Aberration
Englisch: aberration
Konvergenz von Lichtstrahlen aus ein und demselben Punkt zu verschiedenen Brennpunkten durch eine Linse oder einen Spiegel, oder Abweichung solcher Strahlen von einem einzelnen Brennpunkt; Fehler in einem Fokussierungsmechanismus, der den beabsichtigten Brennpunkt verhindert.
Aberration: wenn Licht nicht dort fokussiert, wo es sollte
Eine Aberration ist ein Versagen eines Linsensystems, Spiegels oder optischen Systems, alle Lichtstrahlen von einem einzelnen Punkt in einen einzigen Brennpunkt zu bringen. Statt in einem scharfen Punkt zu konvergieren, streuen sich die Strahlen über verschiedene Brennweiten oder Positionen, was die Bildqualität verschlechtert. Dies ist eine physikalische Folge davon, wie Licht durch gekrümmtes Glas bricht oder von gekrümmten Oberflächen reflektiert wird. Perfekte Fokussierung über alle Wellenlängen und alle Strahlwinkel ist ohne absichtliche Korrektur unmöglich.
Verschiedene Arten von Aberration entstehen aus verschiedenen Ursachen. Sphärische Aberration tritt auf, wenn Strahlen, die nahe am Rand einer Linse eintreten, in einer anderen Entfernung fokussieren als Strahlen, die durch die Mitte gehen. Das ist eine direkte Folge der Verwendung von sphärischen Oberflächen. Chromatische Aberration entsteht, weil verschiedene Lichtwellenlängen beim Durchgang durch Glas in leicht verschiedenen Winkeln brechen und Farbsäume an Kanten verursachen. Koma, Astigmatismus, Verzeichnung und Feldwölbung sind weitere Varianten, die sich zu den Rändern des Sichtfelds oder in Systemen mit großen Blendenöffnungen und kurzen Brennweiten stärker bemerkbar machen.
Warum das in der Praxis wichtig ist
In der Präzisionsbildgebung begrenzen Aberrationen direkt die Auflösung und den Kontrast. Eine Kameraobjektiv mit unkorrrigierter sphärischer Aberration erzeugt weiche, unscharfe Bilder, auch wenn es mechanisch richtig fokussiert ist. In der Mikroskopie setzt verbleibende Aberration eine harte Grenze, wie fein ein Detail unterschieden werden kann. In Teleskopen stehlen Aberrationen Photonen aus dem Kern eines Sternbildes und streuen sie in einen Halo, was die Erkennbarkeit schwacher Objekte verringert. Deshalb verwenden hochwertige Optiken mehrere Linsenelemente mit sorgfältig gewählten Krümmungen und Glastypen, manchmal sechs oder mehr Elemente, um die Aberrationen voneinander zu kompensieren.
Hersteller korrigieren Aberration durch die Kombination von Linsenflächen unterschiedlicher Stärke und Materialien. Asphärische Linsenflächen, die von einer perfekten Sphäre abweichen, können so geformt werden, dass sie sphärische Aberration kompensieren. Fluorit und spezielles niedrigdispersives Glas reduzieren chromatische Aberration. In Spiegelsystemen, wie sie in Teleskopen und Mikroskopen verwendet werden, eliminieren oder verringern parabolische oder hyperbolische Spiegelformen statt sphärischer die sphärische Aberration stark. Der Aufwand und die Komplexität der Korrektur steigen stark mit der erforderlichen Leistung: eine einfache Lupe toleriert erhebliche Aberration; ein Mikroskopobjektiv oder eine Präzisionskameraobjektiv erfordert umfangreiche Korrektur.
Der Begriff stammt aus dem Lateinischen aberrare, abweichen. Frühe Astronomen bemerkten, dass Teleskope verschwommene oder verzeichnete Bilder erzeugten und nahmen an, das Licht verhalte sich falsch; heute verstehen wir es als eine vorhersehbare optische Eigenschaft. Die moderne Aberrationstheorie, die sich im neunzehnten Jahrhundert entwickelte, ermöglicht es Ingenieuren, genau zu berechnen, wie jede Fläche und jedes Material in einem System zur gesamten Aberrationsbilanz beiträgt, und Systeme zu konstruieren, die Aberrationen unter die Schwelle bringen, bei der sie die Leistung für die beabsichtigte Anwendung begrenzen.