности в изображении яркой точки для нек-рых положений экрана даны на рис. 2 (а и б). На рис. 2, а изображен ход лучей. Рис. 2, б представляет собой график качественной зависимости освещенности в изображении одной точки от расстояния z от главной оптической оси Е при разных положениях экрана (0₁ — О₂), для каждого из к-рых вправо отложена освещенность. В результате сферической А. яркая точка, лежащая на оптической оси, изображается в виде «кружка рассеяния». Радиус этого кружка называют поперечной сферической А.

Рис. 5. Астигматизм и кривизна поля

Кома проявляется тем сильнее, чем дальше от главной оптической оси отстоит изображаемая точка и чем больше открыта диафрагма. Изображение точки имеет вид продолговатого несимметричного пятнышка (рис. 3). Линиями на рисунке соединены точки с равными освещен-ностями. Наибольшая освещенность в точке О. Прямая ОО¹ пересекает главную оптическую ось.

Рис. 6. Дисторсия: а — правильное изображение объекта; б — «подушкообразная» дисторсия; в — «бочкообразная» дисторсия

Астигматизм косых пучков. Лучи в астигматическом пучке (в противоположность гомоцентрическому или стигматическому пучку, все лучи которого пересекаются в одной точке) в отдельных случаях могут пересекаться, как показано на рис. 4. Световая волна имеет здесь различную кривизну в разных сечениях: в сечениях АВМ и CDN кривизна максимальна; а в АСР и BDQ — минимальна. Поэтому лучи, лежащие в сечении АВМ, проходят через точку М, а лучи сечения АСР проходят через точку Р. Таким образом, все лучи, ограниченные контуром ABDC, пересекают соответствующие точки отрезка MN, а затем отрезка PQ. Расстояние между MN и РQ, характеризующее степень неопределенности положения наилучшего изображения, называется астигматической разностью. При косом падении лучей от светящейся точки на выпуклую линзу (линза не обладает осевой симметрией относительно оси пучка) лучи, прошедшие через верх и низ линзы, сойдутся в точке М, а прошедшие через разные точки ее горизонтального диаметра — в точке Р (рис. 5). В этом случае радиальные прямые плоскости OS, перпендикулярной оптической осп линзы (и плоскости чертежа), изобразятся резко на поверхности вращения р (образованной вращением РО′ вокруг ОО′), а концентрические окружности той же плоскости изобразятся четко на поверхности m. На поверхности n, средней между р и m, длина пятна, изображающего любую точку плоскости OS, минимальна.

Этот вид А. часто встречается в жизни как один из недостатков зрения, связанного с дефектами форм поверхности глаза (см. Астигматизм глаза).

Отличие поверхности п от плоскости определяет собой еще один вид А. — кривизну поля, или искривление поверхности изображения. Существуют оптические системы, в к-рых m и р зеркально симметричны относительно плоскости О'S'. В них нет кривизны поля, но есть астигматизм. Возможен и обратный случай — большая кривизна поля без существенного астигматизма. Поверхности m и р всегда касательны к плоскости O'S', поэтому и астигматизм, и кривизна поля несущественны для параксиальных пучков.

Дисторсия — искажение изображения в результате зависимости линейного увеличения частей изображения от их расстояния до главной оптической оси. В этом случае изображение не подобно объекту. Если при удалении от оси увеличение растет, то изображение объекта, данного на рис. 6, а, приобретает подушкообразную форму (рис. 6, б); если же с удалением от оси увеличение падает, то получается бочкообразное изображение объекта (рис. 6, в). Из рисунка также видно, что радиальные прямые и симметричные относительно главной оси окружности дисторсией не искажаются.

Лучи света лишь условно можно считать эквивалентными геометрическим прямым.

В действительности распространение света есть волновой процесс, а лучи света — это перпендикуляры к волновым поверхностям. Сферическая волна, вышедшая из точечного источника монохроматического света, пройдя через оптическую систему, перестает быть сферической. Отступление реальной поверхности волны от идеальной сферической определяет волновую А. Зная волновую А., можно точно вычислить распределение освещенности в области изображения. При этом оказываются учтенными сразу и вышеописанные простейшие геометрические А., и более сложные А., и дифракционные явления. Последние н в безаберрацпонных системах приводят к размытию изображений п принципиально ограничивают разрешающую силу оптических приборов (см. Оптика, Оптические методы исследования).

Рассмотренные выше А. свойственны и безупречно изготовленным п смонтированным системам. На практике же вследствие неоднородности материала стекол, несоответствия формы и положения поверхностей расчетным возникает еще целый ряд дефектов изображения, уменьшающих резкость контуров, ухудшающих передачу контрастов (особенно мелких деталей и в тенях), искажающих форму изображения. Полное устранение А., как правило, невозможно. Значительного их уменьшения добиваются, подбирая показатели преломления и дисперсии стекол линз, комбинируя формы, взаимное расположение линз (и зеркал). Однако необходимость соблюдения одних технических условий уменьшает нередко возможности выполнения других. Поэтому приходится в соответствии с назначением прибора определять, какие из А. главные п в какой мере следует устранять ту или иную разновидность А. Часто по названию оптической системы можно определить, какие из А. в ней хорошо скомпенсированы. В ахроматах уменьшены хроматическая и сферическая А. В апохроматах эти же А. скомпенсированы значительно точнее. В апланатах исправлены хроматические и сферические А., а также кома. Если, кроме этих А., устранены астигматизм и кривизна поля, то объектив называют анастигматом. Ортоскопическими называют системы с исправленной дисторсией.

Для медиков А. важна уже тем, что глаз человека вследствие А. часто создает несовершенное изображение, значительно худшее, чем дала бы безаберрационная система той же светосилы и с тем же фокусным расстоянием. А. глаза разнообразны. Самые простые из них обусловлены неправильной фокусировкой глаза вследствие аномалий рефракции глаза (см.) и аккомодации глаза (см.). Эти дефекты (см. Близорукость, Дальнозоркость, Пресбиопия) компенсируются обычными сферическими очковыми линзами. Комбинации этих неправильностей наводки глаза на резкость с простым астигматизмом образуют так наз. правильный астигматизм глаза (см.), исправляемый комбинацией сферической и цилиндрической линз. Более сложным является неправильный астигматизм, малые степени к-рого встречаются у большинства людей и приводят к большему или меньшему искажению изображения, делают его менее контрастным; острота зрения при этом существенно не меняется. Большие степени — это уже патология. Они возникают, напр., при конусовидной роговице. В таких случаях острота зрения обычными очками не компенсируется и применяют контактные линзы (см.).

Библиогр.: Ландсберг Г. С. Общий курс физики, т. 3, М., 1957; Поль Р. В. Введение в оптику, пер. с нем., М.—Л., 1947; Слюсарев Г. Г. Геометрическая оптика, М.—Л., 1946, библиогр.; Тудоровский А. И. Теория оптических приборов, т. 1, с. 427, М.—Л., 1948, библиогр.