Una lente asférica o asfera (a menudo denominada ASPH en los oculares) es una lente cuyos perfiles de superficie no son partes de una esfera o cilindro . En fotografía , un conjunto de lentes que incluye un elemento asférico se suele denominar lente asférica .
El perfil de superficie más complejo de la asfera puede reducir o eliminar la aberración esférica y también reducir otras aberraciones ópticas como el astigmatismo , en comparación con una lente simple . Una sola lente asférica a menudo puede reemplazar un sistema de múltiples lentes mucho más complejo. El dispositivo resultante es más pequeño y liviano, y a veces más económico que el diseño de múltiples lentes. [1] Los elementos asféricos se utilizan en el diseño de lentes normales rápidas y gran angulares de múltiples elementos para reducir las aberraciones. También se utilizan en combinación con elementos reflectantes ( sistemas catadióptricos ) como la placa correctora asférica Schmidt utilizada en las cámaras Schmidt y los telescopios Schmidt-Cassegrain . Las asferas moldeadas pequeñas se utilizan a menudo para colimar láseres de diodo .
Las lentes asféricas también se utilizan a veces para anteojos . Las lentes asféricas para anteojos permiten una visión más nítida que las lentes estándar de "mejor forma", principalmente cuando se mira en direcciones distintas al centro óptico de la lente. Además, la reducción del efecto de aumento de una lente puede ayudar con las prescripciones que tienen diferentes poderes en los 2 ojos ( anisometropía ). Sin relación con la calidad óptica, pueden dar lugar a una lente más delgada y también distorsionar menos los ojos del espectador como los ven otras personas, produciendo una mejor apariencia estética. [2]
Si bien, en principio, las superficies asféricas pueden adoptar una amplia variedad de formas, las lentes asféricas a menudo se diseñan con superficies de la forma
donde se supone que el eje óptico se encuentra en la dirección z , y es la flecha —el componente z del desplazamiento de la superficie desde el vértice , a la distancia del eje. Los coeficientes describen la desviación de la superficie con respecto a la superficie cuadrática axialmente simétrica especificada por y .
Si todos los coeficientes son cero, entonces es el radio de curvatura y es la constante cónica , medida en el vértice (donde ). En este caso, la superficie tiene la forma de una sección cónica rotada alrededor del eje óptico, con forma determinada por :
La ecuación anterior presenta una fuerte correlación entre los coeficientes del primer término y los términos polinómicos. Esto genera fuertes divergencias cuando se trata de ajustar la ecuación a una superficie asférica. Por lo tanto, otras ecuaciones que utilizan "Q-polinomios" donde los coeficientes son ortogonales entre sí son una alternativa que a veces se utiliza. [4]
Se pueden fabricar pequeñas lentes asféricas de vidrio o plástico mediante moldeo, lo que permite una producción en masa económica. Debido a su bajo costo y buen rendimiento, las lentes asféricas moldeadas se utilizan comúnmente en cámaras de consumo económicas , teléfonos con cámara y reproductores de CD. [1] También se utilizan comúnmente para la colimación de diodos láser y para acoplar luz dentro y fuera de fibras ópticas .
Las asferas más grandes se obtienen mediante esmerilado y pulido . Las lentes producidas mediante estas técnicas se utilizan en telescopios , televisores de proyección , sistemas de guía de misiles e instrumentos de investigación científica. Se pueden fabricar mediante un contorneado por contacto puntual hasta obtener una forma aproximada a la correcta [5] que luego se pule hasta obtener su forma final. En otros diseños, como los sistemas Schmidt, la placa correctora asférica se puede fabricar utilizando un vacío para distorsionar una placa ópticamente paralela en una curva que luego se pule "plana" en un lado. Las superficies asféricas también se pueden fabricar puliendo con una herramienta pequeña con una superficie flexible que se ajuste a la óptica, aunque el control preciso de la forma y la calidad de la superficie es difícil, y los resultados pueden cambiar a medida que la herramienta se desgasta.
El torneado con diamante de una sola punta es un proceso alternativo en el que un torno controlado por ordenador utiliza una punta de diamante para cortar directamente el perfil deseado en una pieza de vidrio u otro material óptico. El torneado con diamante es lento y tiene limitaciones en los materiales en los que se puede utilizar y en la precisión y suavidad de la superficie que se puede lograr. [5] Es particularmente útil para la óptica infrarroja .
Se pueden utilizar varios métodos de "acabado" para mejorar la precisión y la calidad de la superficie pulida. Entre ellos se incluyen el acabado con haz de iones , los chorros de agua abrasivos y el acabado magnetorreológico , en el que se utiliza un chorro de fluido guiado magnéticamente para eliminar material de la superficie. [5]
Otro método para producir lentes asféricas es depositar resina óptica sobre una lente esférica para formar una lente compuesta de forma asférica. También se ha propuesto la ablación con plasma.
La curvatura no esférica de una lente asférica también se puede crear mediante la combinación de una curvatura esférica con una curvatura asférica mediante el pulido de las curvaturas fuera del eje. El pulido con doble eje giratorio se puede utilizar para vidrio de alto índice que no se moldea fácilmente por centrifugado, como es el caso de la lente de resina CR-39 . También se pueden utilizar técnicas como la ablación láser para modificar la curvatura de una lente, pero la calidad del pulido de las superficies resultantes no es tan buena como las que se logran con técnicas lapidarias .
Las normas para la dispensación de lentes graduadas para anteojos desaconsejan el uso de curvaturas que se desvíen de las longitudes focales definidas. Se aceptan longitudes focales múltiples en forma de lentes bifocales , trifocales , varifocales y componentes cilíndricos para el astigmatismo .
La tecnología de medición desempeña un papel decisivo en la fabricación de lentes asféricas. En función del proceso de fabricación y del estado de procesamiento, se distinguen distintas tareas de medición:
Se distingue entre métodos de medición táctiles, es decir, mediante contacto, y sin contacto. La decisión sobre qué método se utiliza depende de la precisión, pero también del estado de fabricación.
La medición táctil se utiliza principalmente entre dos operaciones de pulido para controlar la forma de la asfera y ajustar la siguiente operación. Se utiliza una sonda de calibre de perfil para medir una sección a lo largo de la superficie de la lente. La simetría de rotación de las lentes significa que la combinación de varios de estos perfiles proporciona un conocimiento suficientemente preciso de la forma de la lente. Cualquier daño a la superficie de la lente causado por la punta de la sonda se eliminaría en los pasos posteriores. [6]
Los interferómetros se utilizan para medir superficies sensibles o pulidas. Al superponer un haz de referencia con el haz reflejado desde la superficie que se va a medir, se crean mapas de error, conocidos como interferogramas, que representan una desviación de campo completo de la forma de la superficie.
Los hologramas generados por ordenador (CGH) son un método para la determinación interferométrica de la desviación de la lente respecto de la geometría nominal. Estos generan un frente de onda asférico en la forma del objetivo y permiten así determinar las desviaciones de la lente respecto de la forma del objetivo en una imagen de interferencia. Los CGH deben fabricarse específicamente para cada objeto de prueba y, por lo tanto, solo son rentables para la producción en serie.
Otra posibilidad es la medición interferométrica de asferas en subáreas, con desviaciones mínimas respecto de la esfera de mejor ajuste, y la posterior combinación de las submediciones para formar un interferograma de superficie completa. Estas son muy flexibles en comparación con los CGH y también son adecuadas para la producción de prototipos y series pequeñas. [7]
Al igual que otras lentes para corregir la visión , las lentes asféricas se pueden clasificar como convexas o cóncavas.
Las curvaturas asféricas convexas se utilizan en muchas lentes varifocales para presbicia para aumentar la potencia óptica en una parte de la lente, lo que ayuda en tareas que requieren ver de cerca, como la lectura. La parte de lectura es un "añadido progresivo" asférico. Además, en casos de afaquia o hipermetropía extrema , se pueden prescribir lentes asféricas de alta potencia positiva, pero esta práctica se está volviendo obsoleta y se ha reemplazado por implantes quirúrgicos de lentes intraoculares . Muchos tipos de lentes convexos han sido aprobados por agencias gubernamentales que regulan las prescripciones.
Las asferas cóncavas se utilizan para corregir la miopía alta . No se encuentran disponibles comercialmente en los dispensarios ópticos, sino que deben solicitarse especialmente con instrucciones del profesional que realiza la adaptación, de forma similar a cómo se personaliza una prótesis para una persona.
La gama de potencias de lentes disponibles para que los ópticos puedan realizar recetas, incluso en forma asférica, está limitada prácticamente por el tamaño de la imagen que se forma en la retina . Las lentes de alto negativo producen una imagen tan pequeña que no se pueden discernir la forma, generalmente a unas -15 dioptrías , mientras que las lentes de alto positivo producen un túnel de imágenes tan grande que los objetos parecen aparecer y desaparecer de un campo de visión reducido, generalmente a unas +15 dioptrías.
En las prescripciones tanto para hipermetropía como para miopía , la curva de la lente se aplana hacia el borde del cristal, [8] excepto en los aumentos progresivos de lectura para la presbicia , donde las porciones varifocales uniformes cambian hacia una dioptría progresivamente más positiva . Las aesferas altas negativas para miopes no necesitan necesariamente porciones de aumento progresivo, porque el diseño de la curvatura de la lente ya progresa hacia una potencia dióptrica menos negativa/más positiva desde el centro de la lente hasta el borde. Las aesferas altas positivas para hipermétropes progresan hacia menos positiva en la periferia. La curvatura asférica en lentes altas positivas se pule en el lado anterior de la lente, mientras que la curvatura asférica de lentes altas negativas se pule en el lado posterior de la lente. Las porciones de lectura de aumento progresivo para lentes positivas también se pule en la superficie anterior de la lente. La curvatura combinada de las aesferas reduce el escotoma , un punto ciego anillado.
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Los elementos asféricos se utilizan a menudo en los objetivos de las cámaras. Esto suele indicarse mediante la abreviatura ASPH en los nombres de dichos productos.
Ibn Sahl , un físico árabe del siglo X, descubrió que una combinación de superficies esféricas y parabólicas, que ahora se conoce como lente anaclástica o lente asférica, enfoca la luz con una aberración mínima. [9]
Los primeros intentos de fabricar lentes asféricas para corregir la aberración esférica fueron realizados por René Descartes en la década de 1620 y por Christiaan Huygens en la década de 1670; la sección transversal de la forma ideada por Descartes para este propósito se conoce como óvalo cartesiano . Las lentes de Visby encontradas en tesoros vikingos en la isla de Gotland que datan del siglo X o XI también son asféricas, pero exhiben una amplia variedad de calidades de imagen, que van desde similares a las asféricas modernas en un caso hasta peores que las lentes esféricas en otros. [10] Se desconoce el origen de las lentes, así como su propósito (pueden haber sido hechas como joyería en lugar de para la formación de imágenes). [10]
Francis Smethwick fabricó las primeras lentes asféricas de alta calidad y las presentó a la Royal Society el 27 de febrero de 1667/8 . [11] Los presentes consideraron que un telescopio que contenía tres elementos asféricos "superaba [a un telescopio común, pero muy bueno] en calidad, al captar un ángulo mayor y representar los objetos con mayor exactitud en sus respectivas proporciones, y al soportar una mayor apertura, libre de colores". [11] Los anteojos asféricos para lectura y para quemar también superaron a sus equivalentes esféricos. [11]
A Moritz von Rohr se le atribuye generalmente el diseño de las primeras lentes asféricas para gafas. Inventó los diseños de lentes para gafas que se convirtieron en las lentes Zeiss Punktal.
El primer elemento de lente asférica producido en serie y comercialmente del mundo fue fabricado por Elgeet para su uso en el Golden Navitar de 12 mm.f /1,2Lente normal para usar en cámaras de cine de 16 mm en 1956. [12] Esta lente recibió un gran reconocimiento de la industria durante su época. Los elementos asféricos se crearon mediante el uso de una técnica de pulido de membrana.
La calidad óptica de un sistema de lentes se puede probar en un laboratorio de óptica o física utilizando aberturas de banco, tubos ópticos, lentes y una fuente. Las propiedades ópticas refractivas y reflectivas se pueden tabular en función de la longitud de onda para aproximar el rendimiento del sistema; también se pueden evaluar las tolerancias y los errores. Además de la integridad focal, los sistemas de lentes asféricas se pueden probar para detectar aberraciones antes de su implementación.
El uso de interferómetros se ha convertido en un método estándar para probar superficies ópticas. Las pruebas típicas con interferómetros se realizan para elementos ópticos planos y esféricos. El uso de un corrector nulo en la prueba puede eliminar el componente asférico de la superficie y permitir la prueba utilizando una referencia plana o esférica.
Los trilobites , uno de los primeros tipos de animales con ojos sofisticados, tenían lentes con dos elementos asféricos. [13]
Medios relacionados con Lentes asféricas en Wikimedia Commons
