ابیراهی اپتیکی (aberrations) مجموعه‌ای از پدیده‌ها هستند که باعث می‌شوند تصویر تشکیل‌شده توسط تلسکوپ، آینه یا عدسی به‌صورت کامل با منبع نور مطابقت نداشته باشد — تصاویر تار، ستاره‌های کشیده، رنگ‌پریدگی لبه‌ها یا تغییر شکل هندسی میدان. شناخت دقیق این ابیراهی‌ها برای طراحی تلسکوپ، سرویس‌دهی، تصحیح اپتیکی و پردازش تصویر نجومی حیاتی است.
فهرست مطالب
طبقه‌بندی کلی ابیراهی‌ها
به‌طور خلاصه ابیراهی‌ها را می‌توان به دو گروه بزرگ تقسیم کرد:
ابیراهی‌های تک‌رنگ (بدون وابستگی به طول موج): مانند ابیراهی کروی، گیسو، آستیگماتیسم، خمیدگی میدان و اعوجاج (پنج ابیراهی اصلی Seidel).
ابیراهی‌های رنگی (وابسته به طول موج): ناشی از پراکندگی در مواد شیشه‌ای که منجر به کانونی شدن رنگ‌ها در فواصل متفاوت می‌شود (axial/lateral chromatic aberration). در تلسکوپ‌های بازتابی (آینه‌ای) ابیراهی رنگی تقریباً وجود ندارد چون بازتاب وابسته به طول موج نیست، اما در تلسکوپ‌های شکستی، ترکیبی و چشمی‌ها دیده می‌شود.
شرح ابیراهی‌ها — تعریف، علت و نشانه‌ها
1) ابیراهی کروی (Spherical Aberration)
چیست؟ زمانی رخ می‌دهد که سطح بازتاب/شکست (معمولاً کروی) باعث شود شعاع‌های نزدیک لبه و مرکز عنصر اپتیکی در نقاط مختلفی برروی محور نوری همگرا شوند.
نشانه در تصویر: هاله‌های روشن/تار در اطراف ستاره، کاهش تیزی مرکز تصویر حتی در حالت فوکوس.
علت و ریشه: طراحی با سطوح کروی بدون اصلاح، یا تغییر شکل سطح آینه.
اصلاح: استفاده از آینه‌های پارابولیک یا طراحی آکروماتیک/آپوگرماتیک یا ناکروی که این ابیراهی را حذف می‌کند.
2) گیسو (کما، Coma)
چیست؟ اختلالی ناهمسان‌محوری که برای منابع نوری خارج از محور باعث می‌شود تصویر ستاره مانند دم دنباله‌دار کشیده شود.
نشانه در تصویر: ستاره‌ها در گوشه‌های میدان دید، دُم‌دار (یک‌طرفه) به‌نظر می‌رسند.
علت: طراحی آینه/لنز ساده (مثل کاسگرین ساده)، عدم تعادل در آینه‌ها یا هم‌خطی نامناسب.
اصلاح: طراحی‌هایی مانند Ritchey–Chrétien برای حذف گیسو تا مرتبه سوم، یا اصلاحگرهای مید‌فیلد/فیلدفلا‌تنر.
3) آستیگماتیسم (Astigmatism)
چیست؟ نورهایی که از جهات متفاوت (مثلاً شعاعی و مماسی) وارد می‌شوند، در فواصل متفاوتی فوکوس می‌شوند؛ نتیجه این‌که منبع نقطه‌ای به‌صورت خطوط عمود بر هم در دو فاصله کانونی مختلف دیده می‌شود.
نشانه در تصویر: ستاره‌ها در وسط میدان ممکن است با تغییر شکل بین فوکوس جلو و عقب بیضی یا خطی به‌نظر آیند.
علت: تسطیح اشتباه لنز/آینه، تنش‌های مکانیکی یا گرادیان دما و همچنین طراحی‌هایی که آستیگماتیسم را مدیریت نمی‌کنند.
اصلاح: آینه‌ها و عدسی‌های اصلاح‌شده، تنظیم دقیق هم‌خطی، یا استفاده از اصلاح‌کننده.
4) خمیدگی میدان / پتزوال (Field curvature / Petzval)
چیست؟ سطح فوکوس ایده‌آل، تخت نیست، بلکه قوس‌دار است — بنابراین هنگام استفاده از میدان صاف (مثل CCD تخت) گوشه‌ها یا مرکز خارج از فوکوس‌اند.
نشان در تصویر: تمرکز خوب در مرکز اما گوشه‌ها نرم یا برعکس.
اصلاح: تخت‌کننده میدان (عدسی یا گروه عدسی کوچک نزدیک کانون) یا طراحی اپتیکی که خمیدگی را کاهش دهد.
5) اعوجاج (Distortion)
چیست؟ تغییر شکل هندسی تصویر (کشیدگی یا فشردگی) که مکان ستاره‌ها را نسبت به موقعیت واقعی تغییر می‌دهد، اما معمولاً نقطه‌ای بودن ستاره‌ها را زیاد تحت تأثیر قرار نمی‌دهد.
نشان در تصویر: اعوجاج خطوط یا تغییر هندسی میدان (pincushion یا barrel).
اصلاح: بازیابی هندسی در پردازش تصویر یا طراحی اپتیکی با کنترل اعوجاج.
6) ابیراهی رنگی (Chromatic aberration)
چیست؟ کانونی شدن نادرست طول‌موج‌ها به‌دلیل پراکندگی (dispersion) شیشه‌ها؛ انواع طولی (axial) و عرضی (lateral).
تاثیر در تلسکوپ: در آینه‌ها کم است، در سیستم‌های شکستی (چشمی‌ها، لنزهای فیلد-فلاتنر) دیده می‌شود و موجب هاله‌های رنگی در لبه‌های روشن می‌گردد.
اصلاح: استفاده از عدسی‌های آکروماتیک یا آپوکروماتیک، یا طراحی کاتادیوپتر با شیشه‌های کم‌پراکندگی (ED).
7) ابیراهی‌های مرتبط با اجرا/ساخت (هم‌خطی، شکل آینه، خطاهای جبهه موج، وینیتینگ، پراکنش)
نمونه‌ها: هم‌خطی نامناسب که گیسو و آستیگماتیسم تولید می‌کند؛ شکل نامناسب آینه یا اعوجاج صیقل که منجر به ابیراهی کروی یا تنگ (تابع نقطه گستر، PSF) می‌شود؛ وینیتینگ (کاهش نور گوشه‌ها) یا نور مزاحم/فلر ناشی از سپرک (Baffle) نامناسب.
روش تشخیص و اصلاح: بررسی آماری PSF در میدان، اجرای تست‌های فیزیکی آینه، تنظیم هم‌خطی، سپرک‌بندی و بهبود پوشش‌ها.
8) اثرات جوّی (Seeing) و سوسو زدن (Scintillation)
چیست؟ ناپایداری جوی باعث تغییر لحظه‌ای زاویه و جبهه موج می‌شود که بر وضوح و حدتفکیک تاثیر می‌گذارد — در بسیاری از مواقع محدودیت اصلی در رصدهای زمینی است.
اصلاح: انتخاب سایت مناسب، اپتیک سازگار (AO) برای جبران اختلالات در زمان واقعی، و پردازش تصویر (stacking, lucky imaging).
9) ابیراهی‌های حسگر (sampling)
مسائل: پیکسل‌بندی نامناسب (undersampling یا oversampling) باعث از دست رفتن اطلاعات یا ایجاد aliasing می‌شود؛ حساسیت پیکسل‌ها (PRNU)، خطوط گرم/کولینگ ضعیف حسگر و فیلترهای باند نیز می‌توانند کیفیت تصویر را خراب کنند.
اصلاح: انتخاب پیکسل مناسب نسبت به فاصله کانونی و دید، کالیبراسیون (flat, dark, bias) و پردازش.
10) خطاهای جبهه موج (Wavefront Errors / WFE)
خطای جبهه موج زمانی رخ می‌دهد که جبههٔ موج نور پس از بازتاب از آینه یا عبور از عدسی، به‌جای سطحی کاملاً کروی یا تخت، دچار اعوجاج شود.
در سیستم ایده‌آل، همهٔ پرتوها باید با فاز یکسان از اپتیک خارج شوند؛ هرگونه تغییر کوچک در فاز یا شکل موج‌صفحه باعث کاهش کیفیت تصویر و تیزی PSF می‌شود.
این خطا از پایه‌ای‌ترین عوامل افت کیفیت تصویر در هر تلسکوپ است.
علت‌های اصلی خطاهای جبهه موج
1. ناهمواری سطح آینه (Surface Figure Error)
صیقل ناکامل
موج‌های سطحی با دامنه‌ی میکرونی
خطاهای لبه (turned edge)
2. تنش‌های مکانیکی (Mechanical Stress)
نگه‌دارنده‌های آینه بیش‌ازحد سفت
فشار جانبی روی آینه
تغییر شکل سلول آینه هنگام حرکت تلسکوپ
3. گرادیان دمایی (Thermal Gradients)
گرم‌شدن آینه و انبساط غیریکسان
هوای گرم داخل لوله (tube currents) که جبهه موج را منحرف می‌کند
4. هم‌خطی (Collimation) نامناسب
خطا در محور نوری موجب تغییر شکل کلی موج‌صفحه و ایجاد الگوهای ناخواسته در تنگ می‌شود.
5. آلودگی یا رطوبت روی سطح
مه‌گرفتگی (dew)
گرد و غبار زیاد
ریز خراش‌ها
این موارد باعث پراکندگی و اعوجاج موضعی موج‌صفحه می‌شوند.
نشان‌ها در تصویر
ستاره به‌جای نقطهٔ تیز، «پف‌کرده» دیده می‌شود
حلقه‌های خارج از فوکوس ناهموارند
تنگ (PSF) پهن‌تر از مقدار تئوری است
الگوی بیضوی، سه‌گوش یا چندپری در فوکوس
افت کنتراست در جزئیات اجرام
افزایش FWHM در عکس‌ها
روش‌های اصلاح و کاهش خطا
1. اپتیک فعال (Active Optics)
تغییر شکل آینهٔ اصلی یا ثانویه با عملگرهای دقیق
جبران تغییرات آهسته ناشی از دما و گرانش
(در تلسکوپ‌های بزرگ: VLT ،Keck)
2. اپتیک تطبیقی (Adaptive Optics)
جبران لحظه‌ای اختلالات موج‌صفحه
بهبود در حد diffraction-limited
حسگر موج (Shack-Hartmann) + آینه‌های قابل‌تغییر
3. طراحی اپتیکی مناسب
استفاده از آینه‌های آسپریک
اصلاحگرهای مخصوص (Correctors)
کاهش خطاهای باقی‌ماندهٔ Seidel
4. مدیریت حرارتی
خنک‌سازی آینه
فن‌های داخل تیوب
کاهش جریان‌های حرارتی
5. تنظیم هم‌خطی
اصلاح سریع و مؤثر برای بازتابی‌ها
کاهش مؤلفه‌های Zernike ناخواسته
روش‌های اصلاح و بهبود (طراحی، سخت‌افزار، نرم‌افزار)
طراحی اپتیکی و انتخاب معماری
آینه سهموی و آسفریک برای حذف ابیراهی کروی؛ Ritchey–Chrétien برای حذف گیسوی مرتبه سوم مرتبه و بهبود میدان تصویری در تلسکوپ‌های بازتابی حرفه‌ای.
Schmidt، Maksutov و دیگر طراحی‌های کاتادیوپتری برای کنترل ابیراهی رنگی و برخی اختلالات میدان.
اصلاحگرهای مید‌فیلد تخت‌کننده و اصلاح‌کننده
برای تصویربرداری و CCDهای تخت، استفاده از تخت کننده میدان (عدسی‌های کوچک نزدیک فوکوس) رایج است تا پتزوال و آستیگماتیسم باقیمانده را کم کنند.
اپتیک فعال و تطبیقی (Active & Adaptive Optics)
اپتیک فعال (Active Optics): کنترل شکل آینه ثانویه/اصلی برای جبران تغییرات آهسته (گرانش، دما).
اپتیک تطبیقی (Adaptive Optics, AO): استفاده از حسگر موج (wavefront sensor) و آیینه‌های قابل تغییر (deformable mirror) برای اصلاح سریع اعوجاج‌های جوی و بهبود چشمگیر PSF در زمان واقعی. AO در تلسکوپ‌های حرفه‌ای برای دست‌یابی به وضوح نزدیک حد پراکندگی استفاده می‌شود.
پردازش تصویر و روش‌های پس‌پردازش
Deconvolution (مثلاً Richardson–Lucy) برای بازیابی جزئیات تا مرزهای اطلاعات موجود در تنگ (PSF)؛
Lucky imaging, speckle imaging برای ترکیب فریم‌های کوتاه و انتخاب فریم‌های کم-افکت جوی؛
کالیبراسیون دقیق (flat, dark, bias) برای اصلاح ابیراهی‌های حسگر.
تشخیص ابیراهی‌ها — آزمایش‌ها و شاخص‌ها
تنگ و نمودار نقطه‌ای (star test): گرفتن تصاویر ستارگان نقطه‌ای در مرکز و گوشه میدان و مقایسه شکل تنگ (PSF).
MTF/OTF و نمودارهای خط انتقال (Line Spread Function): برای تحلیل فرکانسی وضوح.
تست موج‌صفحه (interferometry/wavefront sensing): در رصدخانه‌ها برای اندازه‌گیری دقیق aberration و مصارف اپتیک فعال.
چک‌لیست نگهداری و عیب‌یابی
بررسی هم‌خطی قبل از هر شب رصد.
گرفتن چند تصویر تنگ (PSF) در مرکز و گوشه و ذخیره برای پیگیری مشکلات.
اجرای کالیبراسیون حسگر (flats, darks) به‌صورت منظم.
بررسی پوشش‌ها و سپرک‌ها (بَفل‌ها) برای جلوگیری از فلَر و نور مزاحم.
ثبت دما و زمان برای تشخیص اثرات گرمایی و انبساط.
نتیجه‌گیری
شناخت انواع ابیراهی‌های اپتیکی، منشا و روش‌های تشخیص و اصلاح آن‌ها، ستون فقرات هر برنامه آموزشی و عملیاتی دقیق در نجوم رصدی است. هرچند برخی ابیراهی‌ها (مثل اثرات جوّی) نیاز به فناوری‌های پیشرفته‌ای مثل اپتیک تطبیقی دارند، بسیاری از مشکلات توسط طراحی مناسب، کولیمیشن منظم، تخت کننده و پردازش تصویر قابل کاهش‌اند.
