Cuando utilizamos sistemas ópticos reales es habitual que se produzcan ciertas desviaciones o comportamientos no esperados respecto a los modelos ideales. Llamamos aberraciones ópticas a estas desviaciones y son debidas fundamentalmente a que no se cumplen en todo momento las aproximaciones ópticas que hemos hecho en teoría. En este apartado estudiaremos sus principales tipos:

Las aberraciones monocromáticas se producen por las propias leyes de la reflexión y la refracción y no por ningún defecto de construcción de los dispositivos ópticos. Las aberraciones cromáticas se producen fundamentalmente por la dispersión de la luz

Empecemos.

Esférica

Se produce cuando los rayos paralelos próximos al eje óptico (rayos paraxiales) de una lente esférica o de un espejo esférico se concentran en un punto y los alejados del eje óptico en otro, en lugar de hacerlo todos en el foco, como en el caso ideal. Este comportamiento es inevitable y se debe a la propia simetría esférica de las superficies.

Ejemplo de aberración esférica en espejo esférico y en lente convergente

Aberración esférica

Abajo una lente esférica y arriba un espejo esférico. Los rayos alejados del eje óptico  convergen a distinta distancia que los cercanos al mismo. Este efecto quedaba disimulado con la aproximación paraxial, al entenderse que todos los rayos eran próximos al eje.

La aberración esférica puede corregirse de distintas maneras:

  • utilizando un diafragma que impida el paso de los rayos más alejados del eje óptico
  • combinando lentes con efectos opuestos 
  • usando superficies parabólicas en lugar de esféricas

A las lentes con la aberración esférica corregida se les denomina asféricas.

A la superficie envolvente formada en un dispositivo con aberración esférica se le denomina cáustica. Si esta se forma por refracción se la suele denominar también diacáustica y si se forma por reflexión, catacáustica.

Cáustica en superficie refractora y reflectora

Cáusticas

En la imagen izquierda se observa, transversalmente, la formación de una cáustica en una lente. La denominamos dicáustica, al ser la lente una superficie refractora. Por otro lado, en la imagen derecha se observa, desde arriba y tras su reflexión en una superficie esférica, la envolvente de los rayos que llegan paralelos a un espejo esférico. A esta cáustica, formada por reflexión, se la denomina más específicamente catacáustica.

Coma

Es un efecto parecido a la aberración esférica, pero en esta ocasión se produce cuando los rayos procedentes de la fuente de luz no llegan paralelos con el eje óptico sino oblicuos. Es muy habitual en los telescopios, dónde provoca que la imagen de algunas estrellas aparezcan como comas ortográficas, de ahí su nombre.

Ejemplo de coma en lente convergente

Coma

Los rayos que llegan oblicuos a la lente de la figura convergen en distintos puntos del plano focal, haciendo que la imagen tenga forma de coma ortográfica o cometa, en lugar de punto.

Para corregir el coma se usan también combinaciones de lentes o/y diafragmas. A las lentes con la aberración esférica y el coma corregido se les denomina aplatánicos.

Astigmatismo

El astigmatismo se produce cuando el dispositivo proyecta planos distintos (por ejemplo el plano vertical o el horizontal) a distintas distancias.  Es debido a que el dispositivo en cuestión presenta distintas curvaturas para distintos planos, tal y como se estudió en el apartado del ojo.

Ejemplo de lente con astigmatismo

Astigmatismo

En la imagen una lente con astigmatismo ( astigmática ), proyecta los objetos horizontales y verticales a distintas distancias. Por ello, la lente no permite enfocar a la vez objetos horizontales y verticales.

Para corregirlo se utilizan lentes cilíndricas. A un dispositivo con el astigmatismo corregido se le denomina anagtismático.

Curvatura de campo

Sabemos que las lentes proyectan los rayos paralelos, idealmente, a una distancia de la misma igual a su distancia focal f. Si sitúas una pantalla plana a una distancia f de la lente, para proyectar la imágenes de los objetos sobre la misma, no habrá problema para los puntos próximos al eje óptico. Sin embargo, para los puntos alejados del eje óptico, los rayos convergen antes de llegar a la pantalla. A este fenómeno se le denomina curvatura de campo o curvatura de Petzbal. Se produce sobre todo cuando se trata de formar la imagen de un objeto plano extenso.

Ejemplo de curvatura de campo

Curvatura de campo

En la imagen izquierda, los rayos en rojo provienen de puntos próximos al eje óptico. Estos forman su imagen sobre la pantalla. Por contra, los rayos en amarillo provienen de puntos alejados del eje, que forman su imagen antes de llegar a la pantalla, dando lugar a la curvatura de campo. A la derecha, ejemplo concreto del efecto que produce en la imagen de un objeto. La imagen formada aparece sobre una superficie curva, cuya curvatura es el recíproco del radio de la lente, y denominada superficie de Petzval.

La curvatura de campo es muy habitual en microscopios. Para corregir esta aberración se suelen usar lentes especiales cuya distancia focal varía con el ángulo de los rayos.

Distorsión

El aumento lateral de algunos sistemas ópticos varía con la distancia al eje óptico, lo cual hace que las distintas partes del objeto formen las distintas partes de su imagen con distintos tamaños. Expresado de otra manera, una lente magnifica de distinta manera en el centro que en la periferia, lo que lleva a diferencias geométricas entre la imagen y el objeto. Así, por ejemplo, para un objeto en forma de malla podemos distinguir las distorsiones de la figura:

Distorsión de corsé y de barril

Distorsión

A la izquierda, la imagen de un objeto en forma de malla cuando no se presenta distorsión. La geometría de la imagen coincidiría con la del propio objeto. En el centro, vemos el efecto de la distorsión de corsé, también llamada de cojín. Esta distorsión se considera positiva, ya que la distancia al eje de la imagen aumenta, respecto a la imagen sin distorsión, en aquellas partes más alejadas del propio eje. A la derecha vemos el efecto de la distorsión de barril o tonel. Esta distorsión se considera negativa ya que la distancia al eje de la imagen disminuye, respecto a la imagen sin distorsión, en aquellas partes más alejadas del eje. Para que puedas apreciar esto hemos colocado el objeto sin distorsión, semi transparente, tras la imagen de la distorsión de corsé y de barril.

Cromática

La aberración cromática se produce debido a que distintos colores se refractan con distintos ángulos, debido al fenómeno de la dispersión. Se trata por tanto de un fenómeno que sólo se produce en las lentes, no en los espejos.

Aberración cromática

Aberración cromática

La distancia focal de una lente es mayor para la luz roja que para la azul, debido a la variación del índice de refracción con la longitud de onda con lo que la imagen no se formará adecuadamente.

La aberración cromática se da incluso en los rayos paraxiales, haciendo que los bordes de las imágenes aparezcan coloreados y mal definidos. Para corregirla se recurre a los dobletes acromáticos que son parejas de lentes de materiales distintos, uno de índice bajo (normalmente vidrio crown) y otro de índice alto (normalmente vidrio flint). El sistema de ambas lentes tiene la distancia focal deseada.

Par acromático

Doblete acromático

Un par acromático o doblete acromático es una pareja de lentes, una convergente y otra divergente, con distinto índice de refracción, y en contacto, de manera que se cancela la aberración cromática total.

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