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Una lente esférica es una lente óptica con forma de esfera . Formalmente, es una lente esférica biconvexa con el mismo radio de curvatura en ambos lados y un diámetro igual al doble del radio de curvatura. Se pueden aplicar las mismas leyes ópticas para analizar sus características de formación de imágenes que para otras lentes.
Como lente, una esfera transparente de cualquier material con un índice de refracción ( n ) mayor que el del aire ( n > 1,00 ) desvía los rayos de luz paralelos hacia un punto focal . En la mayoría de los materiales vítreos, el punto focal está apenas un poco más allá de la superficie de la esfera, en el lado opuesto a donde entraron los rayos. Las lentes esféricas tienen una aberración óptica extremadamente alta , que incluye grandes cantidades de coma y curvatura de campo en comparación con las lentes convencionales.
Los fotógrafos utilizan lentes de bola o " lensballs " para tomar novedosas fotografías de gran angular extremo.
Las primeras lentes eran probablemente recipientes de vidrio esféricos o cilíndricos llenos de agua, que la gente observó que tenían la capacidad de enfocar la luz. Las lentes convexas simples tienen superficies que son pequeñas secciones de una esfera. Una lente esférica es simplemente una lente simple donde los radios de curvatura de las superficies son iguales al radio de la lente misma.
Una lente esférica refracta la luz en la interfaz entre su superficie y su entorno. La luz de una fuente colimada se desvía hacia un cono convergente. Los rayos viajan en línea recta dentro de la lente y luego se desvían nuevamente cuando salen, convergiendo hacia un punto focal que normalmente está justo afuera de la lente esférica.
La distancia focal de una lente esférica es una función de su índice de refracción y su diámetro. La distancia focal efectiva (EFL) de una lente esférica es mucho mayor que la distancia focal posterior (BFL), la distancia desde la superficie posterior de la lente hasta el punto focal. Las lentes esféricas tienen la distancia focal más corta posible para un diámetro de lente determinado (para una lente esférica). Debido a la invariante óptica , esto permite que la luz de un haz colimado se enfoque en diámetros más pequeños de los que se podrían lograr con otras lentes esféricas. De manera similar, una fuente puntual de luz colocada en el punto focal producirá un haz colimado que emanará del lado opuesto de la lente, y la gran relación de diámetro a distancia focal de la lente (gran apertura numérica ) permite capturar más luz de la que sería posible con otras lentes esféricas. Esto hace que las lentes esféricas sean particularmente adecuadas para acoplar luz de un láser a un cable de fibra óptica o un detector, o de un cable de fibra óptica a otro, o para sistemas microópticos. Además, las lentes esféricas son omnidireccionales, lo que facilita la alineación de los acoplamientos ópticos en comparación con otros tipos de lentes, ya que todo lo que se necesita es mantener todo centrado. Las lentes esféricas para acoplamiento óptico suelen ser pequeñas, desde 5 milímetros hasta tan diminutas como 110 micrómetros, con longitudes focales que van desde 100 a 250 micrómetros. Suelen estar hechas de vidrio óptico de alta calidad, como vidrio de borosilicato o vidrio de cuarzo , o cristales como el zafiro sintético con índices de refracción que van desde 1,5 a 1,8. Los índices más altos producen una longitud focal más corta para una bola de un tamaño determinado. [1]
Las lentes esféricas se utilizan a menudo en la fibra óptica. Debido a sus cortas longitudes focales y a los consiguientes diámetros de cintura pequeños que producen en un haz láser, son ideales para enfocar casi toda la luz de un láser en un núcleo de fibra óptica. Las aperturas numéricas de la fibra y de la lente deben coincidir. La fibra normalmente se puede colocar en contacto directo con la bola, lo que ayuda a facilitar la alineación.
Además, se puede utilizar una lente esférica en el lado de salida de un cable de fibra óptica para colimar la salida y convertirla en un haz. De esta manera, se pueden utilizar dos lentes colocadas una detrás de la otra para acoplar dos cables entre sí. [2]
Las lentes esféricas rara vez se utilizan para aplicaciones de obtención de imágenes debido a su alta aberración óptica . Sin embargo, sus longitudes focales muy cortas permiten que se utilicen para hacer microscopios muy simples . Una lente esférica de 3 mm puede ampliar una imagen de 100 a 200 veces, mientras que una de 1 mm producirá imágenes de 200 a 350 veces más grandes que su tamaño real. [3] Además, debido a que son omnidireccionales y tienen una gran apertura para su longitud focal, las lentes esféricas convierten dichas imágenes en frentes de onda de Bessel , que tienen efectos de difracción reducidos y se pueden obtener imágenes en el campo lejano y en el campo cercano. [4] En 1677, Antonie van Leeuwenhoek utilizó una pequeña lente esférica para crear un microscopio de lente única con un aumento de 300×, lo que permitió la primera observación de espermatozoides . Las lentes esféricas han encontrado usos en muchas aplicaciones de microimágenes, que van desde microscopios electrónicos hasta microscopios de lente única para teléfonos inteligentes y nanomicroscopía. [5]
A diferencia de otros tipos de lentes, las propiedades de formación de imágenes de una lente esférica son omnidireccionales (independientemente de la dirección en la que se esté captando la imagen). Este efecto se aprovecha en la grabadora Campbell-Stokes , un instrumento científico que registra el brillo de la luz solar quemando la superficie de una tarjeta de papel doblada alrededor de la esfera. El dispositivo, que es fijo, registra el movimiento aparente y la intensidad del sol en el cielo, quemando una imagen del movimiento del sol en la tarjeta. [ cita requerida ]
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Los fotógrafos utilizan lentes esféricas para tomar fotografías novedosas con ángulos extremadamente amplios. [6] [7] [8] La lente esférica se coloca bastante cerca de la cámara y las propias lentes de la cámara se utilizan para enfocar una imagen a través de ella. La luz se enfoca en un pequeño punto en la superficie de salida de la bola y alcanza su punto focal justo fuera de la superficie. Desde allí, la luz diverge, invirtiendo tanto los ejes derecho/izquierdo como superior/inferior. Por lo tanto, si la cámara está demasiado cerca de la lente esférica, el fondo alrededor de la bola se verá completamente borroso. Cuanto más se aleje la cámara de la lente esférica, mejor se enfocará el fondo. [9]
En el caso de los materiales con un índice de refracción superior a 2, los objetos situados en el infinito forman una imagen dentro de la esfera. La imagen no es directamente accesible; el punto accesible más cercano está en la superficie de la esfera directamente opuesta a la fuente de luz. La mayoría de los sólidos transparentes utilizados para fabricar lentes tienen índices de refracción entre 1,4 y 1,6; solo unos pocos materiales raros tienen un índice de refracción de 2 o superior ( zirconia cúbica , nitruro de boro (c‑BN y w‑BN), diamante , moissanita ). Muchos de esos pocos son demasiado frágiles, demasiado blandos, demasiado duros o demasiado caros para la fabricación práctica de lentes ( columbita , rutilo , tantalita , tausonita ). Para un índice de refracción de exactamente 2,0, la imagen se forma en la superficie de la esfera. [ cita requerida ]
Una lente de Luneberg es una lente esférica que tiene un índice de refracción que varía radialmente y sigue un perfil determinado. Una lente de Luneberg tiene focos fuera de la lente y puede captar imágenes perfectas de un objeto esférico. Las lentes de Luneberg diseñadas para longitudes de onda de radio se utilizan en algunos sistemas de radar y antenas de radio.