2/21/2021
Todo acerca de Lentes Asféricas | Edmund Optics
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Todo acerca de Lentes Asféricas
Inicio: Beneficio de Lentes Asféricas
Corrección de la Aberración Esférica
El beneficio más distinguido de las lentes asféricas es su habilidad para corregir la aberración esférica. La aberración esférica es el
resultado de usar una superficie esférica para enfocar o colimar la luz. En otras palabras, todas las superficies esféricas sufren de
aberración esférica independientemente de la alineación o errores de fabricación; entonces, una superficie no esférica, o asférica, se
necesita para corregirla. Al ajustar la constante cónica y los coeficientes asféricos, una lente asférica puede optimizarse para
minimizar la aberración. Por ejemplo, consideremos la Figura 1 donde podemos ver un lente esférico con una cantidad considerable
de aberración esférica comparado con una lente asférica prácticamente sin aberración esférica. En una lente esférica, la aberración
esférica causa que los rayos de luz incidentes se concentren en puntos diferentes, creando una borrosidad; en una lente asférica, la
luz se concentra en un solo punto, por lo tanto no se crea borrosidad a comparación del lente esférico, y se mejora la calidad de la
imagen.
Para tener una mejor idea de la diferencia entre el desempeño de enfoque de un lente asféricos y uno esférico, consideremos un
ejemplo cuantitativo de dos lentes comparables con diámetro de 25 mm y distancia focal de 25 mm (f/1). La siguiente tabla hace una
comparación del tamaño del punto, tamaño de la borrosidad, colimación sobre el eje (Angulo del objeto a 0°) y fuera del eje (Angulo del objeto a 0,5° y 1,0°), rayos de luz monocromática
de 587,6 nm. El tamaño de los puntos de los lentes asféricos es mucho menor al de los de lentes esféricos.
Aberración Esférica (izquierda) en un Lente Esférico comparado con
cero Aberración Esférica en un lente Asférico (derecha)
Figura 1:
Angulo del Objeto (°)
0,0
0,5
1,0
Tamaño del punto esférico (μm)
710,01
710,96
713,84
Tamaño del punto asférico (μm)
1,43
3,91
8,11
Beneficios de desempeño adicionales
Aunque existen varias técnicas para corregir aberraciones causadas por superficies esféricas, ninguna iguala el desempeño para formar imágenes y la flexibilidad que da un lente
asférico. Otra técnica utilizada incluye aumentar el f/# al "bajar" el lente. Aunque esta técnica puede aumentar la calidad de la imagen, también reduce la cantidad de luz en el sistema, de
modo que hay que buscar una compensación de las dos.
Por otro lado, cuando usamos un lente asférico, la corrección de otras aberraciones hace posible el diseño de un sistema que permite el paso de una mayor cantidad de luz (un f/# bajo,
Apertura Numérica grande) y que a la vez mantiene una buena calidad de imagen. Consideremos lente triplete con una distancia focal de 81,5 mm, f/2 (Figura 2) con todas sus
superficies esféricas contra el mismo lente con su primer superficie siendo asférica, donde los dos están hechos del mismo material, misma distancia focal efectiva, mismo Angulo de
visión, f/#, y misma distancia total del sistema. La siguiente tabla compara cuantitativamente la Función de Modulación de Transferencia (MTF) a un contraste del 20% de luz
policromática colimada, sobre el eje y fuera del eje, a 486,1 nm, 587,6 nm, y 656,3 nm. El lente triple con la superficie asférica muestra un incremento en el desempeño en cualquier
dirección, indicado por valores de resolución tangencial y sagitalmente altos, por factores tan altos como cuatro (4) en comparación con el lente triple con superficies esféricas
únicamente.
Figura 2:
Polychromatic Light Through a Triplet Lens
Todas las Superficies Esféricas
Primeras Superficies Asféricas
Angulo del Objeto (°)
Tangencial (lp/mm)
Sagital (lp/mm)
Tangencial (lp/mm)
Sagital (lp/mm)
0,0
13,3
13,3
61,9
61,9
7,0
14,9
13,1
31,1
40,9
10,0
17,3
14,8
36,3
41,5
Ventajas del Sistema
Lentes asféricos les permite a los diseñadores ópticos corregir aberraciones usando menos elementos que con los componentes esféricos convencionales, ya que los asféricos proveen
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mayor corrección de aberraciones que utilizando múltiples superficies de los esféricos. Por ejemplo, en lentes de zoom donde se utilizan diez o más lentes, uno o dos lentes asféricos se
pueden sustituir por un puñado de lentes esféricos para lograr resultados ópticos similares o mejores, minimizar el costo total de producción, así como el tamaño total del sistema.
Un sistema óptico con más elementos puede afectar tanto parámetros ópticos como mecánicos negativamente, contribuyendo a tolerancias mecánicas con un margen menor,
procedimientos de alineación adicionales, y un incremento en la necesidad de revestimientos anti reflejantes. Todo esto puede terminar disminuyendo la utilidad total del sistema debido
a la necesidad más componentes de apoyo. Como resultado, incorporar lentes asféricos (aunque usualmente tienen un precio mayor al de los lentes esféricos del mismo f/#) puede
terminar reduciendo el precio del diseño del sistema.
Anatomía de los Lentes Asféricos
El término "asférico" incluye todo aquello que no es una porción de una esfera, pero cuando usamos ese término aquí, estamos hablando específicamente acerca de un subconjunto de
asféricos que son componentes ópticos simétricos rotacionalmente con un radio de curvatura que varía radialmente desde el centro del lente. Lentes asféricos mejoran la calidad de la
imagen, reducen el número de elementos requeridos, y disminuye costos en el diseño óptico. Desde cámaras digitales y reproductores de CD hasta objetivos microscopios de alta
calidad y microscopios fluorescentes, los lentes asféricos están creciendo en cada rama de la óptica, producción de imágenes, y la industria de la fotonica debido a las diferentes
ventajas que ofrecen en comparación a los componentes ópticos esféricos tradicionales.
Tradicionalmente, los lentes asféricos han sido definidos con un perfil de superficie (hundimiento o sag) que obedece a la Ecuación 1:
Cs
Z (s) =
1 +
2
√
1 − (1 +
k) C 2 s2
+ A4 s
4
+ A6 s
6
+ A8 s
8
+...
(1)
Donde:
Z = Hundimiento de la superficie paralela al eje óptico
s = Distancia radial del eje óptico
C = Curvatura, la inversa del radio
k = Constante cónica.
A4, A6, A8...= 4to, 6to, 8vo… orden de los términos asféricos
Cuando los coeficientes asféricos son iguales a cero, las superficies asféricas resultantes son consideradas como cónicas. La siguiente tabla muestra como la superficie cónica
generada depende de la magnitud y el signo de la constante cónica, k.
Constante Cónica
Superficie Cónica
k=0
Esfera
k > -1
Elipse
k = -1
Parábola
k < -1
Hipérbola
La característica geométrica más única de los lentes asféricos es que el radio de curvatura cambia con la distancia del eje óptico, a comparación de una esfera, que tiene un radio
constante (Figura 3). Esta forma característica de los lentes asféricos les permite mejorar el desempeño óptico a comparación de las superficies esféricas estándar.
Figura 3:
Comparación de Perfiles de Superficies Esféricas y Asféricas
En los últimos años, otras dos definiciones que usan términos ortogonales han ganado popularidad. Las llamadas lentes asféricas “Tipo Q”. Estas lentes asféricas Tipo Q, Qcon y Qbfs le
permiten a los diseñadores tener más control sobre la optimización de lentes asféricas al usar coeficientes ortogonales y generalmente reduciendo los términos necesarios para la
fabricación de una lente asférica.
¿Cómo las hacen? Tipos de Asféricós
Moldeado de Vidrio de Precisión
El Moldeado de Vidrio de Precisión usa una técnica de fabricación donde los núcleos de vidrio óptico son calentados a altas temperaturas hasta que la superficie se vuelve lo
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suficientemente maleable para ser presionada en un molde asférico (Figura 4). Después de enfriar los núcleos por varias horas, estos mantienen la forma del molde. Hasta hace poco,
esta tecnología no estaba disponible para lentes con un diámetro mayor a 10mm, pero herramientas nuevas, vidrios ópticos, y procesos de metrología han permitido en el avance de
vidrios moldeados de precisión. Crear el molde conlleva a costos altos iniciales porque tiene que ser hecho de manera precisa y de un material durable que pueda mantener una
superficie lisa y tomar en cuenta el encogimiento de los núcleos de vidrio para mantener la forma asférica deseada. Por otro lado, una vez terminado el molde, el coste incremental de
cada lente es menor al costo de un lente hecho con las técnicas de fabricación estándar, haciéndolo una gran opción para una producción de gran volumen.
Figura 4:
Plataforma para moldeado de vidrio de precisión
Pulido de precisión
Durante varios años, los lentes asféricos han sido rectificados y pulidos uno a la vez en las máquinas. Aunque este proceso no ha cambiado dramáticamente, ha habido grandes avances
en la tecnología de fabricación que han permitido elevar el nivel de precisión posible en esta técnica. Lo más notable es que la computadora que controla la precisión del pulido (Figura 5)
ajusta automáticamente los parámetros de la herramienta para pulir un poco más las áreas que lo requieran. Si se necesita mayor calidad, se utiliza el Método Magneto-Reológico (MRF)
para perfeccionar la superficie (Figura 6). La tecnología MRF provee lentes con un terminado de alto rendimiento en menos tiempo que el que requiere una técnica de pulido estándar
gracias a la precisión para pulir las áreas que lo requieran y la velocidad con la que remueve el material en exceso. Mientras que otras técnicas de fabricación generalmente requieren un
molde especial, único para cada lente, el pulido utiliza herramientas regulares, lo cual lo hace la opción principal para prototipos y producción a pequeña escala.
Pulido de precisión controlado por
computadora
Figura 5:
Figura 6:
Terminado Magneto-Reológico (MRF)
Moldeado Híbrido
El moldeado hibrido comienza con una superficie esférica estándar, como la de un lente acromático, que es luego presionado contra una capa delgada de fotopolímero en un molde
asférico para darle esa superficie neta de una superficie asférica. La técnica usa un molde asférico rectificado con diamante y un lente acromático de vidrio (aunque otros tipos de lentes
sencillos o dobles pueden ser usados). Se agrega un fotopolímero al molde, y se presiona el lente contra el mismo. Se comprimen las dos superficies y se curan con luz UV a temperatura
ambiente para obtener un lente acromático asferizado que combina las propiedades ópticas de las partes que lo constituyen: corrección de aberraciones cromáticas y esféricas.
Figura 7:
Técnica de Moldeado Híbrido
Moldeado de Plástico
Existe una técnica única para plásticos, adicionalmente de las técnicas ya mencionadas para vidrio. El moldeado de plástico incluye inyectar plástico derretido en un molde asférico. Ya
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que el plástico no es tan estable térmicamente ni tan resistente a la presión como el vidrio, tiene que ser tratado de una manera especial para poder crear una superficie asférica que se
pueda utilizar. A pesar de eso, el plástico tiene varias ventajas, ya que es ligero, fácil de moldear, y se puede integrar a una montura para crear un solo elemento. Mientras que la selección
de plásticos de calidad óptica es limitada, los beneficios de costo y peso a veces hacen que el diseño se incline más al uso de lentes asféricos de plástico.
Ventajas para cada tipo de Lente Asférico
Debido a que no todas las aplicaciones requieren el mismo desempeño de los lentes, seleccionar el lente asférico apropiado es una decisión importante. Algunos factores importantes
que se deben de considerar incluyen el tiempo de entrega del proyecto, los requisitos de desempeño en general, restricciones económicas, y el volumen anticipado.
Muchas de las aplicaciones pueden ser satisfechas completamente con lentes asféricos estándar (off-the-shelf) utilizando la ventaja de que están disponibles inmediatamente y
completar la orden es sencillo. A menudo, estos lentes asféricos estándar pueden también ser modificados fácil y rápidamente con una capa anti reflejante o con una reducción de sus
dimensiones para satisfacer requisitos que están razonablemente cercanos a las medidas estándar. Si estos productos estándar (off-the-shelf) no son suficiente, se puede considerar un
prototipo asférico personalizado, pre producción, o aplicaciones de gran volumen.
Tipo
Beneficio
Moldeado de Vidrio de
Precisión
Ideales para requisitos de producción de gran escala ya que se pueden producir muchos lentes en poco tiempo y los costos de las
herramientas necesarias.
Pulido de Precisión
Ideales para prototipos o producción a pequeña escala debido a su tiempo de entrega tan corto, y una cantidad pequeña de
herramientas especiales.
Moldeado Híbrido
Ideales para aplicaciones de espectro múltiple debido a su corrección de aberraciones esféricas y cromáticas.
Moldeado de Plástico
Ideal para produccion a gran escala como una alternativa ligera y de bajo costo a lentes asféricos.
Capacidad de Fabricación de Lentes Asféricas Personalizadas
Comercial
Precisión
Alta Precisión
Diámetro
10 - 150 mm
10 - 150 mm
10 - 150 mm
Metrología
Perfilometría
Perfilometría
Interferometría
Error de Figura Asférica (P-V)
± 5 μm
± 1 μm
± 0,25 μm
Radio del Vértice (Asférico)
± 1%
± 0,1%
± 0,05%
Radio (Esférico)
± 0,5%
± 0,1%
± 0,025%
Poder (Esférico)
2λ
λ/2
λ/10
Irregularidad (Esférica)
λ/2
λ/4
λ/20
Centrado (Desviación del Haz)
3 arcmin
1 arcmin
0,5 arcmin
Tolerancia del Grosor Central
± 0,100 mm
± 0,050 mm
± 0,010 mm
Tolerancia del Diámetro
+0/-0,050 mm
+0/-0,025 mm
+0/-0,010 mm
Calidad de la Superficie
80-50
60-40
20-10
Bisel
Ancho Máximo de la Cara 0,5 mm a 45°
Ancho Máximo de la Cara 0,2 mm a 45°
Ancho Máximo de la Cara 0,1 mm a 45°
Lentes Asféricos Pulidos a Precisión
Precision Polished Aspheric Lenses
Lentes Asféricos Pulidos a Precisión son ideales para las aplicaciones más demandantes. Están diseñados para ofrecer
Aperturas Numéricas grandes mientras crean puntos cuyos tamaños están limitados por difracción.
Disponible en Materiales de Grado UV, Visible e IR
Disponibles en una variedad de revestimientos estándar
La información completa de la prescripción está disponible para una integración a aplicaciones OEM mas
sencilla
Productos en Inventario
TECHSPEC® Lentes Asféricos para Calibración
TECHSPEC® Lentes Asféricos de Precisión
TECHSPEC® Lentes Asféricos de Precisión para luz UV de Sílice Fundida
Lentes Asféricos de Precisión Moldeados
Los lentes asféricos de precisión moldeados son ideales para aplicaciones que requieren varios de estos lentes, incluyendo colimación
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Los lentes asféricos de precisión moldeados son ideales para aplicaciones que requieren varios de estos lentes, incluyendo colimación
de un rayo láser, lectores de códigos de barras, almacenamiento óptico de datos.
Lentes Micro Asféricas (Diámetro de 2 mm - 10 mm)
Disponibles en una variedad de recubrimientos estándar
Disponibles en sustratos de vidrio y plástico
Productos en Inventario
Lentes Asféricos Moldeados de Precisión
Lentes Asféricos de Infrarrojo de onda mediana y onda larga
TECHSPEC® Lentes Asféricos Híbridos de Plástico
TECHSPEC® Lentes Asféricos de Plástico
Lentes Asféricos Corregidos para Color
Ofrecemos varias familias únicas de lentes asféricos, diseñados para proveer corrección de aberraciones como esférica y
cromática. Estas familias son ideales para aplicaciones que requieren desempeño de enfoque cerca de límites de difracción
sobre un rango de longitudes de onda.
Los Lentes Acromáticos Asferizados combinan Vidrios Acromáticos con Lentes Asféricos
Los Lentes Asféricos Híbridos combinan propiedades refractivas y diffractivas
Productos en Inventario
TECHSPEC® Lentes Acromáticos Asferizados
TECHSPEC® Lentes Asféricos Híbridos de Plástico
TECHSPEC® Lentes Asféricos Híbridos de Germanio
Lentes Asfericos Infrarrojos
Para lentes asféricos moldeados pequeños para uso en Láseres de Cascada Cuántica Infrarrojos de Onda Mediana (MWIR), a
familias de Germanio y Asféricos de Seleniuro de Zinc, ofrecemos soluciones para todo el espectro infrarrojo.
Disponibles en Diámetros desde 5,5 - 50,8 mm
Diseños híbridos están disponibles para el desempeño mejorado de banda ancha
Disponibles en una gran variedad de recubrimientos
Productos en Inventario
TECHSPEC® Lentes Asféricos de Silicón
TECHSPEC® Lentes Asféricos de Germanio y Germanio Híbrido
Lentes Asféricos de Seleniuro de Zinc
Lentes Asféricos para Infrarrojo de Onda Mediana y Larga
Lentes Asféricos IG6
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