El diseño de lentes ópticas es el proceso de diseñar una lente para cumplir con un conjunto de requisitos y restricciones de rendimiento, incluidas las limitaciones de costo y fabricación. Los parámetros incluyen tipos de perfil de superficie ( esférico , asférico , holográfico , difractivo , etc.), así como radio de curvatura , distancia a la siguiente superficie, tipo de material y, opcionalmente, inclinación y descentrado. El proceso es computacionalmente intensivo, utilizando trazado de rayos u otras técnicas para modelar cómo la lente afecta la luz que pasa a través de ella.
Los requisitos de desempeño pueden incluir:
Las restricciones de diseño pueden incluir espesores realistas del centro y del borde del elemento de lente, espacios de aire mínimos y máximos entre lentes, restricciones máximas en los ángulos de entrada y salida, índice de refracción del vidrio físicamente realizable y propiedades de dispersión .
Los costos de fabricación y los plazos de entrega también son una parte importante del diseño óptico. El precio de una pieza de vidrio óptico de dimensiones determinadas puede variar en un factor de cincuenta o más, dependiendo del tamaño, el tipo de vidrio, la calidad de homogeneidad del índice y la disponibilidad, siendo el BK7 generalmente el más barato. Los costos de piezas ópticas más grandes y/o más gruesas de un material determinado, por encima de 100–150 mm, generalmente aumentan más rápido que el volumen físico debido al mayor tiempo de recocido de la pieza que se requiere para lograr una homogeneidad del índice aceptable y niveles de birrefringencia de tensión interna en todo el volumen de la pieza. La disponibilidad de piezas de vidrio depende de la frecuencia con la que un fabricante determinado fabrica un tipo de vidrio en particular, y puede afectar seriamente el costo y el cronograma de fabricación.
Las lentes se pueden diseñar primero utilizando la teoría paraxial para posicionar imágenes y pupilas , luego se insertan superficies reales y se optimizan. La teoría paraxial se puede omitir en casos más simples y la lente se puede optimizar directamente utilizando superficies reales. Las lentes se diseñan primero utilizando las propiedades promedio del índice de refracción y dispersión (consulte el número de Abbe ) publicadas en el catálogo del fabricante del vidrio y mediante cálculos del modelo de vidrio . Sin embargo, las propiedades de los espacios en blanco de vidrio reales variarán de este ideal; los valores del índice de refracción pueden variar hasta en 0,0003 o más de los valores del catálogo, y la dispersión puede variar ligeramente. Estos cambios en el índice y la dispersión a veces pueden ser suficientes para afectar la ubicación del enfoque de la lente y el rendimiento de la imagen en sistemas altamente corregidos.
El proceso de fabricación de la lente en bruto es el siguiente:
El pedigrí del vidrio en blanco, o "datos de fusión", se puede determinar para un lote de vidrio determinado haciendo pequeños prismas de precisión a partir de varias ubicaciones en el lote y midiendo su índice de refracción en un espectrómetro , generalmente a cinco o más longitudes de onda . Los programas de diseño de lentes tienen rutinas de ajuste de curvas que pueden ajustar los datos de fusión a una curva de dispersión seleccionada , a partir de la cual se puede calcular el índice de refracción en cualquier longitud de onda dentro del rango de longitud de onda ajustado. Luego se puede realizar una reoptimización, o "recompilación de fusión", en el diseño de la lente utilizando datos de índice de refracción medidos cuando estén disponibles. Una vez fabricado, el rendimiento de la lente resultante coincidirá más estrechamente con los requisitos deseados que si se supusieran los valores promedio del catálogo de vidrio para el índice de refracción.
Los plazos de entrega se ven afectados por la disponibilidad de piezas en bruto de vidrio y espejo y los plazos de entrega para su adquisición, la cantidad de herramientas que un taller debe fabricar antes de comenzar un proyecto, las tolerancias de fabricación de las piezas (tolerancias más estrictas significan tiempos de fabricación más largos), la complejidad de los revestimientos ópticos que se deben aplicar a las piezas terminadas, otras complejidades en el montaje o unión de los elementos de las lentes en las celdas y en el conjunto general del sistema de lentes, y cualquier alineación posterior al montaje y pruebas de control de calidad y herramientas necesarias. Los costos de las herramientas y los plazos de entrega se pueden reducir utilizando las herramientas existentes en cualquier taller siempre que sea posible y maximizando las tolerancias de fabricación en la medida de lo posible.
Una lente simple de dos elementos con espacio entre el aire tiene nueve variables (cuatro radios de curvatura, dos espesores, un espesor de espacio entre el aire y dos tipos de vidrio). Una lente de configuración múltiple corregida sobre una amplia banda espectral y campo de visión en un rango de longitudes focales y sobre un rango de temperatura realista puede tener un volumen de diseño complejo con más de cien dimensiones.
Las técnicas de optimización de lentes que pueden navegar por este espacio multidimensional y proceder a mínimos locales se han estudiado desde la década de 1940, comenzando con el trabajo temprano de James G. Baker , y luego por Feder, [3] Wynne, [ 4 ] Glatzel, [5] Grey [6] y otros. Antes del desarrollo de las computadoras digitales , la optimización de lentes era una tarea de cálculo manual que utilizaba tablas trigonométricas y logarítmicas para trazar cortes 2-D a través del espacio multidimensional. El trazado de rayos computarizado permite modelar rápidamente el rendimiento de una lente, de modo que se puede buscar rápidamente en el espacio de diseño. Esto permite refinar rápidamente los conceptos de diseño. El software de diseño óptico popular incluye OpticStudio de Zemax , Code V de Synopsys y OSLO de Lambda Research . En la mayoría de los casos, el diseñador primero debe elegir un diseño viable para el sistema óptico, y luego se utiliza el modelado numérico para refinarlo. [7] El diseñador se asegura de que los diseños optimizados por la computadora cumplan con todos los requisitos y realiza ajustes o reinicia el proceso cuando no lo hacen.