Aberração óptica
Uma aberração óptica é um desvio do desempenho de um sistema óptico a partir das previsões da óptica geométrica paraxial. Em um sistema de imagem, ela ocorre quando a luz de um ponto de um objeto não converge para um único ponto depois da transmissão através do sistema. As aberrações ocorrem porque a teoria paraxial simples não é um modelo completamente exato do efeito de um sistema óptico sobre a luz, e não devido a falhas nos elementos ópticos.
Imagem: File:Lens-coma.svg*derivative work: Ruryk (talk) · BY-SA · Openverse
As aberrações dividem-se em duas classes: monocromáticas e cromáticas. As aberrações monocromáticas são causadas pela geometria das lentes ou espelho e ocorrem tanto quando a luz é refletida, e quando é refratada. Elas aparecem mesmo quando se usa luz monocromática, daí o nome. As aberrações cromáticas são causadas pela dispersão, pela variação do índice de refração da lente com o comprimento de onda. Elas não aparecem quando a luz monocromática é utilizada.
Aberrações monocromáticas
O pistão e a tilt não são realmente verdadeiras aberrações ópticas, uma vez que eles não representam ou modelam a curvatura da frente de onda. Se uma frente de onda perfeita é "aberrada" por pistão e tilt, ainda assim vai formar uma imagem perfeita, livre de aberração, apenas deslocada para uma posição diferente. O desfoco é a verdadeira aberração óptica de menor ordem.
A teoria elementar de sistemas ópticos leva ao teorema: Raios de luz procedentes de qualquer ponto objeto unem-se em um ponto de imagem; e, portanto, um espaço objeto é reproduzido em um espaço imagem. A introdução de termos auxiliares simples, devido a Carl Friedrich Gauss (Dioptrische Untersuchungen, Göttingen, 1841), chamado de distâncias focais e planos focais, permite a determinação da imagem de qualquer objeto por qualquer sistema (ver lentes). A teoria de Gauss, contudo, só é válida, desde que os ângulos formados por todos os raios com o eixo óptico (o eixo de simetria do sistema) sejam infinitamente pequenos, ou seja, com objetos infinitesimais, imagens e lentes; na prática, estas condições podem não acontecer, e as imagens projetadas por sistemas sem correção são, em geral, mal definidas e muitas vezes completamente turvas, se a abertura ou campo de visão ultrapassar certos limites.
Aberração de pontos axiais (aberração esférica, no sentido restrito)
Seja S (fig. 1) qualquer sistema óptico, os raios provenientes de um ponto de eixo O sob um ângulo u1 incidirão no ponto de eixo O'1; e aqueles sob um ângulo u2 no ponto de eixo O'2. Se houver refração em uma superfície esférica coletiva, ou através de uma lente positiva fina, O'2 incidirão na frente de O'1 contanto que o ângulo u2 seja maior do que u1 (subcorreção); e, inversamente, com uma superfície dispersiva ou lentes (supracorreção). A cáustica, no primeiro caso, se assemelha ao sinal > (maior que); no segundo < (menor que). Se o ângulo u1 for muito pequeno, O'1 é a imagem de Gauss; e O'1 O'2 é chamada de aberração longitudinal, e O'1R a aberração lateral do feixe de luz com abertura u2. Se o feixe de luz com o ângulo u2 é o da aberração máxima de todos os feixes transmitidos, então, em um plano perpendicular ao eixo de O'1 existe um disco de confusão circular de raio O'1R, e em um plano paralelo em O'2 outro de raio O'2R2; entre estes dois está situado o disco de menos confusão.
Aberração de elementos, ou seja, menores objetos em ângulos retos com o eixo
Se os raios emitidos de O (fig. 1) forem concorrentes, isto não significa que os pontos na porção de um plano perpendicular a O para o eixo serão também concorrentes, ainda que a parte do plano seja muito pequena. Com uma abertura considerável, o ponto vizinho N será reproduzido, mas com a presença de aberrações comparáveis em magnitude a ON. Essas aberrações são evitadas se, de acordo com Abbe, a condição seno, sen u'1/sen u1=sen u'2/sen u2, vale para todos os raios que reproduzem o ponto O. Se o ponto objeto O for infinitamente distante, u1 e u2 serão substituídos por h1 e h2, as alturas perpendiculares de incidência; a condição seno torna-se então sen u'1/h1=sen u'2/h2. Um sistema que satisfaça esta condição e livre de aberração esférica é chamado de aplanético. Esta palavra foi usada pela primeira vez por Robert Blair (morto em 1828), professor de astronomia na Universidade de Edimburgo, para caracterizar um acromatismo superior, e, posteriormente, por muitos escritores para denotar ausência de aberração esférica. A aberração de pontos do eixo, e o desvio da condição seno, rapidamente aumentaram na maior parte dos sistemas (não corrigidos) com a abertura.
Aberração de pontos de objetos laterais (pontos fora do eixo) com feixes de luz estreitos. Astigmatismo
Um ponto O (fig. 2), a uma distância finita do eixo (ou com um objeto infinitamente distante, um ponto que subtende um ângulo finito no sistema) é, em geral, até então não acentuadamente reproduzido, se o feixe de raios emitidos a partir dele e que atravessando o sistema é feito infinitamente estreito, reduzindo o stop de abertura; tal feixe consiste dos raios que podem passar do ponto objeto através da agora infinitamente pequena pupila de entrada. É visto (ignorando casos excepcionais) que o feixe não encontra a superfície refratora ou refletora em ângulos retos; portanto, é astigmatismo (grego. a-, ausência, stigmia, um ponto). Dá-se o nome ao raio central que passa pela pupila de entrada de eixo do feixe ou raio principal, pode-se dizer: os raios do feixe se cruzam, não em um ponto, mas em duas linhas focais, que pode ser assumido como sendo perpendicular ao raio principal; destes, um encontra-se no plano que contém o raio principal e o eixo do sistema, isto é, na primeira seção principal ou seção meridional, e o outro em ângulo reto com ele, ou seja, na segunda seção principal ou seção sagital. Nós recebemos, por isso, em nenhum plano interceptar por trás do sistema, como, por exemplo, um ecrã de focagem, uma imagem do ponto objeto; por outro lado, em cada uma das duas linhas do plano O e O" são formadas separadamente (em planos vizinhos são formadas elipses), e em um plano entre O' e O" um círculo de menos confusão. O intervalo O'O", denominado a diferença de astigmatismo, aumenta, em geral, com o ângulo W feito pelo raio principal OP com o eixo do sistema, isto é, com o campo de visão. Duas superfícies de imagem astigmáticas correspondem a um plano objeto; e estes estão em contato no ponto de eixo; em um estão as linhas focais do primeiro tipo, em outro, os do segundo. Os sistemas nos quais as duas superfícies astigmáticas coincidem são denominadas anastigmáticas ou estigmática.
Aberração de pontos objetos laterais com feixes de luz largos. Coma
Ao abrir o stop mais amplo, desvios semelhantes surgem em pontos laterais como já foram discutidas para os pontos axiais; mas, neste caso, eles são muito mais complicados. O curso dos raios na seção meridional já não é simétrico ao raio principal do feixe de luz; e sobre um plano de intercepção aparece, em vez de um ponto luminoso, uma mancha de luz, não simétrica em relação a um ponto, e, muitas vezes exibem uma semelhança com um cometa tendo a sua cauda dirigida para o eixo ou para longe dele. Devido a este aspecto ele leva o seu nome. A forma assimétrica do feixe de luz meridional - anteriormente o único considerado - é o coma apenas no sentido mais estrito; outros erros do coma foram tratados por Arthur König e Moritz von Rohr, e mais tarde por Allvar Gullstrand.
Curvatura do campo da imagem
Se os erros acima forem eliminados, as duas superfícies astigmáticas unidas, e uma imagem nítida obtida com uma grande abertura - permanece a necessidade de corrigir a curvatura da superfície de imagem, especialmente quando a imagem está a ser recebida em cima de uma superfície plana, por exemplo, na fotografia. Na maioria dos casos, a superfície é côncava para o sistema.
Distorção da imagem
Mesmo que a imagem seja nítida, ela pode ser distorcida em relação a projeção pinhole ideal. Na projeção pinhole, a ampliação de um objeto é inversamente proporcional a sua distância para a câmara ao longo do eixo óptico, de modo que uma câmara apontada diretamente para uma superfície plana, reproduz aquela superfície plana. A distorção pode ser pensada como o alongamento da imagem de maneira não uniforme, ou, de forma equivalente, como uma variação em ampliação ao longo do campo. Enquanto que a "distorção" pode incluir a deformação arbitrária de uma imagem, os modos mais pronunciados da distorção produzida por imagens ópticas convencionais é a "distorção em barril", na qual o centro da imagem, é aumentado mais do que o perímetro (figura 3a). O reverso, na qual o perímetro é aumentado mais do que o centro, é conhecida como "distorção de almofada" (figura 3b). Este efeito é chamado de distorção da lente ou distorção de imagem, e há algoritmos para corrigi-la.
