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 (ou não diverge de) 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.
A aberração leva a indefinição da imagem produzida por um sistema óptico de formação de imagem. Os fabricantes de instrumentos ópticos precisam corrigir sistemas ópticos para compensar a aberração.
Os artigos sobre reflexão, refração e cáustica discutem as características gerais dos raios luminosos refletidos e refratados.
Perspectiva geral thumb|upright=1.5|Reflexão de um espelho esférico. Os raios incidentes (vermelhos) afastados do centro do espelho produzem raios refletidos (verdes) que perdem o ponto focal, F. Isto é devido à aberração esférica.
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 Pistão Tilt Desfoco Aberração esférica Coma Astigmatismo Campo de curvatura Distorção de imagem
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.
Aberrações cromáticas
Axial ou longitudinal Lateral ou transversal
Aberração monocromática 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.Encyclopædia Britannica (1911) entrada para
As investigações de James Clerk Maxwell (Phil.Mag., 1856; Quart. Journ. Math., 1858) e Ernst AbbeAs investigações de Ernst Abbe sobre óptica geométrica, publicadas originalmente apenas em suas palestras universitárias, foram compiladas pela primeira vez por S. Czapski em 1893. Ver abaixo a referência na íntegra. mostraram que as propriedades destas reproduções, isto é, a posição relativa e a magnitude das imagens, não são propriedades específicas dos sistemas ópticos, mas consequências necessárias da suposição (em Abbe) da reprodução de todos os pontos de um espaço nos pontos da imagem (Maxwell aceita uma hipótese menos geral), e são independentes da maneira na qual a reprodução é efetuada. Estes autores provaram, porém, que nenhum sistema óptico pode justificar estas suposições, uma vez que são contraditórias às leis fundamentais da reflexão e refração. Por conseguinte, a teoria de Gauss apenas fornece um método conveniente de aproximar a realidade; e nenhum construtor tentaria realizar este ideal inatingível. No momento, tudo o que pode ser tentado é reproduzir um único plano em outro plano; mas mesmo isso não tem sido completamente realizado satisfatoriamente, as aberrações sempre ocorrem, e é improvável que estas nunca serão totalmente corrigidas.
Esta, e questões gerais relacionadas, foram tratadas - além dos autores acima mencionados - por M. Thiesen (Berlin. Akad. Sitzber., 1890, xxxv. 799; Berlin. Phys. Ges. Verh., 1892) e H. Bruns (Leipzig. Math. Phys. Ber., 1895, xxi. 325) por intermédio da função característica de Sir W. R. Hamilton (Irish Acad. Trans., Theory of Systems of Rays, 1828, et seq.). A referência pode também ser feita ao tratado de Czapski-Eppenstein, pp. 155–161.
Aberração de pontos axiais (aberração esférica, no sentido restrito) direita|frame|Figura 1
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.
A maior abertura dos feixes de luz, que participam da reprodução de O, isto é, o ângulo u, é geralmente determinada pela margem de uma das lentes ou por um orifício numa placa fina colocada entre, antes, ou por detrás das lentes do sistema. Este orifício é chamado de stop ou diafragma; Abbe utilizou o termo stop de abertura, para o orifício e a margem de limitação das lentes. O componente S1 do sistema, situado entre o stop de abertura e o objeto O, projeta uma imagem do diafragma, denominada por Abbe de a pupila de entrada; a pupila de saída é a imagem formada pelo componente S2, que é colocado por trás do stop de abertura. Todos os raios de luz que emanam de O e passam pelo stop de abertura também passam através das pupilas de entrada e de saída, uma vez que estas são as imagens do stop de abertura. Uma vez que a abertura máxima dos feixes emitidos de O é o ângulo u subtendido pela pupila de entrada neste ponto, a magnitude da aberração será determinada pela posição e o diâmetro da pupila de entrada. Se o sistema estiver totalmente atrás do stop de abertura, então esta é a própria pupila de entrada (stop de frente); se estiver inteiramente na frente, é a pupila de saída (stop de trás).
Se o ponto objeto estiver infinitamente distante, todos os raios recebidos pelo primeiro membro do sistema são paralelos, e suas interseções, depois de atravessarem o sistema, variam de acordo com a sua altura perpendicular de incidência, isto é, a sua distância do eixo. Esta distância substitui o ângulo u nas considerações anteriores; e a abertura, ou seja, o raio da pupila de entrada, é o seu valor máximo.
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 direita|frame|Figura 2
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.
Sir Isaac Newton foi, provavelmente, o descobridor da astigmação; a posição das linhas de imagem astigmática foi determinada por Thomas Young A Course of Lectures on Natural Philosophy, 1807); e a teoria foi desenvolvida por Allvar Gullstrand.Gullstrand, Skand. Arch. f. Physiol., 1890, 2, p. 269; Allgemeine Theorie der monochromat. Aberrationen, etc., Upsala, 1900; Arch. f. Ophth., 1901, 53, pp. 2, 185 A bibliografia por P. Culmann é dada em Die Bilderzeugung in optischen Instrumenten de Moritz von Rohr.Moritz von Rohr, Die bilderzeugung in optischen Instrumenten vom Standpunkte der geometrischen Optik (Berlim, 1904)
Aberração de pontos objetos laterais com feixes de luz largos. Coma