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26.6: Aberrações

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    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Descreva a aberração óptica.

    As lentes reais se comportam de forma um pouco diferente de como são modeladas usando as equações de lentes finas, produzindo aberrações. Uma aberração é uma distorção em uma imagem. Há uma variedade de aberrações devido ao tamanho da lente, ao material, à espessura e à posição do objeto. Um tipo comum de aberração é a aberração cromática, que está relacionada à cor. Como o índice de refração das lentes depende da cor ou do comprimento de onda, as imagens são produzidas em locais diferentes e com diferentes ampliações para cores diferentes. (A lei da reflexão é independente do comprimento de onda e, portanto, os espelhos não têm esse problema. Essa é outra vantagem para espelhos em sistemas ópticos, como telescópios.) \(\PageIndex{1a}\)A figura mostra a aberração cromática para uma única lente convexa e sua correção parcial com um sistema de duas lentes. Os raios violetas são mais curvados do que vermelhos, pois têm um maior índice de refração e, portanto, são focados mais perto da lente. A lente divergente corrige parcialmente isso, embora geralmente não seja possível fazê-lo completamente. Lentes de diferentes materiais e com diferentes dispersões podem ser usadas. Por exemplo, um gibão acromático que consiste em uma lente convergente feita de vidro de coroa e uma lente divergente feita de vidro de sílex em contato pode reduzir drasticamente a aberração cromática (Figura\(\PageIndex{1b}\)).

    A parte a mostra uma única lente convexa. Os raios da fonte de luz branca estão atingindo as bordas e o eixo óptico da lente. O espectro visível da luz é refratado da lente e está caindo no eixo. Os raios violetas se curvaram mais do que os vermelhos e estão focados mais perto da lente mostrada como pontos V e R em locais diferentes. A parte b mostra uma lente dupla acromática. Os raios da fonte de luz branca estão atingindo as bordas e o eixo óptico da lente. Os raios estão sendo refratados dentro da lente e um espectro visível de luz está caindo em um ponto do eixo mostrado como um ponto.
    Figura\(\PageIndex{1}\): (a) A aberração cromática é causada pela dependência do índice de refração da lente na cor (comprimento de onda). A lente é mais potente para violeta (V) do que para vermelho (R), produzindo imagens com diferentes localizações e ampliações. (b) Os sistemas de lentes múltiplas podem corrigir parcialmente as aberrações cromáticas, mas podem exigir lentes de materiais diferentes e aumentar as despesas de sistemas ópticos, como câmeras.

    Muitas vezes, em um sistema de imagem, o objeto está fora do centro. Consequentemente, partes diferentes de uma lente ou espelho não refratam nem refletem a imagem no mesmo ponto. Esse tipo de aberração é chamado de coma e é mostrado na Figura\(\PageIndex{2}\). A imagem neste caso geralmente aparece em forma de pêra. Outra aberração comum é a aberração esférica, em que os raios convergindo das bordas externas de uma lente convergem para um foco mais próximo da lente e os raios mais próximos do eixo focam ainda mais (Figura\(\PageIndex{3}\)). As aberrações devido ao astigmatismo nas lentes dos olhos são discutidas em “Correção da visão”, e um gráfico usado para detectar o astigmatismo é mostrado no link. Essas aberrações também podem ser um problema com lentes fabricadas.

    A imagem mostra uma lente biconvexa. Raios provenientes de pontos que não estão no eixo óptico estão atingindo a lente. Os pares de raios convergem em diferentes pontos focais, mas não há um ponto em que todos os raios converjam.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Um coma é uma aberração causada por um objeto que está fora do centro, geralmente resultando em uma imagem em forma de pêra. Os raios se originam de pontos que não estão no eixo óptico e não convergem em um ponto focal comum.
    A imagem mostra uma lente convergente esférica. Os raios de luz estão atingindo a lente e convergindo em pontos diferentes. Essas posições de foco dependem da zona da lente que a luz atinge.
    Figura\(\PageIndex{3}\): A aberração esférica é causada por raios que se concentram em diferentes distâncias da lente.

    A imagem produzida por um sistema óptico precisa ser clara o suficiente para ser discernida. Muitas vezes, é um desafio obter uma imagem suficientemente clara. O brilho é determinado pela quantidade de luz que passa pelo sistema óptico. Os componentes ópticos que determinam o brilho são o diâmetro da lente e o diâmetro das pupilas, diafragmas ou batentes de abertura colocados na frente das lentes. Os sistemas ópticos geralmente têm pupilas de entrada e saída para reduzir especificamente as aberrações, mas também inevitavelmente reduzem o brilho. Consequentemente, os sistemas ópticos precisam encontrar um equilíbrio entre os vários componentes usados. A íris no olho se dilata e se contrai, atuando como uma pupila de entrada. Você pode ver objetos com mais clareza olhando através de um pequeno orifício feito com a mão em forma de punho. Apertar os olhos, ou usar um pequeno orifício em um pedaço de papel, também tornará o objeto mais nítido.

    Então, como as aberrações são corrigidas? As lentes também podem ter superfícies de formato especial, em oposição à forma esférica simples que é relativamente fácil de produzir. As lentes de câmera caras têm um diâmetro grande, de modo que podem captar mais luz e precisam de vários elementos para corrigir várias aberrações. Além disso, os avanços na ciência dos materiais resultaram em lentes com uma variedade de índices de refração — tecnicamente chamadas de lentes de índice graduado (GRIN). Os óculos geralmente têm a capacidade de fornecer uma variedade de habilidades de focagem usando técnicas semelhantes. As lentes GRIN são particularmente importantes no final das fibras ópticas em endoscópios. Técnicas avançadas de computação permitem uma série de correções nas imagens depois que a imagem é coletada e certas características do sistema óptico são conhecidas. Algumas dessas técnicas são versões sofisticadas do que está disponível em pacotes comerciais como o Adobe Photoshop.

    Resumo

    • Aberrações ou distorções de imagem podem surgir devido à espessura finita dos instrumentos ópticos, imperfeições nos componentes ópticos e limitações na forma como os componentes são usados.
    • Os meios para corrigir aberrações variam de componentes melhores a técnicas computacionais.

    Glossário

    aberração
    falha dos raios em convergir em um foco devido a limitações ou defeitos em uma lente ou espelho