Una lente asférica o asfera (a menudo etiquetada como 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 a menudo se denomina 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 lentes múltiples. [1] Los elementos asféricos se utilizan en el diseño de lentes normales rápidas y gran angular 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 . A menudo se utilizan pequeñas asferas moldeadas para colimar láseres de diodo .
A veces también se utilizan lentes asféricas para anteojos . Las lentes asféricas 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 graduaciones que tienen potencias diferentes en los 2 ojos ( anisometropía ). Sin estar relacionado con la calidad óptica, pueden dar 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 suelen diseñarse con superficies de la forma
donde se supone que el eje óptico se encuentra en la dirección z , y es el hundimiento , el componente z del desplazamiento de la superficie desde el vértice , a una distancia del eje. Los coeficientes describen la desviación de la superficie de la superficie cuádrica 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 girada alrededor del eje óptico, con forma determinada por :
La ecuación anterior adolece de una fuerte correlación entre los coeficientes del primer término y los términos polinomiales. Esto conduce a fuertes divergencias a la hora de adaptar la ecuación a una superficie asférica. Por lo tanto, una alternativa que a veces se utiliza son diferentes ecuaciones que utilizan "polinomios Q" donde los coeficientes son ortogonales entre sí. [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 asferas moldeadas se usan comúnmente en cámaras de consumo , teléfonos con cámara y reproductores de CD de bajo costo. [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 contorneando puntos de contacto hasta obtener aproximadamente la forma 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 hacer puliendo con una pequeña herramienta 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 un solo punto es un proceso alternativo, en el que un torno controlado por computadora 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. Estos incluyen acabado con haz de iones , chorros de agua abrasivos y 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 consiste en 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 mezclando una curvatura esférica con una asférica rectificando las curvaturas fuera del eje. El esmerilado de doble eje giratorio se puede utilizar para vidrio de alto índice que no se moldea fácilmente por rotación, como lo es la lente de resina CR-39 . También se pueden utilizar técnicas como la ablación con 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 para gafas graduadas desaconsejan el uso de curvaturas que se desvíen de distancias focales definidas. Se aceptan múltiples longitudes focales en forma de bifocales , trifocales , varifocales y componentes cilíndricos para el astigmatismo .
La tecnología de medición juega un papel decisivo en la fabricación de lentes asféricas. Dependiendo del proceso de fabricación y del estado de procesamiento se distinguen distintas tareas de medición:
Se distingue entre métodos de medición táctiles, es decir, táctiles, y sin contacto. La decisión sobre qué método utilizar depende de la precisión pero también del estado de fabricación.
La medición táctil se utiliza principalmente entre dos operaciones de rectificado para controlar la forma de la esfera y ajustar la siguiente operación. Se utiliza una sonda de calibre de perfil para medir una sección a través de la superficie de la lente. La simetría de rotación de las lentes hace que la combinación de varios de estos perfiles proporcione 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 eliminará en 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 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) representan un método para la determinación interferométrica de la desviación de la lente con respecto a la geometría nominal. Éstos generan un frente de onda asférico en la forma del objetivo y permiten así determinar las desviaciones de la lente con respecto a la forma del objetivo en una imagen de interferencia. Los CGH deben fabricarse específicamente para cada elemento de prueba y, por lo tanto, solo resultan económicos para la producción en serie.
Otra posibilidad es la medición interferométrica de asferas en subáreas, con desviaciones mínimas hacia la esfera que mejor se ajusta, y la posterior combinación de las submediciones para obtener un interferograma de superficie completa. Estos son muy flexibles en comparación con los CGH y también son adecuados para la producción de prototipos y series pequeñas. [7]
Al igual que otras lentes para la corrección de la visión , las lentes asféricas se pueden clasificar en convexas o cóncavas.
Las curvaturas asféricas convexas se utilizan en muchas lentes varifocales para presbicia para aumentar la potencia óptica sobre parte de la lente, lo que ayuda en tareas cercanas como la lectura. La parte de lectura es una "adición progresiva" asférica. Además, en afaquias o hipermetropía extrema , se pueden prescribir lentes asféricas de alto poder plus, pero esta práctica está quedando obsoleta, sustituida por implantes quirúrgicos de lentes intraoculares . Muchos tipos de lentes convexos han sido aprobados por las agencias reguladoras que regulan las prescripciones.
Las asferas cóncavas se utilizan para la corrección de la alta miopía . No están disponibles comercialmente en dispensarios ópticos, sino que deben solicitarse especialmente con instrucciones del médico especialista, de forma muy similar a como se personaliza una prótesis para un individuo.
La gama de potencias de lentes disponibles para los ópticos que dispensan recetas, incluso en forma asférica, está limitada prácticamente por el tamaño de la imagen formada en la retina . Las lentes altas negativas causan una imagen tan pequeña que la forma no es discernible, generalmente alrededor de -15 dioptrías , mientras que las lentes altas positivas causan un túnel de imágenes tan grande que los objetos parecen aparecer dentro y fuera de un campo de visión reducido. generalmente alrededor de +15 dioptrías.
En las prescripciones tanto para la hipermetropía como para la miopía , la curva de la lente se aplana hacia el borde del cristal, [8] excepto en las prescripciones de lectura progresiva para la presbicia , donde las porciones varifocales sin fisuras cambian hacia una dioptría progresivamente mayor . Las asferas altas negativas para miopes no necesariamente necesitan porciones de adición progresiva, porque el diseño de la curvatura de la lente ya avanza hacia una potencia dióptrica menos negativa/más positiva desde el centro de la lente hasta el borde. Las esferas altas y positivas para los hipermétropes progresan hacia menos y positivas en la periferia. La curvatura asférica de las lentes altas positivas está rectificada en el lado anterior de la lente, mientras que la curvatura asférica de las lentes altas negativas está rectificada en el lado posterior de la lente. Las porciones de lectura de adición progresiva para lentes plus también se esmerilan sobre la superficie anterior de la lente. La curvatura combinada de las asferas reduce el escotoma , un punto ciego anillado.
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Los elementos asféricos se utilizan a menudo en lentes de cámaras. Esto suele indicarse con 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 fin se conoce como óvalo cartesiano . Las lentes Visby encontradas en tesoros vikingos en la isla de Gotland que datan del siglo X u XI también son asféricas, pero exhiben una amplia variedad de calidades de imagen, que van desde similares a las lentes asféricas modernas en un caso hasta peores que las lentes esféricas en otros. [10] Se desconoce el origen de las lentes, al igual que su propósito (pueden haber sido hechas como joyería en lugar de para imágenes). [10]
Francis Smethwick molió las primeras lentes asféricas de alta calidad y las presentó a la Royal Society el 27 de febrero de 1667/8 . [11] Los presentes juzgaron que un telescopio que contenía tres elementos asféricos "superaba [a un telescopio común, pero muy bueno] en bondad, al captar un ángulo mayor y representar los objetos más exactamente en sus respectivas proporciones, y soportar una mayor Apertura, libre de colores." [11] Las gafas asféricas para leer y quemar también superaron a sus equivalentes esféricas. [11]
A Moritz von Rohr se le suele atribuir el diseño de las primeras lentes asféricas para gafas. Inventó los diseños de lentes para gafas que se convirtieron en las lentes Zeiss Punktal.
Elgeet fabricó el primer elemento de lente asférico comercial producido en masa para su uso en el Golden Navitar de 12 mm.f /1.2Lente normal para uso en cámaras de cine de 16 mm en 1956. [12] Este lente recibió una gran aclamación 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 aperturas de banco, tubos ópticos, lentes y una fuente. Las propiedades ópticas refractivas y reflectantes se pueden tabular en función de la longitud de onda, para aproximar el rendimiento del sistema; También se pueden evaluar tolerancias y errores. Además de la integridad focal, los sistemas de lentes asféricos se pueden probar para detectar aberraciones antes de implementarlos.
El uso de interferómetros se ha convertido en un método estándar para probar superficies ópticas. Las pruebas típicas con interferómetro 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 realizar pruebas 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
