Аберрация – что это

картинка Аберрация – что это

Что такое аберрация простыми словами

На языке Древнего Рима глагол «aberro» означал отклоняться от нормы, заблуждаться. Поэтому понятие «аберрация» связано с отклонением от идеала, ошибкой, нарушением правильного хода вещей.

Этот термин используется в разделе физики, который называется «оптика» и занимается исследованием свойств оптических систем: природных или созданных человеком приборов, преломляющих ход лучей света и позволяющих получать различные изображения. Аналогичное понятие используют и другие науки: астрономия, биология и даже социология.

Почему возникают оптические аберрации?

В идеальных оптических приборах аберрации возникать не должны. Если поверхность линзы имеет совершенную сферическую форму, а сама линза сделана из однородного материала – полученное на экране изображение должно быть четким. При этом каждой точке объекта соответствует одна точка изображения.

В реальности даже очень хорошо отшлифованная поверхность линзы имеет небольшие отклонения от сферической симметрии. Материал, из которого изготовлен оптический прибор, тоже может быть неоднородным на микроскопическом уровне. Такие неоднородности влияют на скорость распространения световой волны, и, как следствие, на показатель преломления вещества. При этом ход лучей будет отклоняться от теоретически предсказанного направления.

В результате изображение имеет дефекты: отличается от объекта, выглядит как нечеткое и размытое по краям или приобретает цветную окраску. Эти отклонения от нормы и называются аберрациями.

Измерение аберраций

Отклонение лучей от своего правильного хода можно выразить в сетке координат. Для непосредственного расчета используются формулы, полученные как в рамках традиционной геометрической оптики, так и на основе волновых представлений.

Первый из этих способов описания лучше применим для случаев больших аберраций оптической системы, а формулы волновой оптики дают прецизионные результаты при малых аберрациях объектива.

Виды аберраций

В оптике выделяется два основных типа аберраций:

  1. Монохроматические, присущие пучкам лучей одного цвета. Их называют еще геометрическими, так как они связаны с изменением хода лучей и можно исследовать с помощью геометрических построений. Примерами таких искажений являются сферические аберрации, кома, астигматизм и дисторсия.
  2. Хроматические аберрации связаны с дисперсионными свойствами материала линз. В пучках белого света присутствуют световые волны разной длины, воспринимающиеся человеческим глазом как лучи разных цветов. При прохождении через прозрачный материал, например, стекло, эти лучи изменяют свою скорость по-разному, что приводит к разложению света в спектр. Изображение будет окружено цветным контуром или иметь неестественную окраску.

Как уменьшить аберрацию оптического прибора?

Устранение искажений, возникающих в оптических системах, представляет сложную задачу. Практические методы, применяемые для улучшения качества изображения, зависят от назначения оптического прибора.

Сферическая аберрация является следствием кривизны поверхности линзы. Лучи, идущие близко к главной оптической оси (линии, пересекающей центр линзы и перпендикулярной ее поверхности) и лучи, проходящие по краям, в идеальной линзе должны собираться в одну точку. Если на практике этого не происходит, изображение будет нечетким. Можно устранить этот недостаток, используя стекло с более высоким показателем преломления.

Другой способ борьбы со сферической аберрацией – использование диафрагмы, отсекающей «лишние» лучи, проходящие по краям линзы. Правда, при этом уменьшится яркость полученной картинки. Используют также системы из двух склеенных линз, для которых сферическая аберрация будет минимальной.

Хроматические аберрации также могут быть скорректированы. Для этого применяются комбинации оптических стекол с различной дисперсией. Дефекты, вносимые основной линзой, компенсируются искажениями, которые вносит добавочная линза. Такие системы линз называются ахроматическими.

Аберрация света

Астрономы используют термин «аберрация» для описания поправок, которые вносит система отсчета, связанная с Землей. Это одно из проявлений всеобщего принципа относительности – направление световых лучей зависит от выбора точки отсчета.

Расположение звезд на небосводе изменяется в зависимости от направления скорости движения нашей планеты по орбите вокруг Солнца, ее суточного обращения вокруг оси, и даже от скорости движения Солнца относительно центра нашей Галактики. Например, в течение земного года любая видимая звезда небесной сферы движется по эллипсу, тогда как при наблюдении с Солнца она бы оставалась неподвижной.

Аберрация в генетике

В биологической науке понятие аберрации вводится для описания изменений в структуре хромосом. Дефекты могут заключаться в отсутствии одного из участков хромосомы, изменении очередности генов, возникновении лишних участков и т.д. Если перестройка генов сбалансирована, она не ведет к утрате генетического материала и отклонениям от нормы.

Несбалансированные искажения приводят к повышению риска возникновения онкологических и наследственных заболеваний. Причиной таких аберраций часто служит ионизирующее излучение высокой частоты.