sphärische Aberration

Sphärische Aberration tritt auf, wenn Lichtstrahlen, die in verschiedenen Abständen von der optischen Achse durch eine Linse gehen, an unterschiedlichen Punkten auf dieser Achse fokussieren. Strahlen, die am Linsenrand auftreffen, konvergieren in einer anderen Entfernung als Strahlen, die durch die Linsenmitte gehen, was zu einem unscharfen oder verschwommenen Bild führt, unabhängig davon, wo Sie die Fokusebene positionieren. Dies ist einer der häufigsten optischen Fehler in einfachen Linsensystemen.

Die Ursache ist geometrisch bedingt: Eine einzelne gekrümmte Kugeloberfläche kann nicht alle parallelen Strahlen auf einen Punkt brechen. Die Krümmung, die für paraxiale Strahlen (nahe der optischen Achse) funktioniert, überfokussiert die Randstrahlen an den Linsenrändern. Der Effekt ist am stärksten bei großen Blenden und kurzen Brennweiten, wo die Strahlenwinkel am steilsten sind. Eine Linse kann abhängig von ihrem Durchmesser, ihrer Brennweite und ihrem Design eine sphärische Aberration von 0,5 bis 2 Dioptrien aufweisen.

Korrektur und Minderung

Optikdesigner korrigieren sphärische Aberration durch die Kombination von positiven und negativen Linsenelementen mit unterschiedlichen Kräften und Formen, durch die Verwendung asphärischer (nicht kugelförmiger) Oberflächen oder durch Abblendung der Blende, um Randstrahlen zu blockieren. Hochwertige Kameraobjektive, Mikroskopobjektive und Teleskopoptiken verwenden mehrere asphärische oder konische Oberflächen, um eine Korrektur über das sichtbare Spektrum zu erreichen. Bei Anwendungen wie Projektoren oder einfachen Lupensystemen ist oft nur eine kleine Blende (hohe Blendenzahl) die praktische Lösung.

Der Begriff "sphärisch" bezieht sich auf die Form der fehlerhaften Oberfläche, nicht auf die Form der Aberration selbst. Der Effekt wurde erstmals im 17. Jahrhundert bei der frühen Teleskopentwicklung dokumentiert und ist bei einfachen Linsenelementen unvermeidlich. Moderne optische Simulationssoftware sagt sphärische Aberration während des Designs voraus, sodass Ingenieure sie gegen andere Fehler wie Koma, Astigmatismus und Feldwölbung abwägen können, anstatt sie vollständig zu eliminieren.

In Abbildungssystemen erscheint restliche sphärische Aberration als reduzierter Kontrast, Unschärfe an den Bildrändern und Empfindlichkeit gegenüber der Fokusposition. Linsentester messen sie mittels Interferometrie oder durch Analyse von Punkt-Spreizfunktionen. Bei präziser optischer Arbeit werden Aberrationsbudgets für sphärische Aberration zusammen mit Toleranzen für Fertigungsschwankungen, thermische Effekte und Montagefehler berechnet.