Aberraciones Ópticas

Las aberraciones son las desviaciones de un sistema óptico real respecto a la formación de imágenes paraxiales ideales, lo que provoca el desenfoque o la distorsión de la imagen fuera del eje o para los rayos no paraxiales.

Definition

Imperfecciones en la formación de imágenes por las cuales un sistema óptico no logra mapear cada punto del objeto a un único punto de imagen nítido, clasificadas como aberraciones monocromáticas a partir de la geometría de los rayos no paraxiales y aberraciones cromáticas a partir de la dependencia del índice de refracción con la longitud de onda.

Scope

Este tema abarca las desviaciones sistemáticas de la formación perfecta de la imagen que surgen cuando la aproximación paraxial se rompe o cuando interviene luz de diferentes longitudes de onda. Incluye las cinco aberraciones monocromáticas primarias (de Seidel) de aberración esférica, coma, astigmatismo, curvatura de campo y distorsión, así como la aberración cromática que surge de la dispersión. Trata la descripción de las aberraciones mediante frentes de onda, su dependencia de la apertura y el campo, y las estrategias utilizadas para equilibrarlas o corregirlas en el diseño de lentes.

Core questions

• ¿Por qué las lentes reales no logran formar imágenes perfectas de puntos de objeto fuera del eje o de gran apertura?
• ¿Cuáles son los distintos tipos de aberración primaria y cómo distorsiona cada uno la imagen?
• ¿Cómo surge la aberración cromática de la dispersión y cómo se corrige?
• ¿Cómo puede un diseño multielemento equilibrar las aberraciones entre sí?

Key concepts

• aberración esférica
• coma
• astigmatismo
• curvatura de campo
• distorsión
• aberración cromática
• error de frente de onda
• número de Abbe

Key theories

Teoría de la aberración de Seidel (tercer orden)

La expansión del error del frente de onda a tercer orden en la apertura y el ángulo de campo produce cinco aberraciones monocromáticas primarias: aberración esférica, coma, astigmatismo, curvatura de campo y distorsión, cada una con una dependencia característica de la apertura y el campo.

Aberración cromática y acromatización

Debido a que el índice de refracción varía con la longitud de onda, la distancia focal depende del color; la combinación de lentes de dispersión complementaria en un doblete acromático lleva dos o más longitudes de onda a un foco común.

Clinical relevance

Las aberraciones del ojo humano, tanto los errores refractivos de bajo orden como las aberraciones de alto orden, se miden mediante aberrometría de frente de onda y se corrigen con gafas, lentes de contacto personalizadas o cirugía refractiva; el control de las aberraciones también es esencial para los microscopios de alta resolución y los instrumentos astronómicos.

History

Seidel publicó la teoría de tercer orden de las cinco aberraciones primarias en 1856, proporcionando a los diseñadores de lentes un vocabulario sistemático. Anteriormente, Fraunhofer y otros habían desarrollado dobletes acromáticos para controlar la aberración cromática, y Abbe más tarde estableció el diseño de lentes sobre una base teórica y metrológica más sólida en la fabricación de ópticas para microscopios.

Key figures

• Ludwig von Seidel
• Ernst Abbe
• Joseph von Fraunhofer

Seminal works

• bornwolf1999
• smith2007

Frequently asked questions

¿Cuál es la diferencia entre la aberración esférica y la cromática?

La aberración esférica es un defecto monocromático en el que los rayos que atraviesan diferentes zonas de una superficie esférica se enfocan a diferentes distancias, mientras que la aberración cromática surge porque las diferentes longitudes de onda de la luz se refractan en diferentes cantidades y, por lo tanto, se enfocan en diferentes puntos.

¿Se pueden eliminar completamente las aberraciones?

Ninguna lente única está libre de todas las aberraciones, pero una cuidadosa elección de las formas, materiales y espaciamientos de los elementos, y el uso de superficies asféricas, puede reducir las aberraciones residuales a un nivel insignificante para una aplicación dada.