У оптици, таласни фронт је део електромагнетног поља светлости за који је дужина оптичког пута од тачкастог извора из ког потиче једнака. У начелу, то значи да су све тачке таласног фронта у истој фази (ово опште правило не важи за неке посебне случајеве, као што је ласерски сноп). Као такав, оптички таласни фронт може да се замисли као површина чији облик је одређен разликама у дужини физичког (стварног) пута таласа који га сачињавају.
Таласни фронт тачкастог извора светлости
Пошто светлосни таласи, као и електромагнетни таласи уопште, настају избацивањем вишка енергије нестабилних електрона у атомском електронском овоју, основни извор светлости је атом или, практично говорећи, тачка.
thumb|СВЕТЛОСНИ ТАЛАС И ТАЛАСНИ ФРОНТ Слика десно приказује тачкасти извор светлости у уједначеној проводној оптичкој средини. Горе је приказано ширење светлосних таласа гледано под правим углом на раван простирања. У средини је приказано простирање таласа гледано са стране, дуж једне линије простирања (црвена линија на горњој слици), и доле је тродимензионални приказ тачкастог извора и сферних таласних фронтова који се шире у простор (напомена: тродимензионални приказ, ради јасноће, има већу таласну дужину, односно већи размак између таласних фронтова у истој фази).
Тачке таласа које су на истој удаљености од извора су у истој фази. Замишљена површина састављена од ових тачака представља таласни фронт. У овом случају - т.ј. у случају тачкастог извора светлости у уједначеној оптичкој средини - таласни фронт је испупченог сферног облика. Мали део овог сферног таласног фронта на врло великој удаљености од извора - као што је случај са небеским телима посматраним са Земље, пре уласка светлости у Земљину атмосферу - је практично равна површина. Облик таласног фронта се мења у зависности од облика и својстава оптичких средина на његовом путу.
Таласни фронт и оптички зраци
thumb|ОПТИЧКИ ЗРАЦИ И ТАЛАСНИ ФРОНТ Као што слика горе показује, оптички зраци су праве линије нормалне на површину таласног фронта који ствара тачкасти извор светлости. По Малус-Дупаовој (Malus-Dupin) теорији, зраци остају нормални у односу на таласни фронт после неограниченог броја преламања и одбијања на оптичким површинама.
Слика десно приказује таласне фронтове и зраке пре и после проласка кроз сабирно сочиво (линије таласног фронта и поредбених сфера су продужене изван излазног оптичког отвора да би се јасније показао облик таласног фронта, који у односу на поредбену сферу Гаусове жиже има већу дубину сразмерно чиниоцу који се повећава са четвртим степеном висине тачке у излазном отвору). Кад је облик таласног фронта сферан, сви зраци се секу у истој тачки, у центру закривљености сфере (горе). Кад облик таласног фронта одступа од сферног, зраци се више или мање разилазе и заједничка жижа више не постоји (доле). Ово геометријско разилажење зрака указује на то да ни светлосни таласи не стижу сви у истој фази у средишњу тачку, т.ј. да је енергија слике тачке расута, и ниво каквоће оптичке слике снижен.
Пошто је површина таласног фронта дефинисана дужином оптичког пута зрака, и један и други појам су геометријске категорије. Разлика је, међутим, у томе да таласни фронт - тачније, његово одступање од савршеног сферног облика - непосредно одређује фазу таласа који крећу са његове површине и срећу се у слици тачке. Тиме је таласни фронт повезан са физичком оптиком, за разлику од оптичких зрака који имају само геометријска својства, невезана са таласном природом светлости.
Геометријска теорија светлости претпоставља да се светлост шири у виду оптичких зрака, т.ј. дуж правих линија са почетком у тачкастом извору. Ширење зрака се одвија у складу са три закона: законом правог кретања, законом преламања светлости, и законом одбијања светлости.
У основи, то значи да је путања зрака у оптички уједначеној (у погледу индекса преламања) средини увек права линија, а до промене смера зрака долази у граничној тачки између две проводне средине са различитим индексом преламања - ако се облик површине средине у коју таласни фронт улази разликује од облика таласног фронта - или у тачки огледала на путањи зрака. У првом случају ради се о преламању (рефракцији), а у другом о одбијању (рефлексији) светлости.
Дужина оптичког пута
Дужина оптичког пута мери се дуж путање зрака, и једнака је збиру производа физичког пута зрака и индекса преламања за сваку оптичку средину кроз коју је светлост прошла:
(1)
где је n индекс преламања или индекс одбијања светлости, а L је физичка дужина путање зрака кроз дату оптичку средину, а i је редни број за сваку од средина кроз које светлост пролази. У случају одбијања светлости, индекс мења знак, али се такође мења знак физичког пута, јер се мења смер простирања светлости, тако да се претходне и потоње оптичке дужине пута додају.
Уколико се физички пут различитих зрака у датој оптичкој средини, услед облика оптичке површине, разликује, тачке таласа у истој фази ће променити међусобни положај у простору, тј. таласни фронт ће или променити смер простирања, или облик (уз напомену да је промена облика такође вид промене смера простирања у ком је промена смера различита за различите делове таласног фронта).
Промена облика таласног фронта
Изворни облик таласног фронта који ствара тачкасти извор светлости је испупчен (у правцу кретања) сферни, који на великим удаљеностима од извора за површину отвора оптичког склопа практично постаје раван. Да би створио слику тачке, т.ј. оптичку слику предмета, оптички склоп мора да промени облик таласног фронта у сферни удубљени.
Било какво одступање од сферног облика таласног фронта који ствара слику у оптичком склопу - тј. оптичке аберације - снижава ниво каквоће оптичке слике.
thumb|ПРОМЕНА ОБЛИКА ТАЛАСНОГ ФРОНТА КАО ПОСЛЕДИЦА ОБЛИКА И СВОЈСТВА ОПТИЧКЕ СРЕДИНЕ Слика десно приказује примере промене смера и облика таласног фронта. Лево је призма која не мења облик таласног фронта, само његов правац кретања. Промена је проузрокована разликом у дужини физичког пута тачака таласног фронта са истом дужином оптичког пута, т.ј. са истом фазом.
Пошто се светлост кроз средину са већим индексом преламања креће спорије (брзина светлости у датој средини је обрнуто сразмерна индексу преламања, што значи да је брзина светлости у вакууму - практично, и у ваздуху - према брзини светлости у тој средини једнака индексу преламања), тачке таласног фронта са краћим путем кроз спорију средину су после проласка таласног фронта кроз њу померене унапред у односу на тачке таласног фронта са дужим путем кроз ту средину.
Пошто су ове тачке после проласка кроз призму промениле свој међусобни положај, више нема зрачења у фази у првобитном правцу кретања таласног фронта (мада, на основу Хајгенсовог принципа, таласи настављају да се простиру и у том правцу). Нови правац простирања таласног фронта је одређен новим међусобним положајем тачака таласног фронта после проласка кроз призму, тим што таласи који се простиру у том правцу остају у фази, т.ј. стварају нови таласни фронт.
Непосредно везано за промену правца таласног фронта је преламање и одбијање оптичких зрака, сагласно са Снеловим законом и Фермаовим принципом.
По истом принципу стварања разлике у физичком путу тачака таласног фронта, мења се облик таласног фронта по проласку кроз сабирно сочиво (десно горе), и услед одбијања од површине удубљеног огледала (десно доле). У случају приказаног равног улазног таласног фронта, и сочиво и огледало стварају слику на удаљености једнакој њиховој жижној даљини, с тим што је она за сочиво три пута дужа од његовог полупречника закривљености, а у случају огледала два пута краћа. Уколико су површине сферне, таласни фронт ни у једном ни у другом случају није сферног облика, а грешка таласног фронта у оба случаја је сферна аберација. Облик грешке таласног фронта мења се у зависности од његовог улазног облика и угла са једне, и од облика и својстава оптичких елемената са друге стране.
Графичко представљање таласног фронта
Таласни фронт у излазном оптичком отвору је приближно сферног облика, али су размере његовог одступања од сфере врло мале, чак и када је грешка, према оптичким мерилима, врло велика. Из овог разлога, у било којој практичној скали величине цртежа таласног фронта, он би се поклапао са поредбеном сфером.
Због тога, таласни фронт се графички не представља непосредно, него као одступање од поредбене сфере. Ово одступање, дато у малим јединицама - обично у таласној дужини светлости, у микронима, или у нанометрима - може се произвољно увећати, приказујући графички особине и ниво каквоће таласног фронта. По правилу, поредбена сфера је представљена као права линија.
Одступање таласног фронта може се представити на три начина: као пресек дуж одређеног меридијана, као мапа одступања за целу површину таласног фронта, и као тродимензионални приказ одступања.
Који од ова три облика представљања одступања таласног фронта од поредбене сфере је најпогоднији зависи од особина таласног фронта и оквира у ком се разматра. У случају радијално симетричног одступања (на пример, сферна аберацја или дефокус), једноставан пресек одступања по произвољном меридијану таласног фронта даје све потребне податке о његовим геометријским својствима. У случају асиметричних облика одступања, за то је неопходна мапа, или тродимензионални приказ таласног фронта. У начелу, мапа даје тачнију слику, али тродимензионални приказ је непосреднији.
thumb|ПРИКЗИВАЊЕ ОДСТУПАЊА ТАЛАСНОГ ФРОНТА ОД ПОРЕДБЕНЕ СФЕРЕ Слика десно показује ова три облика представљања одступања таласног фронта за примарну сферну аберацију, кому астигматизам, у најбољој жижи. Испрекидана сива линија на приказу пресека означава линију спољног обода површине која садржи одступања таласног фронта у свакој његовој тачки. Заједно са линијом пресека, она ствара контуру целе ове површине како би изгледала гледана са стране.
Грешка таласног фронта
Грешка таласног фронта светлости је одступање његове површине од површине савршене поредбене сфере. Ова грешка се по правилу утврђује у излазном отвору оптичког склопа, а савршена поредбена сфера је сфера која садржи излазни оптички отвор, са центром закривљености у тачки жиже. Грешка таласног фронта може бити последица већег броја чинилаца, од својстава оптичких површина и њиховог неправилног положаја, до температурне неуједначености ваздуха кроз који се светлост (т.ј. таласни фронт) креће.
Значај грешке таласног фронта је у томе што је она непосредно повезана са фазом у којој таласи светлости са таласног фронта стижу у жижу. Фаза сваког појединачног таласа са целе површине таласног фронта одређује допринос енергије од стране тог таласа у свакој тачки слике, а збирни допринос свих таласа одређује распоред енергије у физичкој слици тачке, т.ј. каквоћу оптичке слике. То чини таласни фронт средством за утврђивање особина физичке, т.ј. стварне слике коју ствара оптички склоп.
Уобичајено је да се грешка таласног фронта назива "разликом у оптичком путу" (енг. optical path difference, OPD). Овај назив може изгледа противречан самој дефиницији таласног фронта, по којој он представља површину сачињену од тачака на истој оптичкој удаљености од извора. Међутим, овај назив се не односи на оптички пут од извора до таласног фронта, него на оптички пут од таласног фронта до жиже, где је разлика у оптичком путу у односу на сферу чији се центар закривљености поклапа са жижом, а тачка пресека са оптичком осом са средишњом тачком таласног фронта (т.ј. у односу на савршену поредбену сферу).
Грешка таласног фронта се изражава или у дужинским јединицама (милиметар, микрометар, нанометар), или у јединици изабране таласне дужине светлости.
Два основна вида у којима се изражава грешка таласног фронта су врх-дно грешка (енг. peak-to-valley) и РМС (енг. root mean square) грешка. Прва је збир највећих одступања таласног фронта са обе стране савршене поредбене сфере, а друга је врста статистичког просека (стандардна девијација) грешке таласног фронта за целу његову површину.
Узроци грешке таласног фронта