Le aberrazioni del sistema ottico
Se porti occhiali o usi binocoli, oppure se sei un appassionato di fotografia, hai sicuramente sentito parlare delle aberrazioni ottiche.
Ma cosa sono di preciso? E perché disturbano la nostra visione e i nostri strumenti?
Un sistema ottico si considera perfetto quando dirige il fascio luminoso proveniente da un punto oggetto verso un singolo punto immagine.
Questa condizione è solo teorica e non avviene nella realtà, perché intervengono vari fattori come la diffrazione e dispersione della luce, le imperfezioni delle superfici ottiche, le qualità dei materiali e le geometrie del sistema ottico.
Del resto, si dice che la perfezione non esiste!
Il sistema ottico può essere semplice quando è fatto da un solo strumento come una lente, un prisma o una lamina, oppure composto quando è realizzato da un insieme di più strumenti, ad esempio un cannocchiale, un binocolo, un microscopio, un telescopio o un periscopio.
Le aberrazioni si dividono in 2 tipi, quelle geometriche e quelle cromatiche.
Le aberrazioni geometriche comprendono l’ aberrazione sferica, l’ astigmatismo da fasci obliqui, il coma, la curvatura di campo e la distorsione.
Le aberrazioni cromatiche comprendono l’ aberrazione cromatica assiale e quella extra-assiale.
Aberrazione sferica
L’ aberrazione sferica avviene perché i raggi di luce che incidono nelle zone periferiche della lente vanno a fuoco a una distanza diversa rispetto a quelli che incidono nella zona centrale vicino all’ asse ottico.
In un certo senso, è come se il potere diottrico della lente, sia positiva che negativa, aumentasse nella sua periferia.
L’ aberrazione sferica è definita come la distanza tra i due punti focali estremi, cioè tra quello più vicino alla lente e quello più lontano.
L’ aberrazione sferica si può risolvere usando le lenti asferiche o quelle biasferiche, cioè lenti che non seguono la curvatura di una sfera ma di un ellisse.
Queste lenti sono più piatte e sottili di quelle sferiche e offrono una visione migliore soprattutto nelle zone periferiche.
Astigmatismo da fasci obliqui
L’ astigmatismo da fasci obliqui si crea quando l’ oggetto osservato non è sull’ asse ottico del sistema ma si trova in un punto extra-assiale.
I raggi luminosi provenienti dall’ oggetto incidono in obliquo sul sistema ottico, quindi non arrivano più frontalmente sulla lente ma in diagonale.
Di conseguenza il fascio di luce non converge in un punto ma origina 2 linee focali separate tra loro e la distanza tra le focali è chiamata intervallo di Sturm. Le immagini astigmatiche derivano dai raggi obliqui.
Coma
Il coma è un aberrazione creata dalla presenza contemporanea dell’ aberrazione sferica e dell’ astigmatismo da fasci obliqui e perciò possiamo definire il coma come una aberrazione sferica extra-assiale.
Curvatura di campo
La curvatura di campo è una aberrazione che causa una flessione delle linee dell’ immagine che si crea per l’ effetto della superficie curva della lente.
Dipende dal potere della lente stessa e dalla distanza dell’ oggetto osservato. In pratica l’ immagine di un oggetto piano si forma su una superficie curva chiamata superficie di Petzval.
Nelle lenti oftalmiche la curvatura di campo non è corretta perché la retina dell’ occhio è curva. Un sistema ottico corretto dalla curvatura di campo si dice planeico.
Distorsione
La distorsione è un’ aberrazione che avviene in presenza di oggetti non puntiformi ma estesi, perché la lente non ha un ingrandimento laterale uniforme in tutto il suo campo.
Dipende anche dalla distanza dell’ immagine dall’ asse ottico. Le distorsioni sono a barile o a cuscino. Un diaframma posto davanti o dietro la lente elimina la distorsione. Nell’ occhio la pupilla funziona da diaframma.
Aberrazione cromatica
Finora abbiamo considerato la luce come un raggio monocromatico, cioè formato da una sola lunghezza d’ onda.
In realtà non è così perché la luce è fatta da radiazioni diverse, ognuna con la sua lunghezza d’ onda e la sua frequenza. Ogni radiazione corrisponde a un colore. Per questo parliamo di aberrazione cromatica.
Assiale
Quando un raggio policromatico viene rifratto da un mezzo ottico le radiazioni diverse che lo compongono non vanno a fuoco in un singolo punto.
Quelle a lunghezza d’ onda più corta (e maggiore frequenza) vanno a fuoco prima di quelle a lunghezza d’ onda più lunga (e minore frequenza). Ad esempio la radiazione blu va a fuoco prima di quella rossa.
Si definisce aberrazione cromatica la distanza tra i punti focali estremi oppure l’ ampiezza trasversale dei dischi di confusione creati.
Extra-assiale
L’ aberrazione cromatica extra-assiale esiste quando le radiazioni policromatiche incidenti sul sistema ottico si trovano fuori dall’ asse ottico del sistema stesso. In questo caso ci sono anche vari ingrandimenti dell’ immagine.
E le lenti degli occhiali?
Dopo tutte queste informazioni, viene spontanea una domanda. Le lenti degli occhiali sono “afflitte” da aberrazioni? Si, lo sono e vediamo perché!
Per prima cosa i raggi luminosi incidono sulla lente da tutte le direzioni, non solo lungo l’ asse ottico, poi la attraversano in ogni punto, non solo nel centro ottico. Già questo è sufficiente a creare le aberrazioni.
Secondo, gli occhi non fissano sempre e solo attraverso il centro ottico della lente, ma ruotano guardando anche attraverso zone di lente periferiche e quindi aberrate.
Inoltre dobbiamo considerare che le lenti oftalmiche non sono sull’ occhio come le lenti a contatto, ma sono distanziate da esso e anche questo crea le aberrazioni.
Infatti le lenti a contatto sono praticamente prive di aberrazioni poiché appoggiano sull’ occhio e ruotano con esso, quindi possiamo dire che la visione con le lenti a contatto è solitamente superiore a quella con gli occhiali ed è la più vicina alla visione naturale.