Una lente acromática o acromática es una lente diseñada para limitar los efectos de la aberración cromática y esférica . Las lentes acromáticas se corrigen para enfocar dos longitudes de onda (normalmente roja y azul) en el mismo plano. Las longitudes de onda intermedias tienen un error de enfoque mejor que el que se podría obtener con una lente simple.
El tipo más común de acromático es el doblete acromático , que se compone de dos lentes individuales hechas de vidrios con diferentes cantidades de dispersión . Por lo general, un elemento es un elemento negativo ( cóncavo ) hecho de vidrio flint como F2, que tiene una dispersión relativamente alta, y el otro es un elemento positivo ( convexo ) hecho de vidrio crown como BK7, que tiene una dispersión menor. Los elementos de la lente están montados uno al lado del otro, a menudo cementados juntos, y tienen una forma tal que la aberración cromática de uno se compensa con la del otro.
En el tipo más común (mostrado en la imagen), la potencia positiva del elemento de lente de corona no es igualada por la potencia negativa del elemento de lente de sílex. Juntos forman una lente positiva débil que traerá dos longitudes de onda de luz diferentes a un foco común . También se hacen dobletes negativos, en los que predomina el elemento de potencia negativa.
En el siglo XVIII se debatieron consideraciones teóricas sobre la posibilidad de corregir la aberración cromática tras la declaración de Newton de que dicha corrección era imposible (véase Historia del telescopio ). El mérito de la invención del primer doblete acromático se atribuye a menudo a un abogado y óptico aficionado inglés llamado Chester Moore Hall . [1] [2] Hall deseaba mantener en secreto su trabajo sobre las lentes acromáticas y encargó la fabricación de las lentes de corona y de pedernal a dos ópticos diferentes, Edward Scarlett y James Mann. [3] [4] [5] Ellos, a su vez, subcontrataron el trabajo a la misma persona, George Bass . Se dio cuenta de que los dos componentes eran para el mismo cliente y, después de unir las dos partes, observó las propiedades acromáticas. Hall utilizó la lente acromática para construir el primer telescopio acromático , pero su invento no llegó a ser muy conocido en su momento. [6]
A finales de la década de 1750, Bass le mencionó las lentes de Hall a John Dollond , quien comprendió su potencial y pudo reproducir su diseño. [2] Dollond solicitó y obtuvo una patente sobre la tecnología en 1758, lo que dio lugar a amargas luchas con otros ópticos por el derecho a fabricar y vender dobletes acromáticos.
El hijo de Dollond, Peter , inventó el apocromático , una mejora del acromático, en 1763. [2]
Se han ideado varios tipos diferentes de acromáticos, que se diferencian en la forma de los elementos de lente incluidos, así como en las propiedades ópticas de su vidrio (sobre todo en su dispersión óptica o número de Abbe ).
En lo que sigue, R denota el radio de las esferas que definen las superficies de lentes refractantes ópticamente relevantes . Por convención, R 1 denota la primera superficie de lente contada a partir del objeto. Una lente doblete tiene cuatro superficies con radios R 1 a R 2 . Las superficies con radios positivos se curvan alejándose del objeto ( R 1 positivo es una primera superficie convexa); las superficies con radios negativos se curvan hacia el objeto ( R 1 negativo es una primera superficie cóncava).
Las descripciones de los diseños de lentes acromáticas mencionan las ventajas de los diseños que no producen imágenes "fantasma". Históricamente, esta fue una preocupación importante para los fabricantes de lentes hasta el siglo XIX y un criterio principal para los primeros diseños ópticos. Sin embargo, a mediados del siglo XX, el desarrollo de recubrimientos ópticos avanzados eliminó en gran medida el problema de las imágenes fantasma y se prefieren los diseños ópticos modernos por otras ventajas.
Utiliza una lente de vidrio de corona equiconvexa (es decir, R 1 > 0 con − R 1 = R 2 ) y una segunda lente de vidrio de sílex con curvatura complementaria (con R 3 = R 2 ). La parte posterior de la lente de vidrio de sílex es plana ( R 4 = ∞ ). Un doblete de Littrow puede producir una imagen fantasma entre R 2 y R 3 porque las superficies de las lentes de las dos lentes tienen los mismos radios.
La primera lente tiene poder refractivo positivo, la segunda negativo. R 1 > 0 se establece mayor que − R 2 , y R 3 se establece cerca de, pero no exactamente igual a, − R 2 . R 4 es generalmente mayor que − R 3 . En un doblete de Fraunhofer, las curvaturas diferentes de − R 2 y R 3 se montan cerca, pero no exactamente en contacto. [7] Este diseño produce más grados de libertad (un radio libre más, longitud del espacio de aire) para corregir las aberraciones ópticas .
Las primeras lentes Clark siguen el diseño de Fraunhofer. Después de finales de la década de 1860, cambiaron al diseño de Littrow, corona aproximadamente equiconvexa, R 1 = R 2 y un pedernal con R 3 ≃ R 2 y R 4 ≫ R 3 . Hacia 1880, las lentes Clark tenían R 3 ligeramente más corto que R 2 para crear un desajuste de enfoque entre R 2 y R 3 , evitando así las imágenes superpuestas causadas por los reflejos dentro del espacio aéreo. [8]
El uso de aceite entre la corona y el pedernal elimina el efecto de imagen fantasma, en particular cuando R 2 ≈ R 3 . También puede aumentar ligeramente la transmisión de luz y reducir el impacto de los errores en R 2 y R 3 .
El doblete de Steinheil, ideado por Carl August von Steinheil , es un doblete de sílex. A diferencia del doblete de Fraunhofer, tiene primero una lente negativa seguida de una lente positiva. Necesita una curvatura más fuerte que el doblete de Fraunhofer. [9]
Las lentes de dialito tienen un amplio espacio de aire entre los dos elementos. Se idearon originalmente en el siglo XIX para permitir que se utilizaran elementos de vidrio sílex mucho más pequeños en el proceso de fabricación, ya que este material era difícil de producir y costoso. [10] También son lentes en las que los elementos no se pueden cementar porque R 2 y R 3 tienen valores absolutos diferentes. [11]
El diseño de primer orden de un acromático implica la elección de la potencia total del doblete y de los dos vidrios que se van a utilizar. La elección del vidrio proporciona el índice de refracción medio, que a menudo se escribe como (para el índice de refracción en la longitud de onda de la línea espectral "d" de Fraunhofer ) y el número de Abbe (para el recíproco de la dispersión del vidrio ). Para que la dispersión lineal del sistema sea cero, el sistema debe satisfacer las ecuaciones
donde la potencia de la lente es para una lente con una distancia focal . Resolviendo estas dos ecuaciones para y se obtiene
Dado que los números de Abbe tienen valores positivos, la potencia del segundo elemento del doblete es negativa cuando el primer elemento es positivo, y viceversa.
En todas las lentes existen aberraciones ópticas distintas del color. Por ejemplo, el coma permanece después de corregir las aberraciones esféricas y cromáticas. Para corregir otras aberraciones, las curvaturas frontal y posterior de cada una de las dos lentes siguen siendo parámetros libres, ya que el diseño de corrección de color solo prescribe la longitud focal neta de cada lente y, por separado, esto deja un continuo de diferentes combinaciones de curvaturas de lentes frontales y posteriores para ajustes de diseño ( y para la lente 1; y y para la lente 2) que producirán todas lo mismo y requerido por el diseño acromático. Otros parámetros de lentes ajustables incluyen el grosor de cada lente y el espacio entre las dos, todos limitados solo por las dos longitudes focales requeridas. Normalmente, los parámetros libres se ajustan para minimizar las aberraciones ópticas no relacionadas con el color.
Los diseños de lentes más complejos que los acromáticos pueden mejorar la precisión de las imágenes en color al enfocar con exactitud más longitudes de onda, pero requieren tipos de vidrio más costosos y una forma y un espaciado más cuidadosos de la combinación de lentes simples:
En teoría, el proceso puede continuar indefinidamente: las lentes compuestas que se usan en las cámaras suelen tener seis o más lentes simples (por ejemplo, lentes de doble Gauss ); varias de esas lentes se pueden fabricar con diferentes tipos de vidrio, con curvaturas ligeramente modificadas, para enfocar más colores. La limitación es el costo adicional de fabricación y la disminución de los rendimientos de la imagen mejorada por el esfuerzo.
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