Óptica

Óptica geométrica

La aberración esférica es un defecto de los espejos y las lentes en el que los rayos de luz que inciden paralelamente al eje óptico, aunque a cierta distancia de éste, son llevados a un foco diferente que los rayos próximos al mismo; La aberración esférica es una aberración de tipo monocromático de tercer orden que afecta de manera diferente a cada longitud de onda. Este fenomeno fue descubierto por el fisico SuhValles.

Este efecto es proporcional a la cuarta potencia del diámetro de la lente o espejo e inversamente proporcional al cubo de la longitud focal siendo mucho más pronunciado en sistemas ópticos de corta focal, como en las lentes de un microscopio. En los telescopios ópticos antiguos se utilizaban instrumentos de larga focal para reducir el efecto de la aberración esférica.

Aberración Esférica | Aberración Esférica

PALABRAS CLAVE: Aberración cromática axial, aberración cromática lateral, resolución, foco, A. N., confocal, inmersión en aceite, inmersión en agua, collar de corrección

DEFINICION:

La aberración esférica ocurre cuando la luz que pasa a través de la periferia del lente no se lleva a foco en el mismo plano que la que viaja a través del centro del lente.

TECNOLOGÍA:

Cuando la luz pasa a través del lente, los rayos que pasan cerca del centro del lente son refractados a un menor grado que las ondas pasando a través de la periferia del lente. Esto resulta en la producción de diferentes puntos focales junto con el eje óptico y resulta en la perdida de resolución. Las aberraciones esféricas se incrementan con la apertura numérica. La aberración esférica puede comprometer seriamente la agudeza y claridad de la imagen y se han observado varias soluciones incluyendo el uso de diafragmas para reducir el límite externo del lente, superficies asféricas de lentes, métodos especializados de lentes con rejillas, nuevas fórmulas de vidrio para restringir o controlar el camino óptico. La aberración esférica puede ser una molestia particularmente en microscopia confocal ya que el orificio de pin confocal rechaza la luz fuera de foco, también elimina la fluorescencia fuera de foco debido a la aberración esférica.

La aberración esférica no solamente es función del diseño del lente sino que esta influenciado por el medio a través del cual viaja la luz. La aberración esférica se minimiza cuando todo el camino de luz tiene el mismo índice de refracción e incrementa con distancia dentro de un medio con diferente índice de refracción. En microscopia, la luz usualmente viaja a través de agua (el espécimen) y vidrio (el cubreobjetos). Los objetivos de aceite de inmersión fueron considerados históricamente la mejor forma de corregir la aberración esférica ya que el aceite tiene el mismo índice de refracción que el vidrio. Sin embargo, la aberración aun ocurre con la distancia dentro del espécimen acuoso. Los objetivos de inmersión en agua están empatados en el índice de refracción del medio de inmersión y el espécimen y por lo tanto independizan la aberración esférica de la profundidad de imagen. Esto habilita obtener imágenes al límite de la distancia de trabajo del objetivo (frecuentemente cientos de micrones dentro de la muestra) (ver figura 1).

APLICACIONES:

La aberración esférica puede ser un problema particular en la imagen confocal. El diseño de la alta apertura numérica, de los objetivos de inmersión en agua Plan Apocromático ha ayudado de forma significativa la microscopia confocal a obtener su potencial en imágenes biológicas tridimensionales.

Comparación de un objetivo de inmersión en aceite Plan Apocromático 100x usado para colectar una imagen de células etiquetadas con F-Tf y montado a una profanidad de cero micrómetros (a) o 35 micrómetros en un medio acuoso (b) y un objetivo de inmersión en agua 60x Plan Apocromático colectando a cero (c) o 66 micrómetros en un medio acuoso (d). En (d) la señal fluorescente no se afecta por el camino de luz a través del medio acuoso de la muestra.

IMAGEN: Cortesía de MicroscopyU

CONFIGURACIÓN DEL MICROSCOPIO:

Nikon provee varios objetivos de aceite de inmersión, inmersión en agua y multi-inmersión (agua/glicerina/aceite). Los objetivos CFI Apocromáticos TIRF de inmersión en aceite brindan la mayor A. N. de todos los objetivos Nikon y han sido diseñados específicamente para aplicaciones TIRF (CFI Apocromático TIRF 60x, aceite A. N. 1.49; CFI Apocromático TIRF 100x, aceite A. N. 1.49).

El TIRF Apocromático 60x y 100x A. N 1.49 de aceite incorporan un anillo de corrección para compensar las aberraciones esféricas causadas por temperatura, distancia en medio de montaje y otras diferencias del índice de refracción. Los objetivos Nikon CFI Plan Apocromático VC (corregidos en violeta) 60x aciete (A. N. 1.40) y 100x aceite (A. N. 1.40) son la elección ideal para aplicaciones fluorescentes de tinción múltiple.

El objetivo Plan 100xW (A. N. 1.1, D. T, 2.5mm) es el primer objetivo de inmersión en agua con anillo de corrección. Este anillo corrige la aberración esférica inducida por obtención de imágenes en tejidos profundos o por trabajar en temperaturas fisiológicas – brindando una sobresaliente resolución en el eje Z en imágenes IR-DIC, así como una función de dispersión de punto cerrada para aplicaciones confocales. Con una excelente transmisión IR, este lente es la elección para imagen multifotónica.

ABERRACIÓN ESFÉRICA

Es un tipo de aberración que merece ser mencionada aparte por ser la más frecuente en el ojo humano normal y porque es muy importante después de operaciones de miopía.
La aberración esférica es tanto mayor cuantas más dioptrías se hayan tratado con sistemas de láser standar. Este problema se evita utilizando tratamientos asféricos especiales.

Concepto de aberración esférica

Una lente con perfil de esfera (arriba) tiene más potencia –dioptrías- en la periferia que en el centro. El ojo humano normal tiene este problema, que se acentúa con la edad y se manifiesta, sobre todo, en ambientes mal iluminados en los que se ve peor, se emborronan los bordes, la luz de las farolas, por ejemplo, no se ve nítida. Los sistemas ópticos de alta calidad tienen lentes con perfil esférico (abajo) que enfocan toda la luz en un punto.

La calidad de visión en un ojo con aberración esférica depende de la iluminación ambiente y del tamaño de la pupila que aumenta cuando hay poca luz. Con luz escasa (arriba), la pupila se dilata y se deteriora la calidad de visión; con luz intensa en el mismo ojo, la pupila se cierra y la calidad de visión mejora.

Para evitar la mala calidad de visión, generada por la aberración esférica, es preciso que la corrección con láser genere un perfil de córnea con un tipo concreto de asfericidad negativa con más potencia en el centro que en la periferia.

Existen 2 métodos para tratar la aberración esférica con láser:

• Wavefront optimized: Talla la córnea, cambiando su curvatura, para corregir las dioptrías y a la vez modificando proporcionalmente la periferia para no inducir aberración esférica
• 
  Asphericity guided: Permite corregir las dioptrías y, además, programar la asfericidad ideal en cada caso.

La imagen de la izquierda muestra una topografía real de un paciente intervenido con una tecnología que le eliminó correctamente las dioptrías, pero en una zona central pequeña. Cuando la pupila se le dilataba, en lugares mal iluminados, intervenía la zona roja de alrededor que tenía excesivas dioptrías y enfocaba mal las imágenes en la retina. Esta persona tenia dificultades para conducir en la noche. En la topografía de la derecha, después de tratarlo programando la esfericidad ideal para su ojo, se ha creado un perfil que le ha solucionado el problema de mala visión nocturna. Destaca en el perfil el centro elevado que compense la periferia.

La aberración longitudinal es, en óptica, la distancia a lo largo del eje óptico desde el foco de los rayos paraxiales hasta el punto en que los rayos provenientes de los bordes exteriores de las lentes o superficies reflectantes intersecan dicho eje.

En la aberración de cromatismo, la distancia, medida sobre el eje óptico, entre los focos de dos colores patrón.

Aberraciones Cromáticas Longitudinales vs Distancia de Enfoque.
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El presente artículo tiene como objetivos describir conceptualmente como se producen las aberraciones cromáticas longitudinales (en adelante ACL) y los efectos de las mismas. Ver de forma práctica la correlación entre esta aberración y la distancia de enfoque. Por último ver de forma práctica los efectos de las mismas sobre dos ópticas muy distintas en cuanto a focal, abertura máxima y uso habitual. Causa de la ACL.-La causa de esta aberración es la incapacidad de la óptica de enfocar correctamente en el mismo plano los tres espectros: rojo, verde y azul que por adición forman la gran mayoría de colores que pueden reproducir los sistemas fotográficos. La óptica lo hace en el mismo punto del plano en sentido lateral pero no lo hace en sentido longitudinal, podría decirse que es un "back-front focus"  de espectros. En la medida que cualquiera de los tres quede enfocado parcialmente por delante o por detrás del plano focal el color que se forma será la suma de los tres con la deficiencia aditiva de este. Que quede desenfocado de forma total es habitualmente difícil. A diferencia de las ACs laterales este tipo de aberración no modifica el tamaño de la imagen ya que todos los espectros de luz que corresponden a un determinado punto están en el mismo eje. A nivel de croquis descriptivos sencillos y con croquis detallados los tenéis disponibles en numerosas páginas en la red, en esta misma de Paul van Valree se describe de forma muy sencilla. Dependiendo de los países o autores del texto, también se les llama Aberraciones Cromáticas Axiales y/o Transversales.   Ópticas con este tipo de Aberración.-Todas las ópticas padecen de este tipo de aberración en mayor o menor grado. Las más propensas a padecer de ellas son las de focales largas y/o medias con aberturas máximas grandes o muy grandes y al revés. Esta descripción es generalista en cuanto al concepto, después hay que ir producto por producto para ver en que niveles o magnitud las tienen, grado de corrección de las mismas, etc...                                      ______________________
Proporcionalidad de las ACLs con la distancia de enfoque.-
Este es el apartado más importante del artículo ya que nos explicará de forma indirecta otros temas que veremos más adelante. Si las ACs Laterales se generan por un índice de difracción diferente, este índice tiene un diferencial de ángulo de salida determinado para cada focal y diafragma. Al ser un ángulo fijo, a mayor distancia de enfoque la magnificación es mayor por lo que sus efectos en la imagen se aprecian mucho más. En las ACLs pasa algo similar, con la óptica enfocando a infinito el desfase de longitudes de onda o la magnitud de la aberración que produce se manifiesta en su totalidad. A medida que la distancia de enfoque disminuye la magnitud va disminuyendo de forma progresiva. En los siguientes enlaces tenéis la misma carta (1/4 Din A4) colocada en la zona central y fotografiada a 2, 3, 4 y 5 mts. a f 1:1,8 (método a pie de página). | 2 mts. | 3 mts. | 4 mts. | 5 mts. | A partir de aquí, para no alargar el tema en exceso, cojo las cartas de 2 y 5 mts., las pongo en mosaico, hago zoom a 600%, busco la zona resolutiva con un contraste del 50% en la de 2 mts. y pongo al lado la escala equivalente en tamaño de los 5 mts. (16 para los 5 mts. y 25 para los 2 mts.). Con esta igualación aíslo la variante de una mayor magnificación del mismo objeto por parte de la más cercana. Después observo el tamaño de ambas ACs. De esta forma se podría medir la AC, estableciendo un % de la misma sobre el tamaño del sensor. Según mi criterio, entiendo que es el único camino de evaluar y/o trasladar la magnitud de las ACs sobre el plano focal. Hacerlo de forma lineal, o sea por píxeles, siempre penalizaría la misma óptica cuando se pruebe en una cámara con más resolución. *** La miniatura inferior es el link de descarga de la captura de pantalla a 1024 x 653 px.
5 mts.	2 mts.
En este momento me surge una duda importante, duda sobre la que yo puedo tener un criterio porque no se si está reglada o no (se admite info. para completar el tema). Viendo la miniatura superior se observa fácilmente que en la captura de pantalla de los 5 mts. hay un menor contraste (48% en sentido vertical y 32% para el horizontal), además, como suele suceder con los sistemas digitales que he probado (no está vinculado a una óptica en concreto), la máquina resuelve mejor las líneas verticales que las horizontales. El menor contraste de la captura de los 5 mts. se debe a un incremento notable de ACLs, llegan a tal magnitud que tenemos líneas horizontales con un color (128-158-150). Toda línea que supera los ocho píxeles y esta en el centro de la toma se aprecia claramente muy verde. Cuando la línea tiene un tamaño superior, siguen los ocho píxeles de afectación y en los restantes se consiguen uno valores R-G-B más lineales. Y ahora viene la duda: ¿que desviación máxima de los tres canales puede aceptarse como válida para dar por buena la escala resolutiva? Hay que recordar que hablamos de fotografía en color. En la toma de 2 mts. el contraste es superior (máx. 61%) y los tres canales están más nivelados, (122-140-146 en H y 122-132-142 en V.) A continuación damos una "vuelta de tuerca más" y bajamos varias escalas en ambas distancias hasta una ocupación de diez píxeles por línea. Abajo podéis ver un recorte al 600% de la escala en las dos distancias y dos recortes al 100% de la carta. Fijaros en el color de las líneas de los 5 mts.
5 mts. al 600% (10 Px.)	2 mts. al 600% (10 Px.)
5 mts. al 100% (10 Px.) vs Esc. nº 17	2 mts. al 100% (10 Px.) vs. Esc. nº 29
Por último y para que tengáis datos contrastables, promedio los tres canales y busco un contraste igual o superior al 50% en ambas distancias. Muestreo líneas en sentido vertical en la zona más preponderante. En este caso las ACLs penalizarán a los 5 mts. y la escala será de mayor magnitud para lograr ese 50%. 2 mts. Esc. nº 26  13 Pix. = 35 l.p./mm. (1649 lph) 5 mts. Esc. nº 16  14 Pix. = 32 l.p./mm. (1531 lph)                                                                                                         ______________________
Precisión en el enfoque.-Todas las muestras las pruebas se han hecho con enfoque manual y visión directa (LV). Dada la baja profundidad de campo de estos objetivos en su máxima abertura, cuando padecen de ACLs, un mínimo desfase de enfoque nos resalta una mayor ausencia de uno de los tres espectros o de dos según sea el desfase de foco por delante o por detrás. A continuación os pongo al 100% la misma carta con enfoque manual (LV) y con AF, previo ajuste fino de foco a 1,5 mts.
A 7 mts. de distancia AF	A 7 mts. de distancia MF (LV)
La carta de la derecha muestra el color y contraste en el mejor momento de foco con un 105-85-120 (R-G-B). La de la izquierda ha quedado con un levísimo enfoque atrasado y la preponderancia del los Verdes y Azules es muy evidente (75-110-110). No hubo forma de acercar más el color hacia el negro.                                                                                                  ______________________
Afectación de zonas y orientación.-Las ACLs tienen su mayor incidencia en la zona central del círculo de visión.
5 mts. al 100% centro (1/4 Carta)	5 mts. al 100% esquina  (1/4 Carta)
La menor incidencia de la ACL en las zonas laterales así como la mínima curvatura de plano de enfoque de la óptica propicia que veamos un poco menos afectadas las esquinas.                                                                                                     ______________________
Corrección de las ACLs.-
De igual forma que sucede con las ACs Laterales, las ACLs se mitigan/corrigen mediante el diafragmado y con mejores resultados que las anteriores. El diafragmado aumenta la profundidad de campo y con esta una mejor superposición de las tres longitudes de onda en el mismo punto. Arriba tenéis el mismo centro-esquina a 5 mts. y f 1;3,5. Todavía se ven afectados los detalles pequeños pero el cambio respecto a los 1,8 es muy notable.
Método de captura y procesado de las imágenes.-Todas la imágenes se han capturado en .RAW con enfoque MF y ayuda de visión directa (LV), las que se han hecho en AF se indica en la misma. - Trípode + Mando a distancia + bloqueo de espejo. - WB Fino en la zona que se indica la carta. - Muestreo RGB en la zona que se indica en la carta. - Ajuste de brillo máx. +/- 0,15 hasta alcanzar los 218-218-218 en la zona de muestreo. - Los archivos se han procesado con A.C.R. (CS3) con todos los ajustes estándar a excepción del enfoque: Cantidad 65 - Radio 0,8 - Detalle 25 - Guardado del JPG a máxima calidad.