¿Cómo se forma la aberración?
Las aberraciones generalmente se dividen en dos categorías: aberración cromática y aberración monocromática. La aberración cromática, o aberración cromática para abreviar, es una aberración causada por el índice de refracción del material de la lente que es función de la longitud de onda. Se puede dividir en aberración cromática posicional y aberración cromática de aumento. La aberración monocromática se refiere a aberraciones que ocurren incluso cuando la luz es altamente monocromática. Según el efecto, se puede dividir en dos categorías: imágenes borrosas e imágenes distorsionadas. Los primeros incluyen aberración esférica, coma y astigmatismo. La última categoría incluye la curvatura y distorsión del campo.
En el trabajo real, la imagen formada por el sistema óptico es diferente de la imagen obtenida por la óptica paraxial (óptica gaussiana), y existe una cierta desviación. La desviación entre la imagen óptica y la imagen paraxial se llama aberración.
Debido a la aberración, la imagen es diferente de la forma original. La aberración cromática causada por la luz policromática se conoce como aberración cromática; la luz monocromática no paraxial causa aberración monocromática. Las aberraciones primarias se dividen en cinco tipos: aberración esférica, coma, astigmatismo, curvatura de campo y distorsión.
Debido a imprecisiones en la producción o daños causados por el hombre, el cabezal de la cámara no puede enfocar toda la luz emitida desde un punto en la misma posición de la película fotosensible negativa, lo que provoca que la imagen se distorsione o desenfoque. .
Existen diversas aberraciones en los sistemas ópticos reales. La imagen formada por el punto del objeto es el resultado combinado de varias aberraciones; además, el sistema óptico real se puede desenfocar completamente en el plano de la imagen ideal y, por supuesto, la aberración (refiriéndose al punto de la imagen en este plano de la imagen real). cambiar. En astronomía, las aberraciones reales a menudo se representan mediante diagramas punto por punto de trazado de rayos; las aberraciones también pueden representarse mediante aberraciones de ondas. Las ondas de luz emitidas por el punto objeto son ondas esféricas. Después de atravesar el sistema óptico, la superficie de la onda generalmente deja de ser esférica. Su desviación de una esfera centrada en un punto de referencia multiplicada por el índice de refracción del medio se denomina aberración de onda.
La aberración del frente de onda del ojo humano proviene de las superficies imperfectas de la córnea y el cristalino, que tienen desviaciones locales en la curvatura de la superficie.
La córnea es diferente del cristalino y del cuerpo vítreo;
El contenido de la córnea, el cristalino y el cuerpo vítreo es desigual, provocando desviaciones locales en el índice de refracción.
Estas desviaciones estructurales hacen que la luz que pasa a través de la parte de desviación se desvíe del camino óptico ideal, de modo que un punto en el objeto no es un punto de imagen ideal en el punto correspondiente en la retina, sino un punto divergente. Como resultado, el contraste de toda la imagen de la retina disminuye.
¿Cómo se forma la aberración del frente de onda? La práctica ha demostrado que los métodos de evaluación tradicionales basados en principios de óptica geométrica tienen grandes limitaciones. La investigación en física moderna ha descubierto que la luz tiene una dualidad onda-partícula. Según la teoría ondulatoria de la luz, la desviación de la imagen del ojo humano se puede evaluar y describir completamente, lo que se denomina aberración del frente de onda.
El impacto de la aberración del frente de onda en el ojo humano
Las últimas investigaciones muestran que la aberración del frente de onda tiene un impacto grave en las imágenes humanas, especialmente en la miopía. En un 40% de miopía, el impacto de la aberración promedio del frente de onda equivale a 150 grados de miopía. Por este motivo, a muchas personas miopes siempre les resulta difícil alcanzar la misma agudeza visual que los ojos normales cuando llevan gafas. Debido a que los métodos de lentes existentes sólo corrigen el desenfoque, no pueden corregir la aberración del frente de onda al mismo tiempo.
Además, investigaciones teóricas sobre la formación de miopía han demostrado recientemente que la aberración del frente de onda del ojo humano es un factor de riesgo para la formación de miopía. Debido a que la aberración del frente de onda desenfoca la imagen de la retina, los experimentos con animales han demostrado que no importa qué método se utilice para desenfocar la imagen del fondo de ojo de los animales, provocará miopía.
Tipos de aberraciones Para facilitar la explicación de las causas de las aberraciones, sólo comentaremos sus diferencias en la óptica geométrica de la luz incidente paralela. De hecho, los objetivos de las observaciones astronómicas son estrellas distantes, lo que básicamente concuerda con la hipótesis de la luz paralela.
Aberración esférica (aberración simétrica): Cuando la luz incidente paralela a lo largo del eje óptico no puede enfocarse completamente, la llamamos "aberación esférica".
Aberración esférica de la lente
Aberración esférica del espejo
Coma (aberración asimétrica): La luz incidente paralela inclinada hacia el eje óptico no puede enfocarse completamente. llamado coma.
Aberración cromática: Si la luz de diferentes colores tiene diferentes puntos de enfoque, lo llamamos aberración cromática. Generalmente la distancia focal de la luz roja es mayor que la distancia focal de la luz azul.
Campo de imagen curvo: Incluso si un sistema óptico puede enfocar perfectamente, a menudo sucede que su plano de enfoque es diferente del plano de imagen que esperamos. Entonces las lentes tendrán un diseño curvo.
Astigmatismo: cuando se visualiza un objeto a través de la lente, el enfoque del eje X y del eje Y a menudo son inconsistentes.
Deformación: Básicamente, la aparición de deformación no puede considerarse como una aberración completa. No es causado por un mal enfoque de la imagen. Al contrario, es una imagen clara, pero no coincide con el aspecto del original.
Imagen perfecta: espejo parabólico
Definición matemática: y2= 4 F.x F: la distancia focal del espejo.
Características del espejo: La luz incidente paralela al eje óptico puede enfocarse perfectamente en el foco. Al mismo tiempo, al ser una superficie reflectante, no se produce aberración cromática. Usar un paraboloide como espejo primario de un telescopio astronómico es una muy buena opción. No sólo se puede considerar el peso del sistema óptico y la calidad de la imagen. Desafortunadamente, si la luz incidente no paralela llega a lo largo del eje principal, se producirá una "aberación esférica" simétrica. Si la luz incidente paralela se inclina hacia el eje principal, se producirá un coma asimétrico. Por lo tanto, los espejos parabólicos son más adecuados para telescopios astronómicos de larga distancia focal y no son adecuados para observar escenas terrestres.
Los espejos parabólicos no son fáciles de fabricar. La curvatura del paraboloide debe aproximarse gradualmente mediante muchos métodos de rectificado de espejos esféricos, por lo que el precio es naturalmente más alto.
Para un reflector F/4 de 8 pulgadas, el espacio entre el reflector central y el espejo esférico es en realidad muy pequeño, con sólo unas pocas longitudes de onda de diferencia. Aunque esto es sólo una pequeña diferencia, puede mejorar mucho la calidad de la imagen.
Para obtener un paraboloide de alta precisión, es necesario rectificar la superficie esférica varias veces.
Debido a que un espejo parabólico se fabrica puliendo un espejo esférico varias veces, se puede considerar como múltiples espejos esféricos. Aprovechando esta propiedad óptica, puede ser un método sencillo para detectar espejos parabólicos, lo que llamamos "inspección del filo de la navaja".
Conclusión: El coste de producción de los reflectores es mucho menor que el de los refractores, por lo que casi todos los telescopios de boca grande utilizan espejos parabólicos. Si el uso se limita a la astrofotografía, adquirir este tipo de telescopio es una buena opción. Especialmente cuando se fotografían cúmulos de estrellas y nebulosas, los espejos parabólicos de diámetro ultragrande son casi la única opción.
Sin coma: espejo esférico
Definición matemática: y2= 4 F2- x2 F: distancia focal del espejo (R=2F).
Características de los espejos esféricos: Los espejos esféricos son geométricamente simétricos, por lo que la luz incidente paralela a lo largo del eje óptico o eje óptico inclinado tiene la misma "aberración esférica". Sin embargo, la ausencia del coma es su punto fuerte. Debido a que el costo de producción de los espejos esféricos es bajo, en su mayoría se fabrican en diámetros muy grandes para aprovechar sus ventajas. Los espejos parabólicos, que también son reflectores, han ido reemplazando gradualmente a los espejos esféricos debido a su perfecta calidad de imagen en el centro de la superficie del espejo.
Corrección de imagen elástica: refractor
Debido a que el refractor está compuesto por múltiples lentes, cada lado de la lente es un espejo esférico. En la actualidad, debido al avance de la tecnología de pulido de lentes, una pequeña cantidad de lentes también se pueden convertir en lentes asféricas. Para eliminar la "aberración" y la "aberración cromática", el material de la lente es muy importante. Un grupo de lentes compuesto generalmente por dos lentes se denomina "acromático".
Los costes de pulido de las lentes son elevados y el juego de lentes es pesado, lo que lo hace muy inadecuado para telescopios astronómicos de gran diámetro. Sin embargo, debido a que el refractor puede eliminar la aberración cromática y la aberración combinando lentes de diferentes materiales y diferentes curvaturas, puede usarse para observación astronómica y visualización de paisajes terrestres al mismo tiempo, por lo que puede considerarse como un telescopio multiuso. Mucha gente lo llama "lente de fluorita" o "lente ED" porque la primera lente del grupo de lentes es una lente de alto índice de refracción y baja dispersión, mientras que la segunda lente aún requiere una lente de alta dispersión. El vidrio óptico común tiene un alto índice de refracción y una gran dispersión, por lo que el "espejo de fluorita" o "espejo ED" es extremadamente valioso. Debido a que la luz incidente del telescopio astronómico es casi paralela (estrellas distantes) y el campo de visión es estrecho (gran aumento), sólo el espejo principal de la lente de tres piezas es suficiente. Por supuesto, si se utiliza para visualización desde el suelo, ¡el efecto definitivamente se verá comprometido!
Conclusión: Si desea comprar uno adicional, puede usarlo tanto para ver paisajes terrestres como para observar astronómicamente. Ese telescopio refractor es su primera opción.
Sistema óptico
En un telescopio astronómico reflector simple (telescopio Newton), la luz de las estrellas suele tener forma + debido a la inclinación del espejo.
Aparecerá una coma en el borde de la imagen y su forma será elíptica. Si todas las estrellas son elípticas, significa que el telescopio está rastreando errores en la fotografía, no aberraciones.
La ventaja de la gran apertura de los telescopios reflectores puede revelar completamente las estrellas oscuras. Esto está fuera del alcance de los telescopios refractores habituales. Por tanto, un espejo es una herramienta esencial para la fotografía de nebulosas. Actualmente, casi todos los grandes observatorios utilizan telescopios reflectores para capturar las estrellas más débiles para estudiarlas.
Los telescopios refractores tendrán una aberración cromática significativa. Para evitar pequeñas diferencias de color, a menudo tenemos que pagar un precio elevado.
Los telescopios astronómicos refractores de alto precio y buena imagen son muy adecuados para tomar fotografías de campos estelares con gran aumento.
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