¿Qué busca?
Introducción al diseño óptico y al diseño de lentes
Explicando lo que hacemos: una introducción sencilla al diseño óptico y al diseño de lentes
¿Qué es el diseño óptico? ¿Cómo se relaciona con otras áreas de la óptica, los sistemas ópticos y la ingeniería óptica? ¿Cómo se lleva a cabo?
Estos son los temas que se tratan en esta «breve introducción». Nuestra intención es ofrecerte una idea general de lo que supone este campo y recomendarte otras fuentes de información por si deseas profundizar en el tema. Nuestra actividad se basa en gran medida en lo que comúnmente se conoce como «diseño de lentes» o, más correctamente, «diseño óptico». Este artículo está dirigido al público general que sienta curiosidad por este ámbito de la óptica aplicada.
¿Qué es la óptica?
La óptica es una rama de la física: la ciencia de la luz. La óptica se ocupa de todos los aspectos del comportamiento de la luz y, por lo tanto, abarca un amplio campo. Preguntas que van desde«¿Por qué es azul el cielo?» hasta «¿Por qué una lupa hace que las cosas parezcan más grandes?» o «¿Cómo funciona un láser?» entran todas ellas en el ámbito de la ciencia de la óptica.
Aunque normalmente pensamos en la luz visible cuando hablamos de «óptica», la luz visible no es más que una banda estrecha del espectro electromagnético, cuya longitud de onda varía desde longitudes muy cortas (como los rayos X) hasta longitudes medias (como la luz verde) y muy largas. La óptica puede ayudarnos con estas otras regiones de longitud de onda, pero la mayor parte de nuestro análisis aquí se centrará en el importante y familiar espectro visible. El espectro visible incluye los colores del arcoíris, desde la luz violeta con longitudes de onda cercanas a los 400 nm (nanómetros, o una milmillonésima parte de un metro) hasta la luz roja cercana a los 700 nm. A modo de comparación, las longitudes de onda de los rayos X se encuentran en el rango de los nanómetros, mientras que las ondas de radio varían entre centímetros y metros de longitud de onda.
Un dato interesante sobre la luz es que, en ocasiones, se comporta como una onda y, en otras, más bien como un flujo de partículas muy rápidas o cuantos denominados fotones. Esta dualidad onda-partícula sigue siendo uno de los misterios de la naturaleza, pero, en la práctica, destacamos y utilizamos aquel aspecto que nos facilite los cálculos. En los láseres y los detectores, los efectos cuánticos son especialmente importantes, pero en el diseño óptico suele predominar la óptica ondulatoria o «física».
En determinadas circunstancias, podemos simplificar aún más nuestros cálculos introduciendo el concepto de los rayos de luz. En lugar de pensar en ondas que se propagan por el espacio, consideramos líneas perpendiculares a las ondas (es decir, que se desplazan en la dirección del frente de onda que avanza), y a estas líneas las llamamos rayos de luz o, simplemente, rayos. Algunas ecuaciones relativamente sencillas pueden modelar el comportamiento de estos rayos ( ¿recuerdas la ley de Snell?), y gran parte del diseño óptico se basa, por lo tanto, en los rayos. A esto se le llama óptica geométrica (¡no te preocupes, seguimos teniendo en cuenta los efectos de la óptica cuántica y física cuando es necesario para obtener las respuestas correctas!).
¿En qué consiste el trabajo de los ingenieros ópticos?
Los ingenieros ópticos utilizan la óptica para resolver problemas y para diseñar y construir dispositivos que permitan aprovechar la luz de forma útil. Esto les exige comprender y aplicar la ciencia de la óptica con gran detalle, a fin de saber qué soluciones son físicamente posibles. También deben saber qué es lo más viable en cuanto a tecnología disponible, materiales, costes, métodos de diseño, etc.
Los ingenieros ópticos trabajan en todos los ámbitos de la óptica y utilizan diversas técnicas para diseñar láseres, construir telescopios, crear sistemas de comunicación por fibra óptica y mucho más.
Al igual que en otros campos de la ingeniería, los ordenadores son fundamentales para la mayoría de los ingenieros ópticos. Los utilizan junto con los instrumentos, para realizar simulaciones, en el diseño y para muchas otras aplicaciones. Los ingenieros suelen emplear herramientas informáticas generales, como hojas de cálculo y lenguajes de programación, y también utilizan con frecuencia software especializado diseñado específicamente para su campo.
¿Necesitas ayuda con tus retos de ingeniería óptica?
Descubre los servicios de ingeniería óptica de Keysight o ponte en contacto con un experto.
Lentes y diseñadores de lentes
¿Qué es una lente? Quizás pienses que es una pregunta sencilla: solo una pieza curvada de cristal transparente o plástico, ¿verdad?
Bueno, es cierto: este es un tipo de lente, y además el más común (la mayoría de las gafas y lentes de contacto son de este tipo).
Sin embargo, para un diseñador de lentes, una lente es un dispositivo más general. Se trata de cualquier sistema que intente recoger y distribuir la luz de una manera concreta y deseada.
Esto se parece más a lo que nos viene a la mente cuando hablamos de «objetivos» intercambiables para una cámara réflex de 35 mm (por ejemplo, normal, gran angular, teleobjetivo, zoom). Si abrieras una (¡niños, no intentéis esto en casa!), verías que el objetivo de una cámara de este tipo contiene múltiples «lentes» individuales de diferentes formas y tamaños. A estas las llamamos elementos del objetivo, y al conjunto completo lo denominamos sistema óptico.
Siguiendo esta terminología, hoy en día se suele denominar al diseñador de lentes «diseñador óptico», aunque el término anterior sigue utilizándose ampliamente, junto con nombres tan pintorescos y descriptivos como «doblador de rayos». Cada vez es más habitual que «diseñador de lentes» sea uno de los muchos títulos que ostenta un ingeniero óptico generalista. Además, los diseñadores de lentes pueden tener o no una formación específica en óptica: muchas de las personas que se dedican hoy en día al diseño de lentes son físicos u otros tipos de ingenieros por formación.
En este contexto, una lente (o sistema óptico) puede contener, en realidad, cualquier número y combinación de elementos de lente, espejos, prismas, escáneres de polígonos giratorios, filtros, rejillas de difracción, elementos holográficos y otros tipos de componentes ópticos. El diseñador también debe tener en cuenta qué tipo de fuente de luz atravesará la lente (bombillas, LED, láseres, estrellas, el sol, etc.). También es importante el tipo de detector, que es el dispositivo que reacciona a la luz, como la película fotográfica, los fotodetectores, las matrices CCD o el insuperable ojo humano.
Los sistemas de luz infrarroja (IR) y ultravioleta (UV) amplían el número y los tipos de fuentes y detectores que tenemos en cuenta, pero los principios son los mismos. Los diseñadores de lentes trabajan con frecuencia con sistemas IR y UV, además de con luz visible. A menudo necesitan utilizar materiales especiales para trabajar con IR/UV, ya que el cristal óptico normal no funciona bien fuera del espectro visible.
El diseñador de lentes moderno puede trabajar en «lentes» que distan mucho de las típicas bifocales o de las cámaras de bolsillo de 35 mm (aunque la lente compacta de una cámara de bolsillo puede ser un ejemplo de diseño ingenioso e ingeniería rentable). Si un sistema utiliza la luz de alguna forma (incluidos los sistemas que emplean rayos láser), es casi seguro que el diseño de lentes tiene algo que ver.
Figura 1. Imagen del telescopio espacial Hubble. Cortesía de la NASA.
Algunos ejemplos son:
- Microscopios, telescopios y prismáticos
- Lentes de cámara de todo tipo (fotográficas, de vídeo, con zoom, etc.)
- Proyectores de diapositivas, de cine, de retroproyección y de vídeo
- Impresoras láser, fotocopiadoras de oficina, máquinas de fax y lectores de microfilmes
- Endoscopios para cirugía mínimamente invasiva
- Lectores ópticos láser para CD y CD-ROM
- Códigos de productos: escáneres láser en supermercados
- Lentes de proyector de alta precisión utilizadas para fabricar circuitos integrados
- El telescopio espacial Hubble (y su sistema óptico de reparación modernizado)
- Y muchos, muchos más...
El telescopio espacial Hubble es quizás el sistema óptico espacial más famoso, y varios ingenieros de Optical Research Associates (ORA®, ahora conocida como Keysight Optical Design Engineering) trabajaron en el diseño y otros aspectos de la óptica de reparación. ORA llegó incluso a ganar un premio de la NASA por este y otros trabajos relacionados con el espacio.
Cómo diseñar una lente
Ahora que ya sabes qué es una lente, ¿cómo se diseña una? Los detalles completos van un poco más allá del alcance de esta «breve introducción», pero podemos esbozar los pasos habituales.
- Definición del problema: Es posible que otros ingenieros o disciplinas definan los requisitos y los límites del problema de diseño. A continuación, corresponde al diseñador de lentes traducirlos en especificaciones ópticas detalladas, como el campo de visión y la distancia focal. También debe definir las especificaciones de rendimiento, que consisten en una descripción detallada de la calidad con la que la lente debe formar la imagen. Existen varios tipos de evaluación óptica que se utilizan para este fin. Es posible que haya que cumplir muchos requisitos, algunos de ellos contradictorios en cuanto al enfoque del diseño (por ejemplo, una gran apertura y un peso ligero suelen ser requisitos opuestos que dan lugar a concesiones y compromisos).
- Preproyecto: Una vez establecidos los factores básicos, hay que tomar una serie de decisiones, como si se opta por la reflexión o la refracción, el número de elementos y el tamaño total. El preproyecto suele implicar bocetos a lápiz y papel, incluyendo un trazado gráfico aproximado de los rayos, en el que se sustituyen las lentes reales por otras más finas. Las herramientas de software gráfico pueden resultar de gran ayuda en esta fase, sobre todo cuando hay que valorar diferentes opciones en el preproyecto («hipótesis»), como suele ocurrir.
- Selección del punto de partida: aquí es donde la idea se convierte en realidad, a menudo con la ayuda de una solución ya existente para una situación similar (los libros, las patentes y los trabajos anteriores de tu propia empresa son fuentes muy útiles). El software cobra importancia, ya que el acceso a una base de datos de diseños existentes puede acelerar considerablemente el proceso de selección. Si es necesario, también puedes utilizar métodos gráficos y aproximados para crear un punto de partida «desde cero».
- Análisis inicial: Es útil disponer de un análisis de referencia del punto de partida para poder evaluar la mejora con respecto a las especificaciones. Es posible que el análisis de aberraciones no forme parte de las especificaciones, pero probablemente resulte útil en el proceso de diseño, especialmente a la hora de seleccionar las variables para la optimización.
- Optimización: Antes de poder optimizar una lente, es necesario definir un conjunto de variables (parámetros como la curvatura, el grosor, el índice de refracción, etc., que el programa puede modificar para intentar mejorar el rendimiento), una función de error (una medida de la calidad óptica, en la que el valor cero suele implicar «perfección») y restricciones (valores límite que limitan las configuraciones posibles). A continuación, puede utilizar métodos numéricos para modificar las variables de forma sistemática con el fin de minimizar la función de error respetando todas las restricciones. A veces el proceso transcurre sin problemas, pero la mayoría de las veces no es así. Algunos programas son bastante eficaces con muchos tipos de problemas de optimización, pero aún no existe ningún programa totalmente automático, aunque solo sea porque algunos requisitos y criterios estéticos pueden permanecer en la mente del diseñador y no estar reflejados en la función de error. Es en estos casos cuando la orientación del diseñador de lentes resulta importante para resolver los conflictos.
- Conclusión: tras optimizar la lente, hay que comprobar si realmente cumple con lo que indican las especificaciones originales. Es posible que las funciones de error de optimización no se correspondan perfectamente con especificaciones como la función de transferencia de modulación (MTF) o la energía circunscrita. Si no se alcanza el resultado deseado, quizá sea necesario volver atrás y seguir optimizando (quizá añadiendo variables o modificando las restricciones). En algunos casos, incluso puede ser necesario buscar un punto de partida diferente.
- Preparación para la fabricación: Aunque el diseño de la lente cumpla con los requisitos, aún te queda trabajo por hacer para prepararla para la fabricación. Consulta «El resto de la historia» (más abajo) para obtener más información al respecto.
¿Qué es lo que se deja fuera? De hecho, muchas de las «partes difíciles» del proceso de diseño. Especificaciones incompletas o cambiantes. Requisitos contradictorios. Intentos de solución que no llevan a ninguna parte. Plazos poco realistas. Fallos del ordenador. ¡Nadie dijo que fuera fácil!
Descubre el software de diseño óptico
Modelar, analizar, optimizar y proporcionar asistencia en la fabricación para el desarrollo de sistemas ópticos con el software de diseño óptico CODE V.
Superar obstáculos: las aberraciones
Las aberraciones permanecieron en un cómodo anonimato hasta que surgió el conocido problema del Telescopio Espacial Hubble (HST): un defecto de fabricación hizo que la aberración esférica se hiciera famosa (o quizá infame) temporalmente. En términos geométricos, el concepto de aberración es bastante sencillo. Los rayos procedentes de un objeto puntual de dimensión cero (como una estrella lejana) que se proyectan a través de una lente perfecta se enfocarán todos en un único punto de imagen de dimensión cero (en realidad, los efectos de difracción dan lugar a un tamaño pequeño pero finito, incluso en el caso de imágenes sin aberraciones). Si estos rayos se desvían hacia cualquier otro lugar, eso es una aberración.
La aberración se puede representar de diversas formas, la mayoría de las cuales comienzan trazando una serie de rayos a través de la lente para ver hacia dónde se dirigen. Se puede representar la distribución de los rayos en un gráfico de dispersión (denominado «diagrama de puntos») o trazar secciones transversales de los datos de posición de los rayos (denominadas «trazado de rayos» o «curvas de rayos del borde» ).
Para quienes están versados en el arte de la óptica, las formas y tamaños de los patrones resultantes pueden revelar información sobre la cantidad y el tipo de aberraciones presentes. Con esta información, se puede planificar la corrección o reducción de las aberraciones de diversas maneras. La teoría de las aberraciones descompone estas en sus componentes (en realidad, términos polinómicos) e incluso puede atribuir la «culpa» de la aberración a superficies específicas de la lente. Una superficie muy curvada o mal fabricada puede contribuir a una gran cantidad de aberración, pero la información sobre la contribución de la superficie al menos da una pista sobre cómo proceder.
La aberración esférica (SA) es quizás la más fácil de entender, ya que depende únicamente de la distancia al eje óptico. La mayoría de las superficies ópticas son secciones de esferas, ya que estas son las formas de superficie más fáciles de fabricar. Una lente o un espejo de superficie esférica simple no desvía los rayos en diferentes puntos de la superficie en la misma medida, por lo que estos se enfocan a distancias ligeramente diferentes a lo largo del eje; esto es lo que se conoce como SA.
En el caso de las lentes simples, se puede reducir la aberración esférica eligiendo la forma adecuada de la lente (lo que en el gremio llamamos«curvatura de la lente» ). En el caso de los espejos (como en el HST), se puede corregir la aberración esférica dando al espejo una sección cónica ligeramente no esférica (pero hay que crear la forma cónica correcta, que fue el problema del HST: ¡lo construyeron a la perfección, pero según un estándar de prueba erróneo!).
Por supuesto, también hay otras aberraciones , y sus interacciones pueden impedir que se realice la corrección deseada. Se trata del clásico efecto «bulto en la alfombra»: si se corrige en un lugar, aparece en otro. Esto puede hacer que el diseño de lentes resulte un poco complicado (y nos lleva al siguiente tema: la optimización).
El HST también pone de manifiesto el lado positivo de las aberraciones: si se conocen en detalle, a menudo es posible corregirlas (¡sobre todo si se cuenta con un presupuesto lo suficientemente grande!). Si la óptica desvía la luz de forma incorrecta, se puede remodelar o añadir elementos para contrarrestar la aberración, de forma similar a como las gafas corrigen la miopía. (Sin embargo, la miopía no es exactamente una aberración: el ojo miope tiene, en realidad, una distancia focal incorrecta, por lo que necesita una lente adicional que le permita enfocar en la retina).
¿Qué profundidad tiene mi valle? (Optimización)
La optimización es un tema tan importante en el diseño óptico que debemos profundizar en él, aunque ya se haya descrito brevemente en Cómo diseñar una lente . Recuerde que el objetivo de la optimización es partir de una lente inicial y modificarla para mejorar su rendimiento. La lente inicial debe tener un número adecuado de superficies ópticas de los tipos adecuados, ya que la optimización solo puede cambiar los valores de los parámetros, no el número ni los tipos de superficies. La óptica es muy precisa (distancias de micrómetros pueden marcar una gran diferencia), por lo que deberá determinar con exactitud los valores de todas sus variables en cada paso de la optimización.
Consideremos primero la optimización local. ¿Qué significa «local»? Si tienes un modelo de lente, una función de error es algo que se correlaciona con el rendimiento de su imagen, como el tamaño del punto o el error de frente de onda RMS: cuanto más pequeño, mejor. A medida que cambias las variables, la lente cambia, los valores del trazado de rayos cambian y la función de error adopta nuevos valores. Si pudieras representarlos gráficamente, crearías un mapa de las cimas y valles del espacio de la función de error (en cualquier número de dimensiones, desde una hasta 99 o más, dependiendo de tus variables). En el boceto anterior, ciertamente simplista, la distancia vertical representa el valor de la función de error (cuanto menor, mejor), y la posición horizontal representa una de las variables de la lente. Por ejemplo, podría ser la curvatura de la superficie frontal.
Dado que cuanto más pequeño, mejor, tu objetivo es encontrar el punto más bajo posible en este mapa: el Valle de la Muerte del Espacio de la Función de Error (EFL). La optimización local encuentra la región cercana más baja en el EFL, así que si tienes suerte (o eres inteligente) al elegir tu punto de partida, te irá bien. Por analogía, empezar en Los Ángeles podría permitirte llegar al Valle de la Muerte usando la optimización local, pero empezar en Nueva York no: probablemente acabarías en algún lugar de Nueva Jersey. ¿Te ayuda esta analogía? Quizá no, pero la cuestión es que, con la optimización local, la elección del punto de partida es muy importante. (En nuestra imagen, la optimización local no te llevará al punto más bajo: te llevará a uno de los valles a la derecha o a la izquierda del punto de partida «Estás aquí»).
Ahora pensemos en la optimización global. Se trata de un algoritmo que examina todo el mapa del «País de la función de error» y (con el tiempo) localiza el punto más bajo, independientemente de dónde hayas empezado. Aunque empieces en Florida, la optimización global acabará llevándote al Valle de la Muerte. Dependiendo de los métodos que utilices, puede que tardes mucho tiempo en llegar realmente hasta allí, y es posible que te indiquen muchos otros puntos bajos por el camino, algunos de los cuales podrían ser lo suficientemente bajos para tus propósitos.
¿Una analogía un poco tonta? Quizás, pero lo importante aquí es recordar que la optimización global tiene en cuenta la totalidad del «espacio de la función de error», por lo que el punto de partida concreto es mucho menos determinante. (En nuestro ejemplo, la optimización global debería llevarte al punto mínimo deseado.)
El resto de la historia
Esta introducción no sería tan suave (ni tan breve) si aquí os contáramos el resto de la historia. Por fuerza, hay muchas cosas que nos hemos dejado fuera:
- Análisis de la iluminación
- Preparación para la fabricación
- Integración con pruebas ópticas
- Análisis de los efectos de los errores de fabricación (lo que se conoce como «tolerancias»)
- Efectos ambientales (especialmente térmicos)
- Soportes y deflectores
- Luz parásita
El software puede ayudar a resolver casi todos estos problemas, aunque el diseñador sigue siendo fundamental a la hora de identificar los problemas y establecer las prioridades. Aun así, sigue siendo un reto ponerlo todo en práctica y fabricar lentes que cumplan todos los requisitos en condiciones reales de uso. Keysight ofrece varias soluciones de software de ingeniería de diseño óptico para ayudarle a alcanzar sus objetivos. Póngase en contacto con nosotros para que le ayudemos a elegir el software de diseño óptico más adecuado para su aplicación.
Descubre nuestras herramientas de software de diseño óptico
Más información
Existen excelentes fuentes de información sobre óptica, la mayoría de ellas en formato impreso, como libros y revistas especializadas. Esta lista es solo un punto de partida; la iremos ampliando con el tiempo y agradecemos cualquier sugerencia.
Conceptos básicos
Este sitio web contiene mucha información fascinante sobre microscopía, desde los fundamentos ópticos de los microscopios hasta aplicaciones avanzadas e imágenes de muestra. Merece la pena echarle un vistazo por sus excelentes explicaciones, gráficos y algunos tutoriales interactivos en Java sobre refracción, reflexión y otros temas ópticos. Incluye detalles sobre muchos temas que aquí solo se mencionan brevemente, como la difracción, la polarización y la interferencia. ¡Una página web fantástica!
- Testigo ocular: La luz, de David Burnie (Dorling Kindersley, 1992)
Pertenece a la colección «Eyewitness Science Series», dirigida principalmente a niños, con magníficas ilustraciones y excelentes explicaciones.
- Óptica, de E. Hecht y A. Zajac (Addison-Wesley, 1974)
Un buen libro de texto para el grado en Física.
Ingeniería y diseño ópticos
- Diseño de sistemas ópticos con CODE V® por Donald C. O'Shea y Julie L. Bentley
- Dibujos de óptica moderna: el complemento de la norma ISO 10110 por Eric Herman, David M. Aikens y Richard N. Youngworth
- Modelización de la cadena de imagen de las cámaras digitales por Robert D. Fiete
- Métodos de fabricación de ópticas de precisión por Hank H. Karow
- Historia de la lente fotográfica, de Rudolph Kingslake
- Óptica moldeada: diseño y fabricación (Serie de Óptica y Optoelectrónica), de Michael Schaub y otros.
- Diseño óptico básico por Michael J. Kidger
- Manual de sistemas ópticos por Herbert Gross
- Aberraciones de los sistemas ópticos por W.T. Welford
- Fundamentos del diseño de lentes por Rudolf Kingslake y R. Barry Johnson (Academic Press, 2010)
Abarca los conceptos básicos que necesitan los diseñadores en activo.
- Elementos del diseño óptico moderno por Donald O'Shea (Wiley-Interscience, 1985)
Un excelente libro de texto de nivel universitario con buenas explicaciones y una orientación práctica.
- «Ingeniería óptica moderna», de Warren Smith (2.ª edición, McGraw-Hill, 1990)
La obra de consulta y herramienta de aprendizaje de referencia en ingeniería óptica.
Publicaciones periódicas
- Noticias de Óptica y Fotónica (mensual, por suscripción, Optica, Washington, D.C.)
Noticias y artículos técnicos (la columna mensual «Light Touch» trata sobre «óptica cotidiana» para el público no especializado).
Otros recursos
Visita esta página web de Canon para ver cómo se fabrican los objetivos y cómo funcionan. Descubre los diferentes tipos de objetivos (objetivos de óptica refractiva de espectro azul, objetivos de fluorita, objetivos EF y recubrimientos avanzados para objetivos). Cortesía de Canon. También cuentan con una sección de ciencia para niños.
- La Sociedad Internacional de Ingeniería Óptica (SPIE) y Optica (antes OSA) son asociaciones profesionales que cuentan con páginas web con información útil y enlaces a otras organizaciones.
- Optics4birding.com es un sitio web dedicado a la observación de aves, donde los equipos ópticos de calidad son fundamentales tanto para la observación como para la fotografía. Las páginas de la sección «Aprende sobre óptica» tratan numerosos conceptos ópticos básicos con un enfoque práctico, centrado en la importancia que estos conceptos tienen para el uso real de los equipos ópticos.
- Si desea obtener más recursos de Keysight, consulte nuestro contenido educativo «Optics for Kids», nuestra página de recursos y nuestro tablero de Pinterest, donde encontrará material didáctico y proyectos.
Formación continua
¿Necesita ayuda o tiene alguna pregunta?