
Una lente es un dispositivo óptico transmisivo que enfoca o dispersa un haz de luz mediante refracción . Una lente simple consta de una sola pieza de material transparente , mientras que una lente compuesta consta de varias lentes simples ( elementos ), generalmente dispuestas a lo largo de un eje común . Las lentes se fabrican con materiales como vidrio o plástico y se tallan , pulen o moldean para obtener la forma deseada. Una lente puede enfocar la luz para formar una imagen , a diferencia de un prisma , que refracta la luz sin enfocarla. Los dispositivos que enfocan o dispersan ondas y radiación distintas de la luz visible también se denominan "lentes", como las lentes de microondas , las lentes electrónicas , las lentes acústicas o las lentes explosivas .
Las lentes se utilizan en diversos dispositivos de imagen, como telescopios , binoculares y cámaras . También se utilizan como ayudas visuales en gafas para corregir defectos de visión como la miopía y la hipermetropía .
Historia


La palabra lente proviene de lēns , el nombre latino de la lenteja (una semilla de la planta de lenteja), porque una lente biconvexa tiene forma de lenteja. La lenteja también da nombre a una figura geométrica . [ a ]
Algunos estudiosos sostienen que la evidencia arqueológica indica que hubo un uso generalizado de lentes en la antigüedad, que abarcó varios milenios. [ 1 ] Otros argumentan que, además de su uso como lentes de lectura, la mayoría de las "lentes" antiguas debieron ser decorativas más que funcionales. [ 2 ]
La lente de Nimrud es un artefacto de cristal de roca que data del siglo VII a. C. y que pudo haber sido utilizado como lupa o como vidrio de aumento. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Otros han sugerido que ciertos jeroglíficos egipcios representan "lentes meniscoles de vidrio simples". [ 6 ]
La referencia más antigua y certera al uso de una lente como lupa se encuentra en la obra de Aristófanes , Las nubes (424 a. C.). [ 7 ]
Plinio el Viejo (siglo I) confirma que los prismáticos eran conocidos en el período romano. [ 8 ] Es posible que Plinio se refiriera al uso de una lente correctora cuando menciona que se decía que Nerón veía los juegos de gladiadores usando una esmeralda (posiblemente cóncava para corregir la miopía , aunque la referencia es confusa y esta interpretación ha sido cuestionada. [ 9 ] [ 10 ]
En sus Naturales quaestiones , Séneca el Joven (3 a. C.-65 d. C.) escribió que «para quienes ven a través del agua, todas las cosas son mucho más grandes; las letras, por minúsculas y oscuras que sean, se perciben más grandes y claras a través de una esfera de vidrio llena de agua; las frutas parecen tener una forma más armoniosa de lo que realmente tienen si flotan en el vidrio». [ 11 ]
Ptolomeo (siglo II) escribió un libro sobre óptica , del cual, sin embargo, solo se conserva la traducción latina de una traducción árabe incompleta y de muy baja calidad. No obstante, el libro fue recibido por eruditos medievales del mundo islámico y comentado por Ibn Sahl (siglo X), quien a su vez lo mejoró con Alhazen ( Libro de Óptica , siglo XI). La traducción árabe de la Óptica de Ptolomeo estuvo disponible en latín en el siglo XII ( Eugenio de Palermo, 1154).
Entre los siglos XI y XIII se utilizaban « piedras de lectura ». Se trataba de lentes plano-convexas primitivas, fabricadas inicialmente cortando una esfera de vidrio por la mitad. Las lentes Visby de cristal de roca medievales (siglos XI o XII) podrían haber estado destinadas o no a ser utilizadas como lentes de lectura. [ 12 ]
Las gafas se inventaron como una mejora de las "piedras de lectura" del período altomedieval en el norte de Italia en la segunda mitad del siglo XIII. [ 13 ] Este fue el comienzo de la industria óptica de pulido y tallado de lentes para gafas, primero en Venecia y Florencia a finales del siglo XIII, [ 14 ] y más tarde en los centros de fabricación de gafas de los Países Bajos y Alemania . [ 15 ] Los fabricantes de gafas crearon tipos mejorados de lentes para la corrección de la visión basándose más en el conocimiento empírico obtenido al observar los efectos de las lentes (probablemente sin el conocimiento de la teoría óptica rudimentaria de la época). [ 16 ] [ 17 ] El desarrollo práctico y la experimentación con lentes llevaron a la invención del microscopio óptico compuesto alrededor de 1595 y del telescopio refractor en 1608, ambos presentes en los centros de fabricación de gafas de los Países Bajos. [ 18 ] [ 19 ]
Con la invención del telescopio y el microscopio, se llevó a cabo una gran cantidad de experimentación con formas de lentes en los siglos XVII y principios del XVIII por parte de quienes intentaban corregir los errores cromáticos observados en las lentes. Los ópticos intentaron construir lentes de diversas formas de curvatura, asumiendo erróneamente que los errores se debían a defectos en la forma esférica de sus superficies. [ 20 ] La teoría óptica sobre la refracción y la experimentación demostraban que ninguna lente de un solo elemento podía enfocar todos los colores. Esto condujo a la invención de la lente acromática compuesta por Chester Moore Hall en Inglaterra en 1733, una invención que también reivindicó su compatriota John Dollond en una patente de 1758.
El desarrollo del comercio transatlántico impulsó la construcción de faros modernos en el siglo XVIII, los cuales utilizan una combinación de líneas de visión elevadas, fuentes de luz y lentes para proporcionar ayuda a la navegación en alta mar. Debido a la máxima distancia de visibilidad requerida en los faros, las lentes convexas convencionales tendrían que ser de un tamaño considerable, lo que afectaría negativamente el desarrollo de los faros en términos de costo, diseño e implementación. Se desarrollaron lentes de Fresnel que tuvieron en cuenta estas limitaciones al utilizar menos material gracias a su sección anular concéntrica. Se implementaron por primera vez en un faro en 1823. [ 21 ]
Construcción de lentes simples
La mayoría de las lentes son esféricas : sus dos superficies son partes de las superficies de una esfera. Cada superficie puede ser convexa (sobresaliendo de la lente), cóncava (hundida en la lente) o plana . La línea que une los centros de las esferas que componen las superficies de la lente se denomina eje de la lente. Normalmente, el eje de la lente pasa por su centro físico, debido a su proceso de fabricación. Las lentes pueden cortarse o pulirse después de su fabricación para darles una forma o tamaño diferente. En ese caso, el eje de la lente puede no pasar por su centro físico.
Las lentes tóricas o esferocilíndricas tienen superficies con dos radios de curvatura diferentes en dos planos ortogonales. Presentan una potencia focal distinta en cada meridiano. Esto da lugar a una lente astigmática . Un ejemplo son las lentes de las gafas que se utilizan para corregir el astigmatismo .
Tipos de lentes simples

Las lentes se clasifican según la curvatura de sus dos superficies ópticas. Una lente es biconvexa (o simplemente convexa ) si ambas superficies son convexas . Si ambas superficies tienen el mismo radio de curvatura, la lente es equiconvexa . Una lente con dos superficies cóncavas es biconcava (o simplemente cóncava ). Si una de las superficies es plana, la lente es planoconvexa o planocóncava, dependiendo de la curvatura de la otra superficie. Una lente con un lado convexo y otro cóncavo es convexo-cóncava o menisco . Las lentes convexo-cóncavas se utilizan con mayor frecuencia en lentes correctivas , ya que su forma minimiza algunas aberraciones.
En una lente biconvexa o plano-convexa en un medio de bajo índice de refracción, un haz de luz colimado que la atraviesa converge en un punto ( foco ) detrás de ella. En este caso, la lente se denomina positiva o convergente . Para una lente delgada en el aire, la distancia desde la lente hasta el foco es la distancia focal , que se representa comúnmente con la letra f en diagramas y ecuaciones. Una lente hemisférica extendida es un tipo especial de lente plano-convexa, cuya superficie curva es un hemisferio completo y cuyo espesor es mucho mayor que el radio de curvatura.
Otro caso extremo de lente convexa gruesa es la lente esférica , cuya forma es completamente redonda. En fotografía experimental, se la suele llamar "lente esférica". Una lente esférica tiene la ventaja de ser omnidireccional, pero para la mayoría de los tipos de vidrio óptico , su punto focal se encuentra cerca de la superficie de la esfera. Debido a la curvatura extrema de la esfera en comparación con el tamaño de la lente, la aberración óptica es mucho peor que en las lentes delgadas, con la notable excepción de la aberración cromática .
En una lente bicóncava o planocóncava en un medio de bajo índice de refracción, un haz de luz colimado que la atraviesa se dispersa; por lo tanto, se la denomina lente negativa o divergente . Tras atravesar la lente, el haz parece emanar de un punto específico del eje situado frente a ella. Para una lente delgada en el aire, la distancia desde este punto hasta la lente es la distancia focal, aunque es negativa con respecto a la distancia focal de una lente convergente.
El comportamiento se invierte cuando una lente se coloca en un medio con un índice de refracción mayor que el del material de la lente. En este caso, una lente biconvexa o planoconvexa diverge la luz, y una bicóncava o planocóncava la converge.

Las lentes convexo-cóncavas (menisco) pueden ser positivas o negativas, dependiendo de la curvatura relativa de sus dos superficies. Una lente menisco negativa tiene una superficie cóncava más pronunciada (con un radio menor que la superficie convexa) y es más delgada en el centro que en la periferia. Por el contrario, una lente menisco positiva tiene una superficie convexa más pronunciada (con un radio menor que la superficie cóncava) y es más gruesa en el centro que en la periferia.
Una lente delgada ideal con dos superficies de igual curvatura (y signo igual) tendría potencia óptica cero (ya que su distancia focal tiende a infinito, como se muestra en la ecuación del fabricante de lentes ), lo que significa que no convergería ni divergiría la luz. Sin embargo, todas las lentes reales tienen un espesor distinto de cero, lo que hace que una lente real con superficies curvas idénticas tenga una potencia ligeramente positiva. Para obtener una potencia óptica exactamente cero, una lente menisco debe tener curvaturas ligeramente desiguales para compensar el efecto del espesor de la lente.
Para una superficie esférica

Para una sola refracción en un límite circular, la relación entre el objeto y su imagen en la aproximación paraxial viene dada por [ 22 ] [ 23 ].
donde R es el radio de la superficie esférica, n 2 es el índice de refracción del material de la superficie, n 1 es el índice de refracción del medio (el medio distinto del material de la superficie esférica),es la distancia del objeto en el eje (en el eje óptico) desde la línea perpendicular al eje hacia el punto de refracción en la superficie (cuya altura es h ), yes la distancia de la imagen en el eje desde la línea. Debido a la aproximación paraxial donde la línea de h está cerca del vértice de la superficie esférica que encuentra el eje óptico a la izquierda,yTambién se consideran distancias con respecto al vértice.
Emocionantehacia el infinito derecho conduce a la primera distancia focal del objeto.para la superficie esférica. De manera similar,Hacia el infinito izquierdo se llega a la segunda distancia focal o imagen.. [ 24 ]
Aplicando esta ecuación a las dos superficies esféricas de una lente y aproximando el espesor de la lente a cero (es decir, una lente delgada) se llega a la fórmula del fabricante de lentes .
Derivación


Aplicando la ley de Snell a la superficie esférica,
También en el diagrama,y utilizando la aproximación de ángulo pequeño (aproximación paraxial) y eliminando i , r y θ ,
Ecuación del fabricante de lentes

La distancia focal (efectiva)de una lente esférica en aire o vacío para rayos paraxiales se puede calcular a partir de la ecuación del fabricante de lentes : [ 25 ] [ 26 ]
dónde
- es el índice de refracción del material de la lente;
- es el radio de curvatura (con signo, ver más abajo ) de la superficie de la lente más cercana a la fuente de luz;
- es el radio de curvatura de la superficie de la lente más alejada de la fuente de luz; y
- es el espesor de la lente (la distancia a lo largo del eje de la lente entre los dos vértices de la superficie ).
La distancia focales con respecto a los planos principales de la lente y las ubicaciones de los planos principales.yCon respecto a los vértices de la lente correspondiente, se dan las siguientes fórmulas, donde es un valor positivo si es a la derecha del vértice correspondiente. [ 26 ]
La distancia focales positivo para lentes convergentes y negativo para lentes divergentes. El recíproco de la distancia focal,es la potencia óptica de la lente. Si la distancia focal está en metros, esto da la potencia óptica en dioptrías (metros recíprocos).
Las lentes tienen la misma distancia focal cuando la luz viaja desde atrás hacia adelante que cuando viaja desde adelante hacia atrás. Otras propiedades de la lente, como las aberraciones, no son las mismas en ambas direcciones.
Convención de signos para los radios de curvatura R 1 y R 2
Los signos de los radios de curvatura de la lente indican si las superficies correspondientes son convexas o cóncavas. La convención de signos utilizada para representar esto varía, [ 27 ] pero en este artículo un R positivo indica que el centro de curvatura de una superficie está más adelante en la dirección del viaje del rayo (derecha, en los diagramas adjuntos), mientras que un R negativo significa que los rayos que llegan a la superficie ya han pasado el centro de curvatura. En consecuencia, para superficies de lentes externas como se muestra en el diagrama anterior, R 1 > 0 y R 2 < 0 indican superficies convexas (utilizadas para converger la luz en una lente positiva), mientras que R 1 < 0 y R 2 > 0 indican superficies cóncavas . El recíproco del radio de curvatura se llama curvatura . Una superficie plana tiene curvatura cero, y su radio de curvatura es infinito .
Convención de signos para otros parámetros
Esta convención se utiliza en este artículo. Otras convenciones, como la convención de signos cartesiana, modifican la forma de las ecuaciones.
aproximación de lente delgada
Si d es pequeño en comparación con R 1 y R 2, entonces se puede hacer la aproximación de lente delgada . Para una lente en el aire, f viene dada por [ 29 ].
Derivación

La ecuación de la lente delgada esférica en aproximación paraxial se deriva aquí con respecto a la figura de la derecha. [ 29 ] La primera superficie de la lente esférica (que se encuentra con el eje óptico en(como su vértice) proyecta una imagen de un objeto en el eje O a la imagen virtual I', que puede describirse mediante la siguiente ecuación,Para la formación de imágenes mediante la segunda superficie de la lente ( I' como objeto para esta imagen), tomando la convención de signos anterior,ySumando estas dos ecuaciones se obtienePara la aproximación de lente delgada dondeEl segundo término del RHS (lado derecho) se ha ido, así que
La distancia focalde la lente delgada se encuentra limitando
Entonces, la ecuación de la lente delgada gaussiana es
Para la lente delgada en el aire o en el vacío dondese puede asumir,se convierte
donde el subíndice de 2 ense cae.
Propiedades de imagen
Como se mencionó anteriormente, una lente positiva o convergente en el aire enfoca un haz colimado que viaja a lo largo del eje de la lente en un punto (conocido como punto focal ) a una distancia f de la lente. A la inversa, una fuente puntual de luz colocada en el punto focal se convierte en un haz colimado por la lente. Estos dos casos son ejemplos de formación de imágenes en lentes. En el primer caso, un objeto a una distancia infinita (representado por un haz de ondas colimado) se enfoca en una imagen en el punto focal de la lente. En el segundo, un objeto a la distancia de la distancia focal de la lente se proyecta en el infinito. El plano perpendicular al eje de la lente situado a una distancia f de la lente se llama plano focal .
ecuación de la lente
Para rayos paraxiales , si las distancias desde un objeto a una lente delgada esférica (una lente de espesor despreciable) y desde la lente a la imagen son S 1 y S 2 respectivamente, las distancias están relacionadas por la fórmula de la lente delgada (gaussiana) : [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]

La figura de la derecha muestra cómo se puede encontrar la imagen de un punto del objeto utilizando tres rayos: el primero incide paralelamente sobre la lente y se refracta hacia su segundo foco; el segundo atraviesa el centro óptico de la lente (por lo que su dirección no cambia); y el tercero se dirige hacia el primer foco y se refracta en la dirección paralela al eje óptico. Este es un método sencillo de trazado de rayos. Dos de los tres rayos son suficientes para localizar el punto de la imagen. Al mover el objeto a lo largo del eje óptico, se demuestra que el segundo rayo determina el tamaño de la imagen, mientras que los otros dos ayudan a localizar su posición.
La ecuación de la lente también se puede expresar en la forma "newtoniana": [ 28 ]
dóndeyes positivo si se deja en el punto focal frontal, yes positivo si está justo al punto focal trasero. PorqueSi es positivo, un punto objeto y el punto de imagen correspondiente formado por una lente siempre están en lados opuestos con respecto a sus respectivos puntos focales.yson positivos o negativos.)
Esta formulación newtoniana de la ecuación de la lente se puede obtener mediante la semejanza entre los triángulos P₁PO₁F₁ y L₃L₂F₁ , y otra semejanza entre los triángulos L₁L₂F₂ y P₂PO₂F₂ en la figura de la derecha . Estas semejanzas dan lugar a las siguientes ecuaciones , y al combinarlas se obtiene la formulación newtoniana de la ecuación de la lente .


Las ecuaciones anteriores también son válidas para lentes gruesas (incluida una lente compuesta formada por varias lentes, que puede tratarse como una lente gruesa) en aire o vacío (cuyo índice de refracción puede tratarse como 1) si,, yson con respecto a los planos principales de la lente (es la distancia focal efectiva en este caso). [ 26 ] Esto se debe a similitudes triangulares como el caso de la lente delgada anterior; similitud entre los triángulos P 1 P O1 F 1 y L 3 H 1 F 1 y otra similitud entre los triángulos L 1 ' H 2 F 2 y P 2 P 02 F 2 en la figura de la derecha. Si las distancias S 1 o S 2 pasan a través de un medio distinto del aire o el vacío, entonces se requiere un análisis más complicado.
Si un objeto se coloca a una distancia S₁ > f de una lente positiva de distancia focal f , obtendremos una imagen a una distancia S₂ según esta fórmula. Si se coloca una pantalla a una distancia S₂ en el lado opuesto de la lente, se formará una imagen en ella. Este tipo de imagen, que puede proyectarse sobre una pantalla o sensor de imagen , se conoce como imagen real . Este es el principio de la cámara y también del ojo humano , en el que la retina actúa como sensor de imagen.
El ajuste de enfoque de una cámara modifica S2 , ya que usar una distancia de imagen diferente a la requerida por esta fórmula produce una imagen desenfocada (borrosa) para un objeto situado a una distancia S1 de la cámara. Dicho de otro modo, modificar S2 hace que los objetos situados a una distancia S1 diferente se enfoquen perfectamente .

En algunos casos, S2 es negativo, lo que indica que la imagen se forma en el lado opuesto de la lente al lugar donde se consideran esos rayos. Dado que los rayos de luz divergentes que emanan de la lente nunca se enfocan y no están físicamente presentes en el punto donde parecen formar una imagen, se denomina imagen virtual . A diferencia de las imágenes reales, una imagen virtual no se puede proyectar en una pantalla, pero aparece ante un observador que mira a través de la lente como si fuera un objeto real en la ubicación de esa imagen virtual. Del mismo modo, aparece ante una lente posterior como si fuera un objeto en esa ubicación, de modo que esa segunda lente podría enfocar nuevamente esa luz en una imagen real, y S1 se mide entonces desde la ubicación de la imagen virtual detrás de la primera lente hasta la segunda lente. Esto es exactamente lo que hace el ojo cuando mira a través de una lupa . La lupa crea una imagen virtual (amplificada) detrás de ella, pero esos rayos son luego re-imagenados por el cristalino del ojo para crear una imagen real en la retina .
Al usar una lente positiva de distancia focal f , se obtiene una imagen virtual cuando S 1 < f , utilizándose así la lente como una lupa (en lugar de si S 1 ≫ f como en una cámara). Al usar una lente negativa ( f < 0 ) con un objeto real ( S 1 > 0 ) solo se puede producir una imagen virtual ( S 2 < 0 ), según la fórmula anterior. También es posible que la distancia del objeto S 1 sea negativa, en cuyo caso la lente ve un objeto virtual . Esto sucede cuando la lente se inserta en un haz convergente (enfocado por una lente anterior) antes de la ubicación de su imagen real. En ese caso, incluso una lente negativa puede proyectar una imagen real, como lo hace una lente Barlow .
Para una lente dada con distancia focal f , la distancia mínima entre un objeto y la imagen real es 4f ( S₁ = S₂ = 2f ) . Esto se obtiene haciendo L = S₁ + S₂ , expresando S₂ en términos de S₁ mediante la ecuación de la lente (o expresando S₁ en términos de S₂ ), e igualando a cero la derivada de L con respecto a S₁ ( o S₂ ) . ( Nótese que L no tiene límite de crecimiento , por lo que su extremo es solo el mínimo, donde la derivada de L es cero).
Aumento
La magnificación lineal de un sistema de imagen que utiliza una sola lente viene dada por
donde M es el factor de magnificación, definido como la relación entre el tamaño de la imagen y el tamaño del objeto. La convención de signos indica que si M es negativo, como ocurre con las imágenes reales, la imagen aparece invertida con respecto al objeto. Para las imágenes virtuales, M es positivo, por lo que la imagen aparece derecha.
Esta fórmula de magnificación proporciona dos maneras fáciles de distinguir entre lentes convergentes ( f > 0 ) y divergentes ( f < 0 ): Para un objeto muy cerca de la lente ( 0 < S 1 < | f | ), una lente convergente formaría una imagen virtual magnificada (más grande), mientras que una lente divergente formaría una imagen desmagnificada (más pequeña); Para un objeto muy lejos de la lente ( S 1 > | f | > 0 ), una lente convergente formaría una imagen invertida, mientras que una lente divergente formaría una imagen derecha.
La magnificación lineal M no siempre es la medida más útil del poder de aumento. Por ejemplo, al caracterizar un telescopio o binoculares que producen solo una imagen virtual, sería más importante la magnificación angular , que expresa cuánto más grande parece un objeto distante a través del telescopio en comparación con el ojo humano. En el caso de una cámara, se citaría la escala de placa , que compara el tamaño aparente (angular) de un objeto distante con el tamaño de la imagen real producida en el foco. La escala de placa es el recíproco de la distancia focal del objetivo de la cámara ; los objetivos se clasifican como de larga distancia focal o gran angular según su distancia focal.
Utilizar una medida de aumento inapropiada puede ser formalmente correcta pero dar como resultado un número sin sentido. Por ejemplo, usar una lupa deDistancia focal de 5 cm , sostenidaa 20 cm del ojo yA 5 cm del objeto, produce una imagen virtual en el infinito de tamaño lineal infinito: M = ∞ . Pero la magnificación angular es 5, lo que significa que el objeto aparece 5 veces más grande al ojo que sin la lente. Al tomar una fotografía de la luna usando una cámara con unaLente de 50 mm , uno no se preocupa por el aumento lineal M ≈−50 mm /380 000 km =−1,3 × 10 −10 . Más bien, la escala de placa de la cámara es aproximadamente1°/mm , de lo cual se puede concluir que elUna imagen de 0,5 mm en la película corresponde a un tamaño angular de la luna visto desde la Tierra de aproximadamente 0,5°.
En el caso extremo en que un objeto se encuentra a una distancia infinita, S 1 = ∞ , S 2 = f y M = − f /∞ = 0 , lo que indica que el objeto se proyectaría en un único punto del plano focal. De hecho, el diámetro del punto proyectado no es cero, ya que la difracción impone un límite inferior al tamaño de la función de dispersión puntual . Esto se denomina límite de difracción .
Resumen

Aberraciones
Las lentes no forman imágenes perfectas y siempre introducen cierto grado de distorsión o aberración , lo que hace que la imagen sea una réplica imperfecta del objeto. Un diseño cuidadoso del sistema de lentes para una aplicación específica minimiza la aberración. Varios tipos de aberración afectan la calidad de la imagen, incluyendo la aberración esférica, la coma y la aberración cromática.
Aberración esférica
La aberración esférica se produce porque las superficies esféricas no son la forma ideal para una lente, pero son, con mucho, la forma más sencilla a la que se puede dar forma al vidrio mediante tallado y pulido , por lo que se utilizan con frecuencia. La aberración esférica provoca que los haces paralelos al eje de la lente, pero lateralmente alejados de este, se enfoquen en un punto ligeramente diferente al de los haces cercanos al eje. Esto se manifiesta como una imagen borrosa. La aberración esférica se puede minimizar con formas de lente normales eligiendo cuidadosamente las curvaturas de la superficie para una aplicación específica. Por ejemplo, una lente plano-convexa, que se utiliza para enfocar un haz colimado, produce un punto focal más nítido cuando se utiliza con el lado convexo hacia la fuente del haz.
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Coma
La coma , o aberración comática , debe su nombre a la apariencia de cometa que adquiere la imagen aberrada. La coma se produce cuando se forma una imagen de un objeto fuera del eje óptico de la lente, donde los rayos la atraviesan con un ángulo θ respecto al eje . Los rayos que pasan por el centro de una lente de distancia focal f se enfocan en un punto situado a una distancia f tan θ del eje. Los rayos que pasan por los bordes exteriores de la lente se enfocan en puntos diferentes, ya sea más alejados del eje (coma positiva) o más cercanos a él (coma negativa). En general, un haz de rayos paralelos que atraviesan la lente a una distancia fija del centro se enfoca en una imagen anular en el plano focal, conocida como círculo comático (véase cada círculo de la imagen en la figura siguiente). La suma de todos estos círculos produce un destello en forma de V o de cometa. Al igual que con la aberración esférica, la coma se puede minimizar (y en algunos casos eliminar) ajustando la curvatura de las dos superficies de la lente a la aplicación. Las lentes en las que se minimizan tanto la aberración esférica como el coma se denominan lentes de forma óptima .
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Aberración cromática
La aberración cromática se debe a la dispersión del material de la lente: la variación de su índice de refracción , n , con la longitud de onda de la luz. Dado que, según las fórmulas anteriores , f depende de n , se deduce que la luz de diferentes longitudes de onda se enfoca en diferentes posiciones. La aberración cromática de una lente se observa como franjas de color alrededor de la imagen. Se puede minimizar utilizando un doblete acromático (o acromático ), en el que dos materiales con diferente dispersión se unen para formar una sola lente. Esto reduce la cantidad de aberración cromática en un cierto rango de longitudes de onda, aunque no produce una corrección perfecta. El uso de acromáticos fue un paso importante en el desarrollo del microscopio óptico. Un apocromático es una lente o sistema de lentes con una corrección de aberración cromática aún mejor, combinada con una corrección de aberración esférica mejorada. Los apocromáticos son mucho más caros que los acromáticos.
Para minimizar la aberración cromática, también se pueden utilizar diferentes materiales para lentes, como recubrimientos especializados o lentes fabricadas con fluorita cristalina . Esta sustancia natural posee el número de Abbe más alto conocido , lo que indica que tiene baja dispersión.
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Otros tipos de aberración
Otros tipos de aberración incluyen la curvatura de campo , la distorsión de barril y de cojín , y el astigmatismo .
Difracción de apertura
Aunque una lente esté diseñada para minimizar o eliminar las aberraciones descritas anteriormente, la calidad de la imagen sigue estando limitada por la difracción de la luz que atraviesa su apertura finita . Una lente limitada por difracción es aquella en la que las aberraciones se han reducido hasta el punto en que la calidad de la imagen está limitada principalmente por la difracción en las condiciones de diseño.
Lentes compuestas
Las lentes simples están sujetas a las aberraciones ópticas descritas anteriormente. En muchos casos, estas aberraciones pueden compensarse en gran medida mediante la combinación de lentes simples con aberraciones complementarias. Una lente compuesta es un conjunto de lentes simples de diferentes formas y materiales con distintos índices de refracción, dispuestas una tras otra con un eje común.
En un sistema de lentes múltiples, se puede considerar la imagen creada por la primera lente como un objeto virtual para la siguiente lente. Esa lente crea una imagen de este objeto virtual, y de esta manera la formación de imágenes se propaga a través de las lentes hasta que la última lente del sistema produce la imagen final. [ 35 ] [ 36 ] Como se muestra arriba , la ecuación de la lente gaussiana para una lente esférica se deriva de tal manera que la segunda superficie de la lente proyecta la imagen hecha por la primera superficie de la lente. Siguiendo la misma lógica, en la formación de imágenes con múltiples lentes, la tercera superficie de la lente (la superficie frontal de la segunda lente) proyecta la imagen hecha por la segunda superficie, y la cuarta superficie (la superficie posterior de la segunda lente) proyecta la imagen hecha por la tercera superficie. Esta cascada de formación de imágenes por cada superficie de la lente justifica la cascada de formación de imágenes por cada lente.
Para un sistema de dos lentes, las distancias del objeto de cada lente se pueden denotar comoyy las distancias de la imagen como yySi las lentes son delgadas, cada una cumple con la fórmula de lentes delgadas.
Si la distancia entre las dos lentes es, entonces(La segunda lente proyecta la imagen de la primera lente).
La FFD (distancia focal frontal) se define como la distancia entre el punto focal frontal (izquierdo) de un sistema óptico y el vértice de su superficie óptica más cercano. [ 37 ] Si un objeto se encuentra en el punto focal frontal del sistema, entonces su imagen formada por el sistema se encuentra infinitamente lejos a la derecha (es decir, los rayos de luz del objeto se coliman después del sistema). Para ello, la imagen de la primera lente se encuentra en el punto focal de la segunda lente, es decir,. Por lo tanto, la fórmula de la lente delgada para la primera lente se convierte en [ 38 ]
La distancia focal posterior (BFD) se define de manera similar como la distancia entre el punto focal posterior (derecho) de un sistema óptico y el vértice de su superficie óptica más cercano. Si un objeto se encuentra infinitamente lejos del sistema (a la izquierda), entonces su imagen formada por el sistema se encuentra en el punto focal posterior. En este caso, la primera lente proyecta la imagen del objeto en su punto focal. Por lo tanto, la fórmula de la lente delgada para la segunda lente se convierte en:
Un caso más sencillo es cuando se colocan lentes delgadas en contacto (). Entonces, por lo que la distancia focal combinada f de las lentes viene dada por
Dado que 1/ f es la potencia de una lente con distancia focal f , se puede observar que las potencias de las lentes delgadas en contacto son aditivas. El caso general de múltiples lentes delgadas en contacto es
dóndees el número de lentes.
Si dos lentes delgadas están separadas en el aire por una distancia d , entonces la distancia focal del sistema combinado viene dada por
Cuando d tiende a cero, la distancia focal del sistema tiende al valor de f dado para lentes delgadas en contacto. Se puede demostrar que la misma fórmula funciona para lentes gruesas si d se toma como la distancia entre sus planos principales. [ 26 ]
Si la distancia de separación entre dos lentes es igual a la suma de sus distancias focales ( d = f₁ + f₂ ), entonces la distancia focal de frente de campo (FFD) y la distancia focal de fondo (BFD) son infinitas. Esto corresponde a un par de lentes que transforman un haz paralelo (colimado) en otro haz colimado. Este tipo de sistema se denomina sistema afocal , ya que no produce convergencia ni divergencia neta del haz. Dos lentes con esta separación forman el tipo más simple de telescopio óptico . Aunque el sistema no altera la divergencia de un haz colimado, sí altera el ancho (transversal) del haz. La magnificación de dicho telescopio viene dada por
que es la relación entre el ancho del haz de salida y el ancho del haz de entrada. Nótese la convención de signos: un telescopio con dos lentes convexas ( f₁ > 0 , f₂ > 0 ) produce una magnificación negativa, lo que indica una imagen invertida. Una lente convexa más una cóncava ( f₁ > 0 > f₂ ) produce una magnificación positiva y la imagen es derecha. Para obtener más información sobre telescopios ópticos simples, consulte Telescopio refractor § Diseños de telescopios refractores .
Tipos no esféricos

Las lentes cilíndricas tienen curvatura a lo largo de un solo eje. Se utilizan para enfocar la luz en una línea o para convertir la luz elíptica de un diodo láser en un haz circular. También se emplean en lentes anamórficas para cine .
Las lentes asféricas tienen al menos una superficie que no es ni esférica ni cilíndrica. Sus formas más complejas permiten que estas lentes formen imágenes con menos aberración que las lentes simples estándar, pero su producción es más difícil y costosa. Antiguamente, su fabricación era compleja y a menudo extremadamente cara, pero los avances tecnológicos han reducido considerablemente su coste.
Una lente de Fresnel tiene su superficie óptica dividida en anillos estrechos, lo que permite que sea mucho más delgada y ligera que las lentes convencionales. Las lentes de Fresnel duraderas se pueden fabricar en plástico y son económicas.
Las lentes lenticulares son conjuntos de microlentes que se utilizan en la impresión lenticular para crear imágenes que dan la ilusión de profundidad o que cambian al ser vistas desde diferentes ángulos.
Una lente bifocal tiene dos o más distancias focales, o una distancia focal graduada, grabadas en la propia lente.
Una lente de índice gradual tiene superficies ópticas planas, pero presenta una variación radial o axial en el índice de refracción que provoca que la luz que pasa a través de la lente se enfoque.
Un axicón tiene una superficie óptica cónica . Proyecta una fuente puntual en una línea a lo largo del eje óptico , o transforma un haz láser en un anillo. [ 39 ]
Los elementos ópticos difractivos pueden funcionar como lentes.
Las superlentes están hechas de metamateriales de índice negativo y afirman producir imágenes con resoluciones espaciales que superan el límite de difracción . [ 40 ] Las primeras superlentes se fabricaron en 2004 utilizando un metamaterial de este tipo para microondas. [ 40 ] Otros investigadores han fabricado versiones mejoradas. [ 41 ] [ 42 ] A partir de 2014La superlente aún no se ha demostrado en longitudes de onda visibles o infrarrojas cercanas . [ 43 ]
Se ha desarrollado un prototipo de lente plana ultradelgada sin curvatura. [ 44 ]
Usos

Una lupa es una lente convexa simple montada en un marco con mango o soporte .
Las lentes se utilizan como prótesis para corregir errores refractivos como la miopía , la hipermetropía , la presbicia y el astigmatismo . (Véase lente correctora , lente de contacto , gafas , lente intraocular ). La mayoría de las lentes utilizadas para otros fines tienen una simetría axial estricta ; las lentes de las gafas solo son aproximadamente simétricas. Suelen tener forma para ajustarse a una montura aproximadamente ovalada, no circular; los centros ópticos se colocan sobre los globos oculares ; su curvatura puede no ser axialmente simétrica para corregir el astigmatismo. Las lentes de las gafas de sol están diseñadas para atenuar la luz; las lentes de las gafas de sol que también corrigen deficiencias visuales pueden fabricarse a medida.
Otros usos se encuentran en sistemas de imagen como monoculares , binoculares , telescopios , microscopios , cámaras y proyectores . Algunos de estos instrumentos producen una imagen virtual al aplicarse al ojo humano; otros producen una imagen real que puede capturarse en película fotográfica o un sensor óptico , o visualizarse en una pantalla. En estos dispositivos, a veces se combinan lentes con espejos curvos para formar un sistema catadióptrico, donde la aberración esférica de la lente corrige la aberración opuesta en el espejo (como los correctores Schmidt y de menisco ).
Las lentes convexas producen una imagen de un objeto situado en el infinito en su foco; si se proyecta la imagen del sol , gran parte de la luz visible e infrarroja incidente en la lente se concentra en la pequeña imagen. Una lente grande genera la intensidad suficiente para quemar un objeto inflamable en el punto focal. Dado que la ignición puede lograrse incluso con una lente de mala calidad, las lentes se han utilizado como lentes de prueba durante al menos 2400 años. [ 7 ] Una aplicación moderna es el uso de lentes relativamente grandes para concentrar la energía solar en células fotovoltaicas relativamente pequeñas , lo que permite obtener más energía sin necesidad de utilizar células más grandes y costosas. [ 45 ]
Los sistemas de radioastronomía y radar suelen utilizar lentes dieléctricas , comúnmente llamadas antenas de lente , para refractar la radiación electromagnética hacia una antena colectora.
Las lentes pueden rayarse y desgastarse. Existen recubrimientos resistentes a la abrasión para ayudar a controlar esto. [ 46 ]
Véase también
- Tratamiento antivaho de superficies ópticas
- Plano focal posterior
- Bokeh
- Punto cardinal (óptica)
- Cáustica (óptica)
- Ocular
- Número F
- Lente gravitacional
- Lente (anatomía)
- Lista de diseños de lentes
- Apertura numérica
- Recubrimientos ópticos
- Diseño de lentes ópticas
- Lente fotocromática
- Prisma (óptica)
- trazado de rayos
- Análisis de la matriz de transferencia de rayos
Notas
- ↑ A veces se encuentra la variante ortográfica lense . Si bien figura como ortografía alternativa en algunos diccionarios, la mayoría de los diccionarios convencionales no la consideran aceptable.
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- ↑ o una lente positiva.
- ↑ Rayos que convergen en cada punto de la imagen real.
- ↑ opuesto a la orientación del objeto.
- ↑ Rayos que aparentemente divergen desde cada punto de la imagen virtual.
- ↑ La imagen tiene la misma orientación que el objeto.
- ↑ o lente negativa.
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Enlaces externos
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- Lentes
- Componentes ópticos