Аберрации оптических систем (стр. 3 из 5)

(11)

то окажется, что Ф зависит только от

, , и , или, что то же самое, Ф зависит от , , и 0. Предположим теперь, что оси X и Y систем с началами в и поворачивается на один и тот же угол и в одном и том же направлении относительно оси системы.

При этом

, , не изменяются, а угол 0 увеличивается на угол поворота. Поскольку функции Ф инвариантна относительно таких поворотов, она не должна зависеть от последней переменной, т. е. зависит только от , , и . Следовательно, функции аберраций Ф является функцией трех скалярных произведений

(12)

двух векторов

и .

Отсюда вытекает, что при разложении Ф в ряд по степеням четырех координат нечетные степени будут отсутствовать. Поскольку Ф (0, 0; 0, 0) = 0, то членов нулевой степени тоже не будет. Более того, не будет и членов второй степени, так как, согласно (10), они соответствуют лучевым аберрациям, линейно зависящим от координат, а это противоречит тому, что

, является параксиальным изображением точки . Таким образом, наше разложение имеет вид

(13)

где с - константа, а

— полином степени 2k по координатам и содержит их только в виде трех скалярных инвариантов (12). Говорят, что член степени 2k описывает волновую аберрацию порядка 2k. Аберрации наинизшего порядка (2k = - 4) обычно называются первичными аберрациями или аберрациями Зайделя.

Для оценки порядка величин некоторых выражений и точности наших вычислений удобно ввести параметр

. Этим параметром может служить любая величина первого порядка, скажем, угловая апертура системы. Тогда можно допустить, что все лучи, проходящие через систему, составляют с оптической осью углы О( ), где символ О( ) означает, что величина угла порядка .

Оценим погрешность, возникающую при замене

в основном уравнении (10) на величины, не зависящие от и . Из (3) и (5) имеем

(14)

тогда вместо (8) можем написать

(15)

Соотношения (10) для компонент лучевой аберрации принимают вид

(16)

(17)

3. Первичные аберрации (аберрации Зайделя)

Используя рассуждения, совершенно аналогичные тем, которые относились к функции аберраций, можно показать, что разложение в степенной ряд возмущенного эйконала Шварцшильда имеет в силу симметрии задачи следующий вид:

(1)

Где

— полином степени 2k по четырем переменным; более того, эти переменные входят только в трех комбинациях:

(2)

В соотношении (1) отсутствует член второй степени, так как в противном случае это противоречило бы тому, что,

, , и в приближении параксиальной оптики.

Поскольку переменные входят только в комбинациях (2), член

должен иметь вид

, (3)

где А, В,... — постоянные. Знаки и числовые множители в (3) общепринятые; выражения для лучевых аберраций в этом случае принимают простой вид.

Конечно, разложение в степенной ряд функции

имеет такой же вид, как и (1), но оно не содержит члена нулевого порядка ( ), и главный член отличается от тем, что в нем отсутствует слагаемое . Таким образом, общее выражение для волновой аберрации наинизшего (четвертого) порядка записывается следующим образом:

. (4)

где В, С,. — те же коэффициенты, что и в (3).

Общее выражение для компонент лучевой аберрации наинизшего (третьего) порядка в виде

(5)

Коэффициент А не входит в выражения (4) и (5), т. е. существуют только пять типов аберрации наинизшего порядка, характеризуемых пятью коэффициентами В, С, D, E и F. Как указывалось выше, эти аберрации называются первичными аберрациями или аберрациями Зайделя.

При исследовании аберраций Зайделя удобно выбрать оси таким образом, чтобы плоскость yz проходила через точку предмета; тогда

. Если затем ввести полярные координаты

, (6)

то (4) примет вид

, (7)

а (5) — вид

(8)

В частном случае равенства нулю всех коэффициентов в (7) волновой фронт, проходящий через выходной зрачок совпадает (в рассматриваемом приближении) с опорной сферой Гаусса (см. рис. 2.2). В общем случае эти коэффициенты отличны от нуля. Тогда каждый член в (7) описывает определенный тип отклонения мы нового фронта от правильной сферической формы; на рис. 3.1 показаны пять различных типов аберраций.

Важность лучевых аберраций, связанных с определенной точкой предмета, можно проиллюстрировать графически с помощью так называемых аберрационных (или характеристических) кривых. Эти кривые являются геометрическим местом точек пересечения лучей, выходящих из фиксированной зоны

=const выходного зрачка, с плоскостью изображения. Тогда поверхность, образованная аберрационными кривыми. соответствующими всем возможным значениям , представляет собой неидеальное изображение.

Рис.3.1 Первичные волновые аберрации.

А) сферическая. Б) кома. В) астигматизм. Г) кривизна поля. Д) дисторсия

Рассмотрим отдельно каждую из аберраций Зайделя

3.1 Сферическая аберрация (

)

Если все коэффициенты, за исключением В, равны нулю, то (8) принимает вид

. (9)