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La distorsione ottica si verifica nel momento in cui ai punti del piano oggetto costituenti una certa figura corrispondono immagini che non costituiscono una figura simile. Questo fenomeno è dovuto in buona parte al fatto che le superfici esterne delle lenti sono curve o sferiche.
La distorsione è un difetto che mostra gli oggetti in direzione diversa da quella in cui realmente si trovano, ne esistono di due tipi: a cuscino e a barile, a seconda della curva concava o convessa che può assumere l'immagine distorta. Risulta quindi assai dannoso nelle applicazioni fotogrammetriche: esso però, essendo legato a fatti geometrici noti, può essere preventivamente studiato e se ne può spesso tenere conto in sede di restituzione correggendo così i risultati ottenuti.