Óptica

Óptica geométrica

Las aberraciones en sistemas ópticos (lentes, prismas, espejos o una serie de éstos con la finalidad de producir una imagen nítida) generalmente conllevan a una degradación de la imagen. Ocurren cuando la luz proveniente de un punto de un objeto no converge hacia (o no diverge desde) un solo punto luego de transmitirse a través del sistema. Los instrumentistas precisan corregir estos sistemas para compensar las aberraciones.Las aberraciones se dividen en dos categorías:

• Aberraciones monocromáticas, las cuales se producen sin dispersión. Estas incluyen aberraciones en superficies reflejantes de cualquier color (o longitud de onda, de acuerdo a la región del espectro electromagnético en la que se esté trabajando), y las aberraciones de luz monocromática de una sola longitud de onda.
• Aberraciones cromáticas: donde un sistema dispersa las diferentes longitudes de onda de la luz.

En los instrumentos ópticos, las imágenes que se obtienen pueden presentar ciertos defectos o aberraciones. Las aberraciones no son debidas a su construcción, sino que se deben a que no se cumplen las aproximaciones de la óptica geométrica; las lentes no son siempre delgadas, los rayos no son paraxiales y la luz no es monocromática.

Imagen 26. Pko. Dominio público.

Una aberración se produce cuando los rayos procedentes de un punto objeto no forman un solo punto imagen. Pueden ser geométricas y cromáticas.

Las aberraciones geométricas son aquellas en las que la imagen de un punto no es otro punto debido a que no se cumple la aproximación paraxial.

Las aberraciones cromáticas son aquellas que se producen debido a que la luz no es monocromática.

Aberración esférica

Vídeo 2. Dr. Michael R. Gallis Penn State Schuylkill. Creative commons.

Es una aberración geométrica debida a que no se cumple la aproximación paraxial. Los rayos próximos al eje (paraxiales) se concentran en un foco y los más alejados lo hacen en otro punto, de modo que la imagen es un disco circular. Puedes verlo en el vídeo adjunto.

La aberración esférica se corrige con un diafragma que no permite el paso de los rayos alejados del eje. También puede utilizarse una combinación de lentes convergentes y divergentes que elimine la aberración por compensación del efecto de una con otra.

Aberración cromática

Imagen 27. Andreas 06. Dominio público.	Vídeo 3. Dr. Michael R. Gallis Penn State Schuylkill.Creative commons.

Como has aprendido al estudiar la dispersión, el índice de refracción depende de la longitud de onda y, por lo tanto, la distancia focal es diferente para cada color. La imagen de un punto es un punto para cada color. Puedes verlo en el vídeo adjunto.

Este defecto se corrige con un par acromático, combinando una lente convergente y otra divergente en contacto, de modo que compensen entre sí la aberración cromática.

Astigmatismo

Imagen 28. Sebastian Kosch. Creative commons.

En el astigmatismo, la imagen de un punto no es otro punto, sino dos rectas perpendiculares entre sí. El motivo es que las lentes no poseen la misma curvatura en todos los planos axiales.

Esta aberración se corrige combinando lentes esféricas y cilíndricas.

Coma

Vídeo 4. Dr. Michael R. Gallis Penn State Schuylkill.Creative commons.

Es una aberración similar a la esférica. La imagen de un punto, en vez de un disco circular es alargada como un cometa (de ahí su nombre).

El coma puede evitarse utilizando un diafragma que no permite el paso de los rayos alejados del eje.

Distorsión

Cuando el aumento lateral depende de la distancia del objeto al eje óptico, la imagen del objeto tiene sus dimensiones amplificadas de distinta manera. No se mantiene la semejanza entre el objeto y la imagen. La distorsión en corsé se da cuando el aumento crece al separarse del eje y la distorsión en tonel es cuando el aumento disminuye.

Las aberraciones se corrigen utilizando superficies no esféricas o, más frecuentemente, usando varias lentes. El sistema óptico de una cámara fotográfica puede estar formado por seis lentes para corregir las distintas aberraciones.

Aberraciones Esférica Cromática Distorsión Página maravillosa con applets que explican las aberraciones Los instrumentos ópticos causan en las imágenes ciertos defectos o aberraciones. Las aberraciones no se deben a defectos de construcción, sino que son una consecuencia de las leyes de la refracción-reflexión de la luz. En la óptica geométrica que hemos estudiado hasta ahora se introdujeron varias simplificaciones: las lentes son siempre delgadas los rayos son paraxiales la luz es monocromática. En la práctica no se cumplen estas condiciones por lo que la formación de las imágenes no se ajusta totalmente a la teoría estudiada. Las aberraciones más comunes son: Aberración esférica Tiene lugar en las lentes y en los espejos esféricos. Es una aberración astigmática debido a que no se cumple la aproximación paraxial ya que no todos los rayos van próximos al eje. Los rayos paralelos al eje óptico reflejados (caso de los espejos) o refractados (caso de las lentes) se concentran en el foco, pero ese punto focal es diferente para los rayos que son paraxiales que para los que van alejados del eje de la lente. La aberración esférica se evita con un diafragma (disco opaco centrado en el eje con un orificio central) que elimina los rayos no paraxiales. Los rayos marginales (no paraxiales) convergen a menor distancia de la lente si esta es convergente, y a mayor distancia si es divergente. Asociando adecuadamente una lente convergente con otra divergente también se elimina este tipo de aberraciones. En este applet puedes estudiar todas las aberraciones en las lentes debidas a que los rayos no son paraxiales. Para ver la aberración esférica en diferentes tipos de espejos, pulsa aquí. En esta figura puedes ver como se produce la aberración en un espejo cóncavo: La página original del applet es: http://webphysics.davidson.edu/applets/Optics/spherical_aberation.html http://www.usafa.af.mil/dfp/physics/webphysics/Physlet_examples/ Par entender las aberraciones astigmáticas y las de coma visita esta magnífica página Aberración cromática Se origina debido a que la luz no es monocromática. Los distintos colores de la luz tienen distintas velocidades dentro del material de las lentes y por lo tanto distinto índice de refracción. La distancia focal depende del índice de refracción. Cada color tiene un foco distinto y experimenta una desviación distinta. Esto hace que la imagen no se forme en un único punto y aparece una distorsión. Este defecto se corrige combinando adecuadamente una lente convergente con otra divergente de distinto índice de refracción. Los espejos no producen esta aberración porque en ellos no hay refracción. Vete a este sitio si quieres ver un applet que te ayuda a entender mejor la aberración cromática.¡Página increíble! Distorsión Se debe a que el aumento lateral del sistema óptico depende de la distancia del objeto al eje óptico, resultando que la imagen de un objeto, que tiene largo y alto, se ve con sus dimensiones amplificadas de distinta manera. No se mantiene la semejanza entre el objeto y la imagen.