Por qué la óptica asférica está en todas partes en las cámaras modernas
Si desmontas la lente de una cámara moderna, es muy probable que encuentres algo que se vea ligeramente diferente de los demás elementos ópticos.
Puede que quede más grueso en el centro.
Puede tener una curvatura inusual.
Y a diferencia de la superficie de una lente esférica convencional, su curvatura no sigue una simple esfera.
Este es unelemento de lente asférica.
La óptica asférica se encuentra ahora en todo, desde cámaras de teléfonos inteligentes y cámaras de seguridad compactas hasta sistemas de imágenes para automóviles, drones, cámaras de visión artificial y lentes fotográficos profesionales.
Ese no fue siempre el caso.
Entonces, ¿qué cambió?
La respuesta corta es que las cámaras modernas exigen a los lentes que hagan mucho más y al mismo tiempo se hagan más pequeños.
Y la física, lamentablemente, no ha accedido a ponérselo fácil.
Una lente esférica es en realidad un compromiso conveniente
Comencemos con el enfoque tradicional.
La superficie de una lente esférica se basa en una esfera.
Esto hace que la superficie sea relativamente sencilla de fabricar.
Pero hay un problema.
Los rayos de luz que pasan a través de diferentes partes de una lente esférica no siempre convergen exactamente en el mismo punto.
Los rayos cercanos al eje óptico y los rayos que pasan a través de la parte exterior de la lente pueden enfocarse de manera diferente.
Esto produceaberración esférica.
La imagen se vuelve menos nítida, especialmente cuando la lente se utiliza con una apertura grande.
Se podrían agregar más elementos ópticos para compensar el problema.
E históricamente, eso es exactamente lo que hicieron los diseñadores de lentes.
Pero ahora tienes otro problema:
Más elementos significan más espacio, más peso, más superficies, más complejidad de fabricación y potencialmente más costos.
Al final alguien hace la pregunta obvia:
¿Por qué no cambiar la forma de la propia superficie de la lente?
Ahí es donde la óptica asférica resulta útil.
¿Qué hace diferente a una superficie asférica?
Una superficie esférica tiene un radio de curvatura constante.
Una superficie asférica no.
Su curvatura cambia gradualmente desde el centro hacia el borde.
Esto puede parecer una pequeña diferencia geométrica.
Ópticamente es extremadamente útil.
Al controlar cuidadosamente la forma de la superficie, los diseñadores pueden hacer que los rayos de luz converjan de una manera mucho más controlada.
Esto permite que un elemento asférico corrija aberraciones ópticas que de otro modo requerirían varios elementos esféricos convencionales.
En términos simples:
En lugar de agregar más vidrio para solucionar un problema, a veces puedes cambiar la forma del vidrio.
Ésta es una de las principales razones por las que la óptica asférica se volvió tan importante.
La verdadera ventaja no es sólo “más nítida”
La gente suele describir las lentes asféricas como una forma de mejorar la nitidez.
Eso es cierto, pero incompleto.
La mayor ventaja esLibertad de diseño óptico.
Una superficie asférica puede ayudar a los ingenieros a gestionar varias características ópticas, según el diseño.
Estos pueden incluir:
Aberración esférica
Coma
Astigmatismo
Distorsión
Rendimiento en campo
Tamaño total de la lente
Esto es muy importante en las cámaras compactas.
Los módulos de cámaras modernos a menudo necesitan caber en espacios mecánicos muy reducidos y al mismo tiempo ofrecer:
Amplios campos de visión.
Grandes aperturas
Alta resolución
Buen rendimiento de borde
Intentar lograr todo esto utilizando únicamente elementos esféricos convencionales puede resultar extremadamente difícil.
La óptica asférica ofrece al diseñador otra herramienta.
Y a veces, una superficie asférica bien diseñada puede realizar el trabajo que de otro modo necesitarían realizar varias superficies convencionales.
Por qué a las cámaras gran angular les encanta la óptica asférica
Las lentes gran angular son particularmente desafiantes.
A medida que el campo de visión aumenta, la luz ingresa al sistema óptico desde ángulos cada vez más diferentes.
Mantener esos rayos bajo control se vuelve más difícil.
La distorsión se vuelve más difícil de manejar.
El rendimiento del borde se vuelve más difícil de mantener.
Esta es una de las razones por las que los elementos asféricos aparecen con tanta frecuencia en los diseños de cámaras gran angular.
Considere una cámara de seguridad compacta.
Es posible que el fabricante desee un campo de visión amplio, dimensiones de lente pequeñas, alta resolución y buen rendimiento en condiciones de poca luz.
Estos requisitos empujan el diseño óptico en diferentes direcciones.
Una apertura más amplia ayuda a recoger la luz.
Un campo de visión más amplio aumenta la cobertura.
Un paquete más pequeño ayuda a la integración del producto.
Pero cada una de esas decisiones crea desafíos ópticos.
Las superficies asféricas pueden ayudar a los diseñadores a encontrar un equilibrio viable.
Por qué los teléfonos inteligentes hicieron que la óptica asférica fuera aún más importante
Los teléfonos inteligentes son probablemente el ejemplo más fácil de entender.
La cámara de un teléfono inteligente es pequeña.
Sin embargo, los fabricantes esperan que produzca imágenes que habrían parecido extraordinarias con una cámara mucho más grande hace veinte años.
Simplemente no hay suficiente espacio físico para resolver todos los problemas ópticos añadiendo una gran cantidad de elementos de vidrio convencionales.
La solución es un diseño óptico altamente optimizado.
Las superficies asféricas pueden proporcionar una corrección sustancial dentro de un paquete muy compacto.
El mismo principio se aplica a otros sistemas de imágenes en miniatura.
Las cámaras de seguridad, los módulos de visión integrados, las cámaras para automóviles, los drones, los robots y los dispositivos inteligentes enfrentan una presión similar:
Más rendimiento óptico en menos espacio físico.
Pero asférico no significa "automáticamente mejor"
Este es un punto importante.
Un elemento de lente asférico no es automáticamente superior a uno esférico.
Es una herramienta de diseño.
Una superficie asférica mal diseñada aún puede producir un rendimiento óptico deficiente.
Y utilizar un elemento asférico no elimina la necesidad de gestionar:
Aberración cromática
Distorsión
Tolerancias de fabricación.
Alineación
Rendimiento del recubrimiento
Comportamiento térmico
Todo el sistema óptico todavía tiene que funcionar en conjunto.
De hecho, las superficies asféricas a veces pueden hacer que la fabricación y el control de calidad sean más exigentes porque la geometría de la superficie es más compleja.
Entonces el verdadero logro no es simplemente:
"Utilizamos una lente asférica".
Es:
"Utilizamos la geometría óptica adecuada para resolver el problema correcto".
La fabricación es donde la teoría se vuelve interesante
Existe una gran diferencia entre diseñar una superficie asférica en una computadora y fabricar miles de ellas de manera consistente.
El perfil de superficie requerido debe realizarse con precisión.
A continuación, el elemento debe montarse correctamente.
Incluso un buen diseño óptico puede perder rendimiento si las tolerancias de fabricación no se controlan adecuadamente.
Esta es la razón por la que los fabricantes de óptica comoÓptica BoshiEs necesario considerar el diseño y la fabricación juntos.
La producción óptica moderna puede implicar moldeo de precisión, procesamiento de componentes ópticos, ensamblaje, inspección dimensional y pruebas de rendimiento óptico.
Cuanto más exigente es la superficie óptica, más importante se vuelve el control del proceso.
La razón más importante por la que la óptica asférica está en todas partes
Entonces, ¿por qué vemos ópticas asféricas en tantas cámaras modernas?
Porque las cámaras han evolucionado.
Son más pequeños.
Los sensores son más capaces.
Los campos de visión son más amplios.
Las aperturas son más grandes.
Los requisitos de resolución son mayores.
Y las cámaras se están colocando en entornos cada vez más restringidos.
Un dron no puede llevar una lente enorme.
Un robot necesita módulos de visión compactos.
Un vehículo necesita cámaras que encajen en carcasas cuidadosamente diseñadas.
Un teléfono inteligente casi no tiene espacio de sobra.
La óptica asférica ofrece a los ingenieros ópticos otro grado de libertad para resolver estos problemas.
No son un ingrediente mágico.
Son simplemente una de las herramientas más útiles que tienen los diseñadores ópticos modernos.
Y considerando cuánto pedimos ahora a cámaras tan pequeñas, probablemente deberíamos estar agradecidos por ellas.
