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Lentes asféricas vs. Lentes esféricas: diferencias y aplicaciones

Lentes esféricas

Lentes esféricasson ópticas rotativamente simétricas cuya forma corresponde a una sección de una esfera (Fig. 1). La distancia del centro geométrico al radio de curvatura es constante.Esto significa que la superficie ópticamente efectiva se puede describir con un solo parámetro: el radio R. Esta uniformidad otorga a las lentes esféricas ventajas significativas de coste en la fabricación.

Figura 1: Área ópticamente efectiva de una superficie esférica definida por el radio Ra

Ventajas de fabricación

La geometría esférica permite procesos de producción simplificados y tiempos de entrega más cortos, especialmente para diámetros pequeños donde se pueden fabricar múltiples ópticas simultáneamente en un solo sustrato.La geometría uniforme de la superficie también agiliza la inspección ópticaLas técnicas de medición incluyen:

• Métodos táctiles (profilómetros, CMM)

• Métodos ópticos (interferómetros, CGH)

Aplicaciones
Ampliamente utilizado en:

• La metrología

• Aeronautica y aeroespacial(por ejemplo, espectrómetros por satélite)

• Tecnología médica(por ejemplo, lámparas de hendidura para exámenes oculares)
  Su bajo costo, producción rápida y versatilidad los convierten en fundamentales para las ópticas con excelentes relaciones precio-rendimiento.

Optimización del rendimiento óptico

Lentes esféricasUtilizan propiedades de recolección, dispersión o enfoque para refractar la luz.

• La calidad de la imagen se puede mejorar ajustando la posición de la fuente de luz o el tamaño de la apertura.

• La aberración esférica se puede reducir a través de paradas de apertura que bloquean los rayos periféricos.

• Las combinaciones de lentes múltiples (por ejemplo, acromatas lentes convexas/cóncavas unidas) son correctascromático/aberraciones esféricas, comúnmente utilizadas enLentes de las cámaras.

Lentes asféricas
Los asféricos son ideales para aplicaciones que requieren:

• Alta calidad de imagen

• Gran apertura numérica

• Minimización del espacio
  Estas ópticas rotativamente simétricas presentan radios de curvatura radialmente variables (Fig. 2), que se desvían de los perfiles esféricos para mejorar significativamente el rendimiento de las imágenes.

Fig. 2: Comparación de las áreas ópticamente efectivas: superficie esférica vs superficie asférica

Características clave

• El aplanamiento periférico reduce la aberración esférica asegurando que todos los rayos incidentes converjan en un punto focal común (Fig. 3).

• Elimina el desenfoque causado por la aberración esférica.

• Definición matemática de la superficie (ecuación de la asfera):

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• 
• Donde:
  $Z\; es$= altura sagital
  $h$= distancia del eje óptico
  $R$= radio de base
  $el$= constante cónica
  $A.\; No$2- ¿ Qué?= coeficientes asféricos
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• 

Figura 3: Corrección de la aberración esférica a través de la superficie asférica

Miniaturización del sistema
Las asféricas permiten diseños ópticos compactos:

• Ejemplo: los amplificadores de haz monolíticos (por ejemplo, asphericon ′s a-BeamExpander) reducen la longitud del sistema en un 50% en comparación con los telescopios de Kepler / Galileo (Fig. 5).

• La reducción de peso beneficia a las aplicaciones aeroespaciales (por ejemplo, los satélites de observación de la Tierra como Sentinel-4).

Figura 5: Comparación de las dimensiones:BeamExpander es el mejorcontra el tradicionaltelescopios

Producción y metrología

Los avances modernos permiten una fabricación de volumen de alta precisión:

• Métodos: molienda, pulido

• Técnicas de medición:

  • Interferometría de la GCH

  • Proyección táctil

  • Interferometría de ondas de inclinación (topografía de la superficie en 20-30 segundos)

• La producción digitalizada (por ejemplo, el flujo de trabajo totalmente automatizado de asphericon) reduce los costos a través de la optimización de lotes.

Aplicaciones

• Sistemas láser (formación/expansión del haz)

• Microscopía de fluorescencia

• Sistemas de proyección

• Instrumentación por satélite

Comparación final