Аберрация — понятие в оптике и науке¶
Аберрация (от лат. aberratio — «отклонение») — термин, обозначающий отклонение хода лучей света или траекторий частиц от идеального, расчётного пути при прохождении через оптическую систему или под действием внешних полей. В широком смысле слово употребляется для обозначения любого систематического отклонения измеряемой величины от её истинного значения. В физике и астрономии аберрация — одно из ключевых явлений, лежащих в основе работы телескопов, микроскопов и других оптических приборов.
¶Оптическая аберрация
Оптическая аберрация возникает потому, что реальные линзы и зеркала не способны формировать идеальное изображение точечного источника. При прохождении через линзу параллельный пучок света сходится в точку только при выполнении ряда приближений (параксиальное приближение). При отклонении от этих приближений изображение искажается.
¶Хроматическая аберрация
Хроматическая аберрация обусловлена зависимостью показателя преломления стекла от длины волны. Фиолетовый свет преломляется сильнее красного, поэтому разные цвета фокусируются на разных расстояниях от линзы. Визуально это проявляется как цветная кайма вокруг контрастных объектов — например, фиолетовое или зеленоватое окаймление веток деревьев на фоне яркого неба при съёмке на дешёвый объектив. Различают поперечную (поперечное смещение цветных изображений) и продольную (разное положение фокусов по цветам) хроматическую аберрацию.
¶Геометрические аберрации
К геометрическим аберрациям относятся:
- Сферическая аберрация — крайние зоны линзы фокусируют свет в другой точке, чем центральная зона. Изображение получается размытым.
- Кома — аберрация, при которой точечный источник вне оптической оси изображается в виде кометообразного пятна.
- Астигматизм — точка вне оси изображается в виде двух перпендикулярных фокальных линий.
- Искажение (дисторсия) — изменение геометрических пропорций изображения («бочка» или «подушка»).
- Кривизна поля изображения — фокальная поверхность оказывается изогнутой, а не плоской.
Устранение аберраций — центральная задача конструирования объективов. Применяются ахроматы (соединение линз из разных сортов стекла), апохроматы, асферические поверхности, специальные дисперсионные стёкла.
¶Аберрация света (астрономическая)
Астрономическая аберрация — кажущееся смещение небесных светил, обусловленное движением наблюдателя вокруг Солнца. Явление открыл английский астроном Джеймс Брэдли в 1727 году при попытке измерить годичный параллакс звезды. Брэдли обнаружил, что звёзды описывают на небе маленькие эллипсы с амплитудой около 20,5 угловых секунд — величиной, не связанной с параллаксом.
Суть явления: Земля движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. Луч света от далёкой звезды, достигая наблюдателя, должен быть принят под небольшим углом к направлению на звезду — аналогично тому, как дождевые капли падают косо на движущегося человека. Постоянная аберрация составляет около 20,5″, годичная аберрация — до 20,5″, суточная — ничтожно мала для наземных наблюдений.
¶Аберрация в других областях
¶Аберрация в электронной оптике
В электронных микроскопах и осциллографах электронные линзы подвержены аберрациям, аналогичным оптическим: сферической, хроматической (обусловленной разной скоростью электронов), коме, астигматизму. Аберрации электронных линз — главный фактор, ограничивающий разрешающую способность электронных микроскопов.
¶Аберрация в теории относительности
В общей теории относительности аберрация света получает релятивистское истолкование: смещение изображения источника связано с искажением пространства-времени вблизи массивных тел. Аберрация используется для проверки ОТО — например, при измерении смещения радиосигналов космических аппаратов вблизи Солнца.
¶Переносное значение
В переносном смысле «аберрация» употребляется для обозначения систематических отклонений в измерениях, психологии восприятия, медицине (например, аберрации зрения — оптические дефекты глаза, исправляемые очками или лазерной коррекцией).
¶Историческая справка
Термин «аберрация» ввёл в употребление Исаак Ньютон, описавший в 1727 году аберрацию света как следствие движения Земли. Ньютон использовал это явление как аргумент в пользу корпускулярной теории света, однако явление одинаково объясняется и волновой теорией. Открытие Брэдли стало первым прямым доказательством движения Земли вокруг Солнца.
¶Практическое значение
Аберрации определяют качество фотографических объективов, телескопов, микроскопов и линз глаза. Индустрия оптики вкладывает значительные ресурсы в разработку компаунд-объективов, использующих от 5 до 15 и более элементов для компенсации аберраций. В фотографии понимание аберраций лежит в основе выбора оборудования и методов постобработки — современные цифровые камеры автоматически корректируют хроматические и геометрические искажения по профилям объективов.
Источники:
- Сивухин Д. В. «Общий курс физики. Оптика»
- Борн М., Вольф Э. «Основы оптики»
- Максутов Д. Д. «Астрономическая оптика»
- Френель А. — работы по волновой теории света
- Большая медицинская энциклопедия, статья «Аберрация»