Aberracja chromatyczna - zmora obiektywów

1. Wstęp

Układ kilku lub kilkunastu soczewek zbierających światło i ogniskujących je na detektorze nazywamy obiektywem. Ilość zbieranego światła zależy od średnicy obiektywu, a jakość uzyskiwanych obrazów od konstrukcji i jakości zastosowanych materiałów. Żaden obiektyw nie jest idealny i przez to często uzyskiwane obrazy dalekie są od naszych oczekiwań. Co powoduje te wady? Na część z tych pytań ma odpowiedzieć nasz artykuł.

2. Niechciane kolorki!

- - - - - - - - - - - - - - - - - - R E K L A M A - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Światło zakresu widzialnego, czyli tego który odbierają nasze oczy, składa się w rzeczywistości z wielobarwnej tęczy rozciągającej się od czerwieni (fale najdłuższe o najmniejszej energii), poprzez żółć i zieleń, do fioletu (fale najkrótsze o największej energii). Fale takie przechodząc przez szkło, którego gęstość jest większa od gęstości powietrza, uginają się i jest to zjawisko jak najbardziej pożądane bo dzięki temu nasz obiektyw ogniskuje światło skupiając je na detektorze. Problem leży jednak w czymś co optycy nazywają dyspersją, czyli różnym stopniu uginania się światła o różnym kolorze.

Energetyczne światło niebieskie bardziej oddziałuje ze szkłem, ugina się więc w soczewce najmocniej i skupia się najbliżej niej. Z czerwonym jest na odwrót, ugina się słabo i ogniskuje dalej niż fale niebieskie. Jeśli więc ustawimy detektor tak aby idealnie skupiały się na nim promienie czerwone, obraz niebieski będzie rozogniskowany, co przejawi się powstawaniem fioletowo-niebieskich obwódek. Tą wadę optyki nazywamy aberracją chromatyczną.

3. Walka z problemem.

W 1829 roku Joseph Lister znalazł częściowe rozwiązanie problemu. Zauważono, że szkło różnych gatunków inaczej załamuje światło. Tą zdolność opisuje się współczynnikiem załamania, który jest niczym innym jak stosunkiem prędkości światła w próżni do prędkości światła w rozważanym ośrodku. Dla powietrza wynosi on 1.0003 i zwiększa się wraz z gęstością materiału przez który przechodzi światło. W typowym szkle optycznym zawiera się on w przedziale od 1.4 do 1.8. Połączenie dwóch popularnych rodzajów szkła (np. cron o współczynniku załamania 1.52 i flint o współczynnkiu 1.67) poprzez sklejenie ich w jedną soczewkę o odpowiednim kształcie, powodowało że skrajne długości fali odbierane przez nasze oczy, czyli fale fioletowe i czerwone, skupiały się już prawie w jednym punkcie. Tak skonstruowany obiektyw nazywa się achromatem. Do dziś jest to najbardziej popularny obiektyw w soczewkowych teleskopach astronomicznych.

Tak jak napisałem wcześniej, problem nie zniknął jednak całkowicie. O ile promienie niebieskie i czerwone skupiały się w achromacie prawie w jednym punkcie, fale odpowiedzialne za światło zielono-żółte miały swoje ognisko wyraźnie bliżej soczewki.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - R E K L A M A - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Pod koniec XIX wieku okazało się, że proste achromaty mają wiele wad. Przede wszystkim, tak jak wspomnieliśmy wcześniej, nie skupiają wszystkich kolorów w jednym punkcie. Dodatkowo mają zauważalną aberrację sferyczną związaną z różnym ogniskowaniem się promieni przechodzących blisko i daleko od środka soczewki. Największym jednak problemem była krzywizna pola. Otóż obraz tworzony przez obiektyw nie jest płaszczyzną lecz dużo bardziej skomplikowaną powierzchnią. W związku z tym, jeśli ustawimy ostrość idealnie w centrum pola widzenia, na jego brzegach obraz będzie nieostry. Dokładanie kolejnych soczewek korygujących pomagało polepszyć wielkość ostrego obrazu, z drugiej jednak strony powodowało spadek jasności i kontrastu, oraz wzmagało aberrację chromatyczną...

4. UD i SLD - tym razem nie o polityce.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - R E K L A M A - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Kolejny przełom nastąpił w połowie XX wieku. Odkryto wtedy, że minerał CaF₂ zwany fluorytem ma bardzo dobre własności optyczne w całym zakresie promieniowania widzialnego. Mówiąc fachowo, jest to rodzaj szkła o bardzo niskiej dyspersji, czyli małych różnicach w załamywaniu światła o różnej długości fali. Świetne własności tego szkła pozwoliły na konstruowanie obiektywów prostszych i lżejszych, a jednocześnie dających lepszy obraz. Wprowadzone nowe konstrukcje, które sprowadzały do jednego ogniska trzy barwy podstawowe i dodatkowo niwelowały aberrację sferyczną nazwano apochromatami. Dodatkową ich zaletą było uzyskiwanie płaskiego pola i łatwiejsze uzyskiwanie ostrości na dużym polu widzenia.

Teraz każdy szanowany producent obiektywów ma w swojej ofercie obiektywy zawierające fluoryt lub inne szkło niskodyspersyjne. Przykładowo Canon fluorytowe elementy w swoich obiektywach oznacza symbolem UD, Nikon używa skrótu ED, Sigma wesoło kojarzącego się w Polsce SLD dodając przy nazwie obiektywu symbol APO, Tamron ma LD, trzy literki APO pojawiają się też na obiektywach firmy Konica-Mi

---