§ 44. Хроматическая аберрация. Спектрограф

С практической точки зрения дисперсия может рассматриваться и как полезный, и как вредный эффект. Существование дисперсии крайне вредно с точки зрения оптика-конструктора зрительных приборов и фотоаппаратов и вместе с тем крайне полезно с точки зрения оптика-спектроскописта.

Наличие дисперсии вызывает так называемую хроматическую аберрацию. Хроматическая аберрация заключается в окрашивании изображения. Хроматическая аберрация объясняется тем, что фокусное расстояние линзы зависит от показателя преломления стекла, а показатель преломления в свою очередь зависит от частоты падающего света. Лучи с разной частотой будут собираться линзой в разных точках (рис. 162), так что белый предмет приобретает окраску

по краям. В точке А край изображения будет красным, в точке В — фиолетовым, причем нигде изображение не будет четким.

Ньютон, основываясь на своих недостаточных экспериментальных данных, считал хроматическую аберрацию неустранимым дефектом объективов из линз. Однако вскоре были практически осуществлены объективы с сильно уменьшенной хроматической аберрацией.

Рис. 162. Хроматическая аберрация.

Для этого подбирают две или несколько линз из разных стекол с примерно одинаковым ходом дисперсионной кривой, но с различными абсолютными значениями коэффициента преломления. Идеальными были бы стекла с параллельным ходом кривых. Линзу с большим показателем преломления делают выпуклой. Линзу с меньшим показателем преломления делают вогнутой (рис. 163).

Рис. 163. Ахроматическая линза: линза из кронгласса; линза из флинтгласса.

Тогда дисперсионное действие линз будет обратным, и одна линза скомпенсирует дисперсионное действие другой. Это объясняется тем, что комбинация двух таких линз эквивалентна комбинации из двух призм с противоположно направленными преломляющими ребрами.

Например, для верхнего луча на рис. 163 выпуклая линза действует как призма с преломляющим ребром, направленным вверх, вогнутая — вниз. Вместе с тем преломляющее действие выпуклой линзы сильнее, чем рассеивающее действие вогнутой линзы (ввиду большого показателя преломления). Следовательно, комбинация этих двух линз дает действительное изображение.

На практике, конечно, невозможно найти два стекла с совершенно параллельным ходом дисперсионных кривых. Поэтому полное уничтожение хроматической аберрации невозможно, но все же, комбинируя различные сорта стекол, можно добиться вполне удовлетворительных результатов.

С другой стороны, эту же хроматическую аберрацию можно использовать для некоторых лабораторных целей. Вуд предложил весьма остроумный способ использования хроматической аберрации для отделения различных длин волн друг от друга. Схема его устройства заключается в следующем (рис. 164). Линза из вещества, обладающего большой дисперсией, собирает лучи с длиной волны в точке лучи с длиной волны точке В. Если поместить в точке А непрозрачный экранчик, то, как видно из чертежа, лучи будут задержаны, а лучи пройдут. Вуд применил это устройство для фильтрации инфракрасных лучей, причем линза была из кварца.

Рис. 164. Схема вудовского фильтра лучей

Рис. 165. Схема спектрографа,

Основное практическое применение дисперсии основано на спектральном разложении света призмами из различных веществ. Обычно употребляемые для фотографирования спектров спектрографы устроены следующим образом. Свет (рис. 165) падает на щель 5, перпендикулярную к плоскости рисунка. Щель 5 находится в фокусе линзы дающей параллельный пучок лучей. Пучок лучей, выходящий из линзы, падает на призму Пройдя призму, пучок лучей, уже спектрально разложенный, собирается линзой на фотографической пластинке Косое расположение пластинки по отношению к оптической оси линзы объясняется хроматической аберрацией этой линзы. Вследствие хроматической аберрации линза собирает на более близком расстоянии лучи, сильнее преломленные призмой. На рис. 166 показан внешний вид спектрографа.

Чем большей дисперсией обладает стекло, тем сильнее развернут спектр. Как мы видели, из различных сортов стекла наибольшей дисперсией обладает тяжелый флинт. Для исследования различных частей спектра применяют призмы из различных веществ. Выбор вещества определяется как дисперсией, так и прозрачностью. Для инфракрасных лучей применяют призму из каменной соли, так как стекло непрозрачно для длинноволновых инфракрасных лучей; для

видимых лучей, как мы уже говорили, применяют обычные стеклянные призмы и, наконец, для ультрафиолетовых лучей — кварцевые и флуоритовые призмы. В тех случаях, когда надо получить сильно растянутый спектр, применяют вместо одной призмы ряд призм, поставленных одна за другой.

Рис. 166. Спектрограф.

Благодаря неодинаковой дисперсии призматические спектры всегда сильнее растянуты в области коротких волн, например в фиолетовой части сильнее, чем в красной. В этом смысле дифракционные спектры имеют перед ними преимущество, так как они растянуты равномерно во всех длинах волн.