El diseño de lentes ópticas es el proceso de diseñar una lente para que cumpla con un conjunto de requisitos y limitaciones 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 y utiliza trazado de rayos u otras técnicas para modelar cómo la lente afecta la luz que la atraviesa.
Los requisitos de desempeño pueden incluir:
Las restricciones de diseño pueden incluir espesores realistas del centro y de los bordes del elemento de la lente, espacios de aire mínimos y máximos entre las lentes, restricciones máximas en los ángulos de entrada y salida, índice de refracción y propiedades de dispersión del vidrio físicamente realizables .
Los costos de fabricación y los cronogramas de entrega también son una parte importante del diseño óptico. El precio de una pieza de vidrio óptico de determinadas dimensiones puede variar en un factor de cincuenta o más, según el tamaño, el tipo de vidrio, la calidad del índice de homogeneidad y la disponibilidad, siendo el BK7 el más barato. Los costos de piezas en bruto ópticas más grandes y/o más gruesas de un material determinado, por encima de 100 a 150 mm, generalmente aumentan más rápido que el volumen físico debido al mayor tiempo de recocido de la pieza en bruto requerido para lograr una homogeneidad de índice aceptable y niveles de birrefringencia de tensión interna en todo el volumen en blanco. La disponibilidad de espacios en blanco 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.
Primero se pueden diseñar lentes utilizando la teoría paraxial para posicionar imágenes y pupilas , luego se pueden insertar y optimizar superficies reales. 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 del índice promedio de refracción y dispersión (ver número de Abbe ) publicadas en el catálogo del fabricante de vidrio y mediante cálculos de modelos de vidrio . Sin embargo, las propiedades de los espacios en blanco de vidrio real variarán de este ideal; El índice de valores de refracción puede variar hasta 0,0003 o más con respecto a 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 lentes en blanco es el siguiente:
El pedigrí del vidrio en blanco, o "datos de fusión", se puede determinar para un lote de vidrio determinado fabricando pequeños prismas de precisión en varios lugares del 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 "recompensación de fusión", en el diseño de la lente utilizando el índice medido de datos de refracción cuando estén disponibles. Cuando se fabriquen, el rendimiento de la lente resultante se ajustará más a los requisitos deseados que si se asumieran los valores promedio del catálogo de vidrio para el índice de refracción.
Los cronogramas de entrega se ven afectados por la disponibilidad de vidrio y espejo en blanco y los tiempos de entrega para adquirirlos, 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 cualquier recubrimientos ópticos que deben aplicarse a las piezas terminadas, mayores complejidades en el montaje o unión de elementos de lentes en las celdas y en el conjunto general del sistema de lentes, y cualquier prueba y herramienta de control de calidad y alineación posterior al ensamblaje requeridas. Los costos de herramientas y los cronogramas 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 espaciada por aire tiene nueve variables (cuatro radios de curvatura, dos espesores, un espesor de espacio aéreo y dos tipos de vidrio). Una lente de configuración múltiple corregida en una amplia banda espectral y campo de visión en un rango de distancias focales y en un rango de temperatura realista puede tener un volumen de diseño complejo que tenga más de cien dimensiones.
Las técnicas de optimización de lentes que pueden navegar por este espacio multidimensional y llegar a mínimos locales se han estudiado desde la década de 1940, comenzando con los primeros trabajos de James G. Baker y más tarde por Feder, [3] Wynne, [4] Glatzel, [5 ] Gray [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 2D 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 el espacio de diseño. Esto permite perfeccionar 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 perfeccionarlo. [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 es así.