Aberrações Óticas

As aberrações são os desvios de um sistema óptico real em relação à formação de imagem paraxial ideal, desfocando ou distorcendo a imagem fora do eixo ou para raios não paraxiais.

Definition

Imperfeições na formação de imagens pelas quais um sistema óptico não consegue mapear cada ponto do objeto para um único ponto de imagem nítido, classificadas como aberrações monocromáticas da geometria de raios não paraxiais e aberrações cromáticas da dependência do índice de refração em relação ao comprimento de onda.

Scope

Este tópico aborda os desvios sistemáticos da formação perfeita de imagens que surgem quando a aproximação paraxial falha ou quando a luz de diferentes comprimentos de onda está envolvida. Inclui as cinco aberrações monocromáticas primárias (de Seidel) de aberração esférica, coma, astigmatismo, curvatura de campo e distorção, bem como a aberração cromática resultante da dispersão. Trata da descrição da frente de onda das aberrações, sua dependência da abertura e do campo, e as estratégias usadas para equilibrá-las ou corrigi-las no projeto de lentes.

Core questions

• Por que as lentes reais não conseguem formar imagens perfeitas de pontos de objeto fora do eixo ou de grande abertura?
• Quais são os tipos distintos de aberração primária e como cada um distorce a imagem?
• Como a aberração cromática surge da dispersão e como é corrigida?
• Como um projeto multi-elemento pode equilibrar as aberrações umas contra as outras?

Key concepts

• aberração esférica
• coma
• astigmatismo
• curvatura de campo
• distorção
• aberração cromática
• erro de frente de onda
• número de Abbe

Key theories

Teoria da aberração de Seidel (terceira ordem)

A expansão do erro da frente de onda para a terceira ordem na abertura e no ângulo de campo produz cinco aberrações monocromáticas primárias: aberração esférica, coma, astigmatismo, curvatura de campo e distorção, cada uma com uma dependência característica da abertura e do campo.

Aberração cromática e acromatização

Como o índice de refração varia com o comprimento de onda, a distância focal depende da cor; a combinação de lentes de dispersão complementar em um duplo acromático leva dois ou mais comprimentos de onda a um foco comum.

Clinical relevance

As aberrações do olho humano, tanto os erros refrativos de baixa ordem quanto as aberrações de alta ordem, são medidas por aberrometria de frente de onda e corrigidas com óculos, lentes de contato personalizadas ou cirurgia refrativa; o controle das aberrações também é essencial para microscópios de alta resolução e instrumentos astronômicos.

History

Seidel publicou a teoria de terceira ordem das cinco aberrações primárias em 1856, fornecendo aos projetistas de lentes um vocabulário sistemático. Anteriormente, Fraunhofer e outros desenvolveram dupletos acromáticos para domar a aberração cromática, e Abbe mais tarde estabeleceu o projeto de lentes em uma base teórica e metrológica mais sólida na fabricação de ópticas de microscópio.

Key figures

• Ludwig von Seidel
• Ernst Abbe
• Joseph von Fraunhofer

Seminal works

• bornwolf1999
• smith2007

Frequently asked questions

Qual é a diferença entre aberração esférica e cromática?

A aberração esférica é um defeito monocromático em que os raios que passam por diferentes zonas de uma superfície esférica focalizam em distâncias diferentes, enquanto a aberração cromática surge porque diferentes comprimentos de onda da luz são refratados em diferentes quantidades e, portanto, focalizam em pontos diferentes.

As aberrações podem ser completamente eliminadas?

Nenhuma lente única está livre de todas as aberrações, mas a escolha cuidadosa das formas dos elementos, materiais e espaçamentos, e o uso de superfícies asféricas, pode reduzir as aberrações residuais a um nível desprezível para uma dada aplicação.