Lente telecéntrica

Una lente telecéntrica es un tipo especial de lente óptica (a menudo una lente objetivo o una lente de cámara ) que tiene su pupila de entrada o de salida , o ambas, en el infinito. La magnificación de la imagen de una lente telecéntrica es insensible a la distancia entre el objeto que se está proyectando y la lente, o a la distancia entre el plano de la imagen y la lente, o a ambas; ^{[ 1 ]} esta propiedad óptica especializada se llama telecentricidad . ^{[ 2 ]} Las lentes telecéntricas se utilizan para mediciones ópticas bidimensionales de precisión , reproducción (por ejemplo, fotolitografía ) y otras aplicaciones que son sensibles a la magnificación de la imagen o al ángulo de incidencia de la luz.

Una forma sencilla de hacer que una lente sea telecéntrica es colocar el diafragma en uno de sus puntos focales . ^{[ 3 ]} Esto permite que solo los rayos paralelos al eje óptico (incluidos los rayos principales que pasan por el centro del diafragma) atraviesen la lente desde los puntos del objeto en el campo de visión para formar la imagen. Las lentes telecéntricas disponibles comercialmente suelen ser lentes compuestas que incluyen múltiples elementos para mejorar su rendimiento óptico. La telecentricidad no es una propiedad intrínseca de estos elementos; se establece por la ubicación del diafragma en la lente. El diafragma permite el paso selectivo de los rayos de luz que la atraviesan, y la selección específica de rayos paralelos hace que la lente sea telecéntrica.

Si una lente no es telecéntrica, es entocéntrica o hipercéntrica . Las lentes comunes suelen ser entocéntricas. En particular, una lente simple sin diafragma independiente es entocéntrica. En este tipo de lente, el rayo principal que se origina en cualquier punto fuera del eje óptico nunca es paralelo a este, ni delante ni detrás de la lente. Una lente no telecéntrica presenta una magnificación variable para objetos situados a diferentes distancias de la lente. Una lente entocéntrica tiene una menor magnificación para objetos más lejanos; los objetos del mismo tamaño parecen más pequeños cuanto más lejos están. Una lente hipercéntrica produce imágenes más grandes cuanto más lejos está el objeto.

Una lente telecéntrica puede ser telecéntrica en el espacio del objeto , telecéntrica en el espacio de la imagen o bi-telecéntrica (también llamada doblemente telecéntrica ). En una lente telecéntrica en el espacio del objeto, el tamaño de la imagen no cambia con la distancia al objeto, y en una lente telecéntrica en el espacio de la imagen, el tamaño de la imagen no cambia con la distancia del lado de la imagen a la lente.

Un objetivo telecéntrico en el espacio objeto tiene la pupila de entrada (la imagen del diafragma del objetivo, formada por la óptica que tiene delante) en el infinito y proporciona una proyección ortográfica en lugar de la proyección en perspectiva de un objetivo entocéntrico. Los objetivos telecéntricos en el espacio objeto tienen una distancia de trabajo . Los objetos a esta distancia están enfocados y se proyectan nítidamente sobre el sensor de imagen a la distancia focal de brida de la cámara. Un objeto que esté más cerca o más lejos está desenfocado y puede aparecer borroso, pero tendrá el mismo tamaño independientemente de la distancia.

Los objetivos telecéntricos suelen ser más grandes, pesados ​​y caros que los objetivos normales de distancia focal y número f similares . Esto se debe, en parte, a los componentes adicionales necesarios para lograr la telecentricidad y, en parte, a que el primer elemento de un objetivo telecéntrico en el espacio objeto debe tener al menos el mismo tamaño que el objeto más grande que se va a fotografiar. El elemento frontal de un objetivo telecéntrico en el espacio objeto suele ser mucho mayor que la montura de la cámara. A diferencia de los objetivos entocéntricos, donde los objetivos se hacen más grandes para aumentar la apertura y así captar más luz o reducir la profundidad de campo , un objetivo telecéntrico en el espacio objeto de mayor diámetro (pero por lo demás similar) no es más luminoso que un objetivo más pequeño. Debido a sus aplicaciones previstas, los objetivos telecéntricos suelen tener mayor resolución y transmiten más luz que los objetivos fotográficos normales.

Los objetivos telecéntricos comerciales de espacio objeto suelen caracterizarse por su aumento, distancia de trabajo y tamaño máximo del círculo de imagen o sensor de imagen. Un objetivo verdaderamente telecéntrico no tiene anillo de enfoque para ajustar la posición del plano focal. Sin embargo, algunos objetivos telecéntricos comerciales sí lo incluyen. Este anillo permite ajustar ligeramente la distancia de trabajo y el aumento, aunque se pierde algo de telecentricidad. En ocasiones, los fabricantes especifican la resolución del sensor o el tamaño del píxel para describir la calidad óptica del objetivo y la resolución óptica máxima que puede alcanzar debido a sus aberraciones .

Debido a que sus imágenes tienen una magnificación constante y un ángulo de visión constante en todo el campo de visión, las lentes telecéntricas en el espacio de objetos se utilizan para aplicaciones de metrología , donde un sistema de visión artificial debe determinar el tamaño y la forma precisos de los objetos independientemente de su distancia y posición exactas dentro del campo de visión.

Para optimizar el efecto telecéntrico cuando los objetos se iluminan desde atrás , se puede utilizar una lente telecéntrica adicional en el espacio de la imagen como iluminador telecéntrico (o colimado) , que produce un flujo de luz paralelo, a menudo procedente de fuentes LED .

Una lente telecéntrica en el espacio de la imagen tiene la pupila de salida (la imagen del diafragma formada por la óptica posterior) en el infinito y produce imágenes del mismo tamaño independientemente de la distancia entre la lente y la película o el sensor de imagen . Esto permite que la lente enfoque la luz de un objeto o muestra a diferentes distancias sin cambiar el tamaño de la imagen. Una lente telecéntrica en el espacio de la imagen es una lente telecéntrica en el espacio del objeto invertida, y viceversa.

Dado que los rayos principales (rayos de luz que pasan por el centro del diafragma) después de una lente telecéntrica en el espacio de la imagen son siempre paralelos al eje óptico, estas lentes se utilizan a menudo en aplicaciones sensibles al ángulo de incidencia de la luz. Los divisores de haz o filtros selectivos de color basados ​​en interferencia, así como los interferómetros Fabry-Pérot, son dos ejemplos donde se utiliza la telecentricidad en el espacio de la imagen. Otro ejemplo es minimizar la diafonía entre píxeles en sensores de imagen y maximizar la eficiencia cuántica de un sensor. El sistema Four Thirds inicialmente requería lentes telecéntricas en el espacio de la imagen, pero con la mejora de los sensores, el requisito del ángulo de incidencia se ha relajado. ^{[ 4 ]} Dado que cada píxel es iluminado con el mismo ángulo por una lente telecéntrica en el espacio de la imagen, también se utilizan para aplicaciones de medición radiométrica y de color , donde se necesita que la irradiancia sea la misma independientemente de la posición del campo.

En una lente bi-telecéntrica (o doblemente telecéntrica), tanto la pupila de entrada como la de salida se encuentran en el infinito. El aumento es constante a pesar de las variaciones en la distancia del objeto observado y del sensor de imagen con respecto a la lente, lo que permite mediciones del tamaño del objeto más precisas que con una lente mono-telecéntrica (es decir, las mediciones son insensibles a los errores de posicionamiento del objeto y del sensor de imagen).

Una lente bitelecéntrica es afocal , lo que significa que no tiene una distancia focal efectiva y sus puntos cardinales no están definidos. ^{[ 5 ]} Dicha lente aún forma una imagen, pero el tamaño y la posición de la imagen se calculan utilizando fórmulas diferentes a las que se usan para las lentes típicas. ^{[ 6 ]}

Los objetivos bi-telecéntricos comerciales suelen estar optimizados para lograr una distorsión de imagen y una curvatura de campo mínimas, lo que permite realizar mediciones precisas en todo el campo de visión con gran resolución . Estos objetivos suelen constar de más de 10 elementos.

Las lentes bitelcéntricas grandes y pesadas con muchos elementos ópticos se utilizan comúnmente en la litografía óptica (que copia una plantilla de un circuito eléctrico para imprimir o fabricar en obleas semiconductoras para la producción en masa de dispositivos semiconductores) porque pequeñas distorsiones de imagen y errores de posicionamiento pueden ser críticos para la funcionalidad del dispositivo fabricado. ^{[ 7 ]}