Diseño de lentes ópticas

El diseño de lentes ópticas es el proceso de diseñar una lente para que cumpla con una serie de requisitos y limitaciones de rendimiento, incluyendo limitaciones de costo y fabricación. Los parámetros incluyen tipos de perfil de superficie ( esférico , asférico , holográfico , difractivo , etc.), así como el radio de curvatura , la distancia a la superficie adyacente, el tipo de material y, opcionalmente, la inclinación y el descentramiento. El proceso requiere una gran capacidad de cálculo, utilizando el trazado de rayos u otras técnicas para modelar cómo la lente afecta la luz que la atraviesa.

Los requisitos de rendimiento pueden incluir:

1. Rendimiento óptico (calidad de imagen): Se cuantifica mediante diversas métricas, como la energía encerrada , la función de transferencia de modulación , la relación de Strehl , el control de la reflexión fantasma y el rendimiento de la pupila (tamaño, ubicación y control de aberraciones); la elección de la métrica de calidad de imagen depende de la aplicación. ^{[ 1 ] [ 2 ]}
2. Requisitos físicos como peso , volumen estático , volumen dinámico, centro de gravedad y requisitos de configuración general.
3. Requisitos ambientales: rangos de temperatura , presión , vibración y blindaje electromagnético .

Las limitaciones de diseño pueden incluir espesores realistas en el centro y los bordes de los elementos de la lente, espacios de aire mínimos y máximos entre las lentes, limitaciones máximas en los ángulos de entrada y salida, e índice de refracción del vidrio físicamente realizable y propiedades de dispersión .

Los costos de fabricación y los plazos de entrega también son un factor importante en el diseño óptico. El precio de una pieza de vidrio óptico de dimensiones determinadas puede variar cincuenta veces o más, dependiendo del tamaño, el tipo de vidrio, la calidad de la homogeneidad del índice y la disponibilidad, siendo el BK7 generalmente el más económico. Los costos de piezas ópticas más grandes o gruesas de un material determinado, superiores a 100-150  mm, suelen aumentar más rápidamente que el volumen físico debido al mayor tiempo de recocido necesario para lograr una homogeneidad del índice y niveles de birrefringencia por tensión interna aceptables en todo el volumen de la pieza. La disponibilidad de piezas de vidrio depende de la frecuencia con la que un fabricante determinado produce un tipo de vidrio específico, y puede afectar seriamente el costo y el plazo de fabricación.

Las lentes se pueden diseñar inicialmente utilizando la teoría paraxial para posicionar las imágenes y las pupilas , y luego se insertan y optimizan superficies reales. En casos más sencillos, se puede omitir la teoría paraxial y optimizar la lente directamente utilizando superficies reales. Las lentes se diseñan inicialmente utilizando las propiedades promedio del índice de refracción y la dispersión (véase el número de Abbe ) publicadas en el catálogo del fabricante de vidrio y mediante cálculos de modelos de vidrio . Sin embargo, las propiedades de las piezas de vidrio reales variarán con respecto a este ideal; los valores del índice de refracción pueden variar hasta en 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 foco de la lente y el rendimiento de la imagen en sistemas altamente corregidos.

El proceso de fabricación de lentes en bruto es el siguiente:

1. Los ingredientes para la fabricación del vidrio del tipo deseado se mezclan en estado de polvo,
2. La mezcla de polvo se funde en un horno,
3. El fluido se mezcla aún más mientras está fundido para maximizar la homogeneidad del lote,
4. vertido en lentes en bruto y
5. recocido según programas de tiempo y temperatura determinados empíricamente.

La procedencia del vidrio en bruto, o "datos de fusión", se puede determinar para un lote de vidrio específico mediante la fabricación de pequeños prismas de precisión a partir de diferentes puntos del lote y la medición de su índice de refracción con un espectrómetro , generalmente a cinco o más longitudes de onda . Los programas de diseño de lentes cuentan con rutinas de ajuste de curvas que permiten ajustar los datos de fusión a una curva de dispersión seleccionada , a partir de la cual se puede calcular el índice de refracción para cualquier longitud de onda dentro del rango ajustado. Posteriormente, se puede realizar una reoptimización, o "recombinación de fusión", del diseño de la lente utilizando los datos de índice de refracción medidos, cuando estén disponibles. Al fabricarse, el rendimiento de la lente resultante se ajustará mejor a los requisitos deseados que si se asumieran los valores promedio del índice de refracción del catálogo de vidrio.

Los plazos de entrega se ven afectados por la disponibilidad de vidrio y espejos en bruto y los tiempos de adquisición, la cantidad de utillaje que un taller debe fabricar antes de comenzar un proyecto, las tolerancias de fabricación de las piezas (tolerancias más estrictas implican tiempos de fabricación más largos), la complejidad de los recubrimientos ópticos que deben aplicarse a las piezas terminadas, las complejidades adicionales en el montaje o la unión de los elementos de la lente en las celdas y en el ensamblaje general del sistema de lentes, así como cualquier alineación posterior al ensamblaje, las pruebas de control de calidad y el utillaje necesarios. Los costos de utillaje y los plazos de entrega pueden reducirse utilizando el utillaje existente 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 con espacio de aire tiene nueve variables (cuatro radios de curvatura, dos espesores, un espesor de espacio de aire y dos tipos de vidrio). Una lente multiconfiguracional, corregida en una amplia banda espectral y campo de visión, que abarca un rango de distancias focales y un rango de temperatura realista, puede tener un volumen de diseño complejo con más de cien dimensiones.

Las técnicas de optimización de lentes que pueden navegar por este espacio multidimensional y avanzar hacia 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 ]} Grey ^{[ 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 en el espacio de diseño. Esto permite refinar rápidamente los conceptos de diseño. El software popular de diseño óptico incluye OpticStudio de Zemax , Code V de Synopsys y OSLO de Lambda Research . En la mayoría de los casos, el diseñador debe primero elegir un diseño viable para el sistema óptico, y luego se utiliza el modelado numérico para refinarlo. ^{[ 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 los cumplen.

• Ingeniería óptica
• Fabricación y pruebas (componentes ópticos)
• Análisis de la matriz de transferencia de rayos
• Diseño de lentes fotográficas
• Imperfecciones superficiales (óptica)
• Luz dispersa

• La biblioteca de diseño y simulación óptica de GNU