Aberración esférica

Qué es la aberración esférica

Toda lente de superficies esféricas, es decir, que forman parte de una esfera, desvía la luz de forma distinta según la zona por la que entra el rayo. Los rayos que cruzan cerca del eje óptico, llamados paraxiales, se comportan como predice la óptica geométrica elemental y convergen en el foco. Los que atraviesan zonas más alejadas se refractan con un ángulo algo diferente y acaban reuniéndose antes o después. La imagen no es un punto nítido sino una mancha difusa. Ese desfase entre el foco de los rayos centrales y el de los periféricos es la aberración esférica.

Aberración llegó al español por el inglés aberration, y este del latín aberratio, -ōnis («desvío», «distracción»). Esférica viene del griego σφαιρικός (sphairikós), «relativo a la esfera», derivado de σφαῖρα (sphaîra), «bola, globo». El adjetivo señala la causa: la curvatura esférica de la lente. A mediados del siglo XIX, Ludwig von Seidel clasificó las cinco aberraciones monocromáticas primarias que hoy llevan su nombre (esférica, coma, astigmatismo, curvatura de campo y distorsión), un esquema que sigue en uso en la óptica instrumental.

Aberración esférica positiva y negativa

Se habla de aberración esférica positiva cuando los rayos periféricos convergen por delante del foco paraxial, porque se refractan de más, y de negativa cuando lo hacen por detrás, porque se refractan de menos. La distinción tiene consecuencias prácticas: un elemento con aberración positiva y otro con aberración negativa pueden anularse entre sí, y ese es precisamente el recurso que emplea el ojo.

El grado de aberración depende del diámetro de la apertura. Con una apertura pequeña solo entran rayos próximos al eje y el defecto casi no se aprecia; a medida que se ensancha, los rayos periféricos pesan cada vez más y la mancha focal crece. En el ojo, eso se traduce en que la aberración esférica se acentúa cuando la pupila se dilata.

Aberración esférica en el ojo

La córnea humana, convexa, introduce aberración esférica positiva: los rayos de su periferia se refractan algo más que los centrales. El cristalino joven aporta lo contrario, una aberración negativa, gracias a un gradiente de índice de refracción interno. Los dos efectos se compensan en buena parte, y la aberración esférica del ojo entero resulta menor que la de la córnea sola.

Con los años el equilibrio se rompe. La aberración esférica del cristalino pasa de negativa a positiva, de modo que deja de contrarrestar a la córnea y la del ojo completo se vuelve más positiva. Es una de las razones por las que la calidad óptica del ojo disminuye con la edad.

Sobre todo ello actúa el tamaño de la pupila. Con luz abundante se contrae y pasan casi solo rayos paraxiales; en penumbra se dilata, entran rayos periféricos y la imagen retiniana pierde contraste. Es una de las explicaciones parciales de que la visión nocturna sea menos nítida que la diurna.

Diferenciación con la aberración cromática

La esférica y la cromática son las dos aberraciones que más se citan a propósito del ojo, y su mecanismo no tiene nada en común. La primera es monocromática: aparece con luz de un solo color y obedece a la geometría curva de la lente. La segunda surge porque el índice de refracción varía con la longitud de onda, de modo que cada color converge en un punto distinto. Puede haber aberración esférica sin cromática, con luz monocromática, y en el ojo real ambas conviven.

Preguntas frecuentes

¿Por qué se llama esférica esta aberración?

Porque nace de la curvatura esférica de la lente: una superficie esférica no reúne en un solo foco todos los rayos paralelos. El nombre viene del griego σφαῖρα (sphaîra), «bola», y del latín aberratio, «desvío».

¿Es lo mismo aberración esférica que astigmatismo?

No. El astigmatismo se debe a que la superficie óptica tiene una curvatura desigual según el meridiano, más curvada en un eje que en el perpendicular. La aberración esférica, en cambio, es simétrica respecto al eje y depende de la distancia a él, no de la orientación.

¿Influye el tamaño de la pupila?

Sí, y mucho. Cuanto mayor es la pupila, más rayos periféricos entran y más pesa la aberración esférica. Con una pupila pequeña, el defecto prácticamente desaparece.

¿Cómo se mide la aberración esférica del ojo?

Con un aberrómetro, que analiza el frente de onda de la luz que emerge del ojo y lo descompone en polinomios de Zernike. La aberración esférica corresponde al término C(4,0) de esa descomposición, y se expresa en micras.

Referencias

1. Universidad de Murcia, Laboratorio de Óptica. Mechanism of compensation of aberrations in the human eye. Journal of the Optical Society of America A.
2. Biblioteca Nacional de Medicina de Estados Unidos. Mathematics of Zernike polynomials: a review. Clinical and Experimental Ophthalmology. PubMed.
3. Mejía Barbosa Y. El frente de onda y su representación con polinomios de Zernike. Ciencia y Tecnología para la Salud Visual y Ocular.
4. Real Academia Española. Aberración. Diccionario de la lengua española.