Una lente acromática o acromática es una lente que está 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 entre estas dos 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 . Normalmente, un elemento es un elemento negativo ( cóncavo ) hecho de vidrio sílex como el F2, que tiene una dispersión relativamente alta, y el otro es un elemento positivo ( convexo ) hecho de vidrio corona como el BK7, que tiene una dispersión más baja. Los elementos de la lente se montan uno al lado del otro, a menudo cementados entre sí, y se les da una forma tal que la aberración cromática de uno se contrarresta con la del otro.
En el tipo más común (que se muestra), la potencia positiva del elemento de lente de corona no es igualada por la potencia negativa del elemento de lente de piedra. Juntos forman una lente positiva débil que llevará dos longitudes de onda de luz diferentes a un foco común . También se realizan dobletes negativos, en los que predomina el elemento de poder negativo.
Las consideraciones teóricas sobre la viabilidad de corregir la aberración cromática se debatieron en el siglo XVIII tras la afirmación de Newton de que tal corrección era imposible (ver Historia del telescopio ). El crédito por la invención del primer doblete acromático a menudo se atribuye 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 contrató la fabricación de las lentes de corona y 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 piezas, observó las propiedades acromáticas. Hall utilizó la lente acromática para construir el primer telescopio acromático , pero su invento no fue ampliamente conocido en ese momento. [6]
A finales de la década de 1750, Bass 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 provocó amargas peleas con otros ópticos por el derecho a fabricar y vender dobletes acromáticos.
Peter , el hijo de Dollond, inventó el apocromático , una mejora del acromático, en 1763. [2]
Se han ideado varios tipos diferentes de acromáticos. 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 sucesivo, R indica el radio de las esferas que definen las superficies de lentes refractivas ópticamente relevantes . Por convención, R 1 indica la primera superficie de la lente contada desde el 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); Curva de radios negativos 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 "fantasmas". Históricamente, esto fue de hecho 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 su mayor parte el problema de las imágenes fantasma y se prefieren los diseños ópticos modernos por otras ventajas.
Utiliza una lente de cristal de corona equiconvexa (es decir, R 1 > 0 con − R 1 = R 2 ) y una segunda lente de cristal de piedra con curva complementaria (con R 3 = R 2 ). La parte posterior de la lente de vidrio color piedra es plana ( R 4 = ∞ ). Un doblete de Littrow puede producir una imagen fantasma entre R 2 y R 3 porque las superficies 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, pero no del todo igual, − R 2 . R 4 suele ser mayor que − R 3 . En un doblete Fraunhofer, las curvaturas diferentes de − R 2 y R 3 están montadas cerca, pero no del todo 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, con una corona aproximadamente equiconvexa, R 1 = R 2 y un pedernal con R 3 ≃ R 2 y R 4 ≫ R 3 . Aproximadamente en 1880, las lentes Clark tenían R 3 configurado ligeramente más corto que R 2 para crear un desajuste de enfoque entre R 2 y R 3 , evitando así las imágenes fantasma causadas por los reflejos dentro del espacio aéreo. [8]
El uso de aceite entre la corona y el pedernal elimina el efecto fantasma, particularmente donde 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 Steinheil, ideado por Carl August von Steinheil , es un doblete de pedernal. A diferencia del doblete Fraunhofer, primero tiene una lente negativa y luego una lente positiva. Necesita una curvatura más fuerte que el doblete Fraunhofer. [9]
Las lentes Dialyte tienen un amplio espacio de aire entre los dos elementos. Se idearon originalmente en el siglo XIX para permitir elementos de vidrio de sílex mucho más pequeños en el flujo, ya que el vidrio de sílex era difícil de producir y costoso. [10] También son lentes donde 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 elegir la potencia general del doblete y los dos vasos a utilizar. La elección del vidrio proporciona el índice de refracción medio, a menudo escrito 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 distancia focal . Resolviendo estas dos ecuaciones para y se obtiene
Dado que y los números de Abbe tienen valores positivos, la potencia del segundo elemento en el doblete es negativa cuando el primer elemento es positivo, y viceversa.
En todas las lentes hay aberraciones ópticas además 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 distancia focal neta de cada lente, y por separado esto deja un continuo de diferentes combinaciones de frontal y posterior. curvaturas de lentes para ajustes de diseño ( y para la lente 1; y y para la lente 2) que producirán lo mismo y lo requiere el diseño acromático. Otros parámetros de lentes ajustables incluyen el grosor de cada lente y el espacio entre los dos, todos limitados únicamente por las dos distancias 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 caros y una configuración y espaciado más cuidadosos de la combinación de lentes simples:
En teoría, el proceso puede continuar indefinidamente: las lentes compuestas utilizadas 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 alteradas, para enfocar más colores. La limitación es el costo adicional de fabricación y los rendimientos decrecientes de una mejor imagen por el esfuerzo.
Medios relacionados con lentes acromáticas en Wikimedia Commons
