Недостатки линз. Сферическая и хроматическая аберрация. Астигматизм

Недостатки линз. 1) Шайба Гартля. 2) Стекла. 3) Линзы (желательно большого размера). 4) Источник света. 5) Экран. 6) Ширма с небольшим круглым отверстием. 7) Стекло с начерченными линиями. 8) Предмет для изображения. 9) Несколько диафрагм.

В этом параграфе приведены опыты, обнаруживающие недостатки линз, и указаны средства ослаблять эти недостатки. Изложенные опыты дают вместе с тем приемы, при помощи которых можно исследовать качества линз.

1. Сферическая аберрация. Берут установку опыта 1 в § 34, но открывают несколько щелей (5—7); чтобы выделить краевые лучи, желательно крайние щели закрыть полосками цветного стекла.

Опыт показывает, что краевые лучи не сходятся в одной точке с центральными лучами (рис. 351, I). Это должно давать изображение с размытыми краями. Точка схождения краевых лучей лежит ближе к стеклу, чем у лучей центральных (рис. 352). Это явление можно заметить как при параллельных падающих лучах, так и при расходящихся.

Рис. 351. Шайба Гартля; сферическая аберрация в линзах

Рис. 352. Ход лучей при сферической аберрации

Для удобства наблюдения весьма желательно краевые лучи сделать цветными. Различие в положении изображений, даваемых центральными и краевыми лучами, выясняется еще в лабораторной работе (§ 36, 4, случай 5). Заменив двояковыпуклое стекло двояковогнутым, производят такую же установку и наблюдают ход краевых лучей по их выходе из линзы (рис. 351, II). Чтобы увидеть в этом случае, где сходятся продолжения лучей, надо, прикладывая к ним линеечку, наметить карандашом (для стекла) эти продолжения хотя бы для трех лучей. Опыты можно произвести и с линзами подобно демонстрационным опытам с ходом лучей (§ 34, 3). За ходом лучей можно проследить или методом прозрачного экрана, или способом запыленного воздуха.

Так как сферическая аберрация зависит не только от формы поверхностей линзы, но и от угла падения лучей, то, например, у плоскому выпуклой линзы аберрация меньше, когда лучи падают на плоскую поверхность, нежели при падении лучей на выпуклую.

Сферическую аберрацию уменьшают подбором двух линз, помещенных на расстоянии друг от друга. Аберрацию, зависящую от наклона лучей, ослабляют диафрагмами (см. дальше).

2. Хроматическая аберрация. Если в опыте (1) на шайбе Гарт ля сделать краевые лучи цветными, закрыв крайние щели полосками цветного стекла (одну — синего, другую — красного), то будет видно, что фиолетовый луч пересекает оптическую ось ближе к стеклу, чем красный (рис. 353). Это явление, названное хроматической (цветной) аберрацией, влечет за собой окраску краев изображения в радужные цвета и, конечно, нечеткость изображения.

Рис. 353. Ход лучей при хроматической аберрации

Дальше приведена лабораторная работа (§ 36, 4, случай 6), определяющая фокусное расстояние для красных и синих лучей. Хроматическая аберрация уничтожается складыванием вместе двух линз—двояковыпуклой и двояковогнутой, подобранных из разного стекла так, что сложная линза не разлагает лучей на цвета (ахроматическая линза, рис. 354).

Рис. 354. Ахроматические линзы

Чтобы показать свойства ахроматической линзы, надо при помощи одного двояковыпуклого стекла, входящего в состав такой линзы, или вообще при помощи одного собирающего стекла спроектировать на экран какой-нибудь чертеж. Тогда на экране каждая линия будет сопровождаться по бокам продольными цветными каемками: с одной стороны красного цвета, с другой — синего. При проектировании того же чертежа при помощи ахроматической линзы получается изображение или совсем без цветных каемок, или с очень незначительными каемками.

3. Астигматизм. Так называется свойство линзы, состоящее в том, что изображение светящей точки не является точкой (стигма — по-гречески точка). Астигматизм вызывается различием в кривизне поверхностей линзы, но зависит также от наклона лучей к оптической оси линзы, когда лучи выходят из точки, лежащей вне оси (астигматизм косых пучков).

Чтобы продемонстрировать эго явление, надо с помощью собирающей линзы получить на экране изображение небольшого (d = 2—3 мм) отверстия, освещенного электролампой, и затем повернуть линзу на угол, примерно 45°, около одного из ее диаметров, как около оси; тогда изображение в виде небольшого кружка исчезнет и заменится размытым пятном; перемещая экран, можно получить на нем два изображения в виде узких полосок (линий); одно из них, параллельное оси вращения линзы, будет лежать ближе к линзе, чем второе.

На рисунке 355 изображен пучок лучей, выходящих из одной точки S (не на оси линзы). После линзы пучок имеет сложную форму; на рисунке представлен ряд поперечных сечений пучка, из них два имеют форму прямых AB и CD.

Рис. 355. Ход лучей при астигматизме косых пучков

Астигматизм ослабляется подбором линз, составляющих сложную систему. 4. Искривление плоскости изображения (кривизна поля). Это явление заключается в том, что изображения точек плоского предмета лежат на изогнутой (кривой) поверхности. Объясняется это различием фокусных расстояний линзы для разных побочных осей.