Анастигмат

Анастигмат корректирует следующие аберрации^[1]:

• Астигматизм: искажение, при котором точка предмета из-за неодинакового преломления лучей в разных сечениях светового пучка изображается не точкой, а двумя взаимно перпендикулярными линиями.
• Кривизна поля изображения: дефект, при котором резкое изображение формируется не на плоской поверхности (например, фотопленки или матрицы), а на изогнутой поверхности.
• Сферическая аберрация: размытие изображения, возникающее из-за того, что лучи, проходящие через разные зоны линзы, фокусируются в разных точках.
• Кома: асимметричное размытие изображения точки, при котором она выглядит как «хвостатая» комета.
• Хроматическая аберрация: цветные ореолы по краям изображения, возникающие из-за разложения белого света на спектральные составляющие

Анастигматизм объектива достигается за счет сочетания нескольких линз (оптических поверхностей), компенсирующих аберрации друг друга^[1]. Компенсация достигается за счет подбора материалов. Примером может случить пара собирающей линзы из стекла крон рассеивающей линзы из стекла флинт. Дисперсия стекла флинт намного выше крона. Таким образом, для компенсации хроматический дисперсии собирающей линзы из крона можно использовать линзу из флинта с гораздо меньшей кривизной. Следовательно, итоговый объектив останется собирающим. Обычно используется не менее трех оптических элементов. Использование асферических линз позволят сократить количество необходимых поверхностей, а значит, уменьшить объём и вес составного объектива. Однако по состоянию на 2026 год асферические поверхности дороже в производстве, чем сферические и другие конические (гиперболические, параболические) поверхности.

Все оптические аберрации (кроме сферической аберрации) становятся более выраженными по краям поля зрения даже при использовании высококачественных анастигматических объективов. Поэтому анастигматический эффект достигается только при при минимальном значении диафрагменного числа (минимальном раскрытии диафрагмы) и только в пределах заданного рабочего расстояния (диапазона фокусировки).

Впервые объектив «Протар» (нем. Protar), соответствующий классу анастигматов, был сконструирован немецким оптиком Паулем Рудольфом в 1890 году^[2] для компании Carl Zeiss. Рудольф сконструировал объектив, в котором были исправлены астигматизм и кривизна поля, наряду с другими аберрациями. Конструкция: Первый «Протар» состоял из четырёх линз в двух группах, представляя собой асимметричную конструкцию из двух склеенных ахроматических дублетов. Уже в 1891 году Рудольф улучшил его до пятилинзового варианта, заменив заднюю группу на склеенный триплет. Развитие инженерной мысли привело к появлению симметричных анастигматов. Объектив Dagor компании Goerz (1892 год, швейцарский математик Эмиль фон Хёг) и объективы Orthostigmat и Collinear компаний Steinheil и Voigtländer соответственно (1893—1895 годы) состояли из двух триплетов (шесть линз). Double Protar компании Carl Zeiss (1894/1895) состоял из восьми линз в двух группах для ещё более высокой коррекции, имел два варианта сборки: симметричный обладал максимальной светосилой, асимметричный позволял получить три разных фокусных расстояния из одного набора линз. Важной вехой стало изобретение в 1893 году английским оптиком Г. Деннисом Тейлором (H. Dennis Taylor) объектива Cooke Triplet. В отличие от сложных и дорогих конструкций того времени, «триплет» состоял всего из трех линз в трех группах (простая схема «отрицательная линза между двумя положительными»). Несмотря на простоту, он обеспечивал отличное исправление аберраций и был значительно дешевле в производстве. В 1899 году Рудольф создал Unar (четыре линзы в четырёх группах), а в 1902 году — знаменитый Tessar (четыре линзы в трех группах). «Тессар» стал одной из самых успешных и копируемых конструкций в истории фотографии. Следующими серьёзными шагами стали появление технологии просветления оптики[3] с 1936 года и появление асферических линз с 1971 года.

Анастигмат — объектив с коррекцией астигматизма, кривизны поля, сферической аберрации, хроматической аберрации для двух длин волн.

Апохромат — анастигмат исправлением хроматической аберрации для трех и более длин волн.

План-анастигмат — анастигмат с максимальной коррекцией кривизны поля.

Для обеспечения фокусировки излучения в объективах могут использоваться также и зеркальные поверхности^[4][5]. Преимущества использования зеркал делают такие анастигматы незаменимыми в астрономии и научных исследованиях:

1. широкий спектральный диапазон (эффективно отражают ультрафиолетовое и инфракрасное излучение);
2. отсутствие хроматических аберраций (отражение не зависит от длины волны);
3. большая апертура (линзы большого диаметра тяжелы и сложны в изготовлении).

Классические двухзеркальные анастигматы эффективно исправляют сферическую аберрацию и кому, не имеют хроматической аберрации. Добавление третьего зеркала позволяет скорректировать третью аберрацию. Четырёхзеркальная система позволяет получить план-анастигмат.