ความคลาดทางทัศนศาสตร์

ความคลาดทางทัศนศาสตร์ (optical aberration) คือปรากฏการณ์ที่มีการเกิดสีหรือภาพเบลอหรือมีความบิดเบี้ยวภายในระบบเชิงแสง เช่นใน กล้องโทรทรรศน์ หรือ กล้องถ่ายรูป ซึ่งสร้างขึ้นมาจากเลนส์ หรือ กระจกเงา เนื่องมาจากการแปลงจากวัตถุจริงมาสู่ภาพนั้นไม่เป็นไปตามการคำนวณในอุดมคติทางเรขาคณิต ทำให้แสงเกิดการแยกกันแทนที่จะรวมกันเป็นจุดเดียวตามที่ควรจะเป็น^[1]

วิธีที่ง่ายที่สุดในการอธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดจากความคลาดของเลนส์ คือ การสังเกตเห็นว่าแหล่งกำเนิดแสงขาวที่จุดโฟกัสที่ด้านวัตถุไม่ปรากฏเป็นภาพจุดที่จุดโฟกัสที่ด้านภาพ ความบิดเบี้ยวของภาพนี้เป็นผลรวมของความคลาดต่าง ๆ หลายชนิด จึงทำให้ภาพจากจุดเดียวกันเกิดแตกเป็นหลายจุด มองเห็นเป็นภาพที่มีความบิดเบี้ยว

หากพิจารณาตามความยาวคลื่น (ความถี่) ของแสง ความคลาดอาจแบ่งออกเป็น ความคลาดสี และ ความคลาดสีเดียว ความคลาดของสีคือความคลาดที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนสีในภาพ เนื่องจาก ดรรชนีหักเหของสารโดยทั่วไปจะแตกต่างกันโดยขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น จึงทำให้เกิดการกระจายของแสง ในขณะที่ความคลาดสีเดียวคือความคลาดที่เกิดขึ้นแม้แต่เมื่อพิจารณาที่คลื่นค่าความยาวคลื่นค่าเดียว

นอกจากนี้ยังอาจจัดประเภทตามทิศของความคลาด โดยความคลาดแนวตั้งคือ ความคลาดที่เกิดจากโฟกัสเลื่อนไปมาด้านหน้าหลัง และความคลาดแนวนอนคือ ความคลาดที่เกิดจากโฟกัสเลื่อนไปภายในแนวระนับโฟกัส

ความคลาด 5 ชนิดที่เด่นชัดได้ถูกศึกษาโดยฟิลลิพ ลูทวิช ฟ็อน ไซเดิล และถูกเรียกว่าเป็นความคลาดไซเดิล และมีการศึกษาเพิ่มเติมในภายหลังโดย ฟริตซ์ แซร์นีเกอ โดยได้รับการอธิบายทางคณิตศาสตร์ด้วยพหุนามแซร์นีเกอ

การแก้ไขความคลาดทำได้โดยการรวมเลนส์เดี่ยวมากกว่าหนึ่งอันเข้าด้วยกัน ตัวอย่างเช่น ในกรณีของความคลาดสี ได้มีการออกแบบเพื่อให้ลำแสงหลายสี (สองสีสำหรับเลนส์อรงค์, สามสีขึ้นไปสำหรับเลนส์ไร้ความคลาด) มาบรรจบกันได้ ที่ค่าดรรชนีหักเหที่ต้องการ โดยการประกอบรวมความนูนเว้าของเลนส์ที่ทำจากแก้วเชิงทัศนศาสตร์เข้ากับดรรชนีหักเหและการกระจายแสงที่แตกต่างกัน

เนื่องจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้มีการใช้พื้นผิวที่ไม่เป็นทรงกลมด้วย การพัฒนาคอมพิวเตอร์และการวิจัยเกี่ยวกับวิธีการคำนวณทำให้สามารถทำการคำนวณที่ซับซ้อนได้ นอกจากนี้ยังมีการศึกษาระบบเชิงแสงที่ใช้พื้นผิวรูปแบบอิสระที่ซับซ้อนตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 21

อนึ่ง ตามหลักการแล้วภาพถ่ายจากกล้องรูเข็มจะไม่มีความคลาด

ในกรณีของ เลนส์อิเล็กตรอน ธรรมชาติของคลื่นของอิเล็กตรอนทำให้เกิดการแพร่กระจายของความเข้ม ซึ่งเรียกว่าความ ความคลาดการเลี้ยวเบน ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันในหลักการเนื่องจากธรรมชาติของคลื่นของแสงถือว่าเป็นภาพเบลอที่มีรูรับแสงขนาดเล็ก หากมองในแง่นี้ ก็อาจกล่าวได้ว่าการถ่ายภาพรูเข็มก็มีความคลาดเช่นกัน

หากระดับการหักเหของแสงต่ำ เช่น ในเลนส์แว่นตา ความคลาดจะน้อยมากจนไม่สังเกตเห็นและสามารถละเลยได้ แต่สำหรับแว่นของคนที่สายตาสั้นมาก ๆ ก็จำเป็นต้องมีการปรับแก้ความคลาดด้วยเช่นกัน