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Optics. Thin-Lens Theory. Aperture Stop, Entrance and Exit Pupils, and Field Stop

Thin-Lens Theory (English)

Definition of a Thin Lens

A thin lens is a lens whose thickness is assumed to be zero and therefore is negligible. The thin lens is a design tool, used to simulate a real lens during the preliminary stages of optical system design and analysis. This concept is particularly valuable because it enables the optical engineer to quickly establish many basic characteristics of a lens or optical system design. By assuming a lens form where the thickness is zero, the formulas used to calculate object and image relationships are greatly simplified. The drawback to the thin-lens approach is that it is not possible to determine image quality without including the actual lens thickness (and other lens data) in the calculations.

As a result, while it is possible to establish many valuable facts about an optical system through the application of thin-lens theory and formulas, the ultimate quality of the image can, at best, only be estimated

Óptica. Teoría de la lente delgada. Diafragma de apertura, pupilas de entrada y salida, diafragma de campo.

Teoría de la lente delgada (Español)

Definición de una lente delgada

Una lente delgada es una lente cuyo espesor se supone que es cero y por lo tanto despreciable. La lente delgada es una herramienta de diseño, usada para simular una lente real durante las etapas preliminares del diseño y análisis de un  sistema óptico. Este concepto es particularmente útil debido a que el mismo permite al ingeniero óptico establecer rápidamente muchas características de una lente o diseño de sistema óptico. Al considerar una forma de lente donde el espesor es cero, las fórmulas usadas para calcular las relaciones de objeto e imágenes son simplificadas en gran medida. El inconveniente de la aproximación de la lente delgada es que no es posible determinar la calidad de la imagen sin incluir el espesor real de la lente ( y otros datos de la lente) en los cálculos. Como resultado, mientras que es posible establecer muchos hechos valiosos acerca de un sistema óptico a lo largo de la aplicación de la teoría de la lente delgada y las fórmulas, la calidad final de la imagen puede, en el mejor de los casos, sólo ser estimada.

Figure 1- Shown are the basic parameters of the thin lens. In the example discussed in the text, the image size y1 the field of view Θ, and the lens speed (f number) are given. From these it is possible to determine the focal length (EFL) and diameter (D) of the lens.

Figura 1- Se muestran los parámetros básicos de una lente delgada. En el ejemplo tratado en el texto, el tamaño de la imagen y1 en el campo de visión Θ, y la velocidad de la lente ( número f) son dados. Por lo tanto es posible determinar la longitud focal (EFL) y el díametro (D) de la lente.

Properties of a Thin Lens

Figure 1 is an illustration of a positive thin lens. Any lens or system analysis must start with several known factors which will generally be provided by the end user, or the customer. From these given factors it will be possible, using thin-lens theory and formulas, to generate the missing information required to completely describe the final lens system.

In the case shown in figure 1, for example, it is given that the system detector (image size) will be 25 mm in diameter and that the full field of view for the system is to be 10°. Other systems considerations dealing with required image brightness indicate that a lens speed (f number) of f/2.0 will be required. Applying the formulas shown in figure 1, since we know the image size and the field of view, we can derive the lens effective focal length (EFL). The image dimension used for this calculation is measured from the optical axis and is designated y1.  In this case the maximum value or y1 is 12.5 mm. Since the half field of view (Θ) is 5°, the EFL of the thin lens can be determined using the formula:

 

Propiedades de una lente delgada.

La figura1 es una ilustración de una lente delgada positiva. Cualquier análisis de lente  o sistema debe iniciarse con algunos factores conocidos que generalmente serán provistos por el usuario final, o el cliente. A partir de estos factores dados será posible, usando la teoría de la lente delgada y las fórmulas, generar la información faltante requerida  para describir completamente el sistema de lente final.

En el caso mostrado en la figura, por ejemplo, es conocido que el detector de sistema (tamaño de la imagen) será de 25 mm de diámetro y que el campo total de visión para el sistema será de 10°. Otras consideraciones del sistema relacionadas con el brillo de la imagen requerida indican que una velocidad de la lente (número f o longitud focal ) de f/2.0 será requerida. Aplicando las fórmulas mostradas en la figura, teniendo en cuenta que conocemos el tamaño de la imagen y el campo de visión, podemos derivar la longitud focal efectiva de la lente (EFL). La dimensión de la imagen usada para estos cálculos está medida a partir del eje óptico y está identificada como y1. En este caso el máximo valor de y1 es de 12,5 mm. Dado que la mitad del campo de visión (Θ) es 5°, el EFL de la lente delgada puede ser determinado usando la fórmula:

The diameter of the thin lens is a function of its EFL and f number, based on the following relationship: El diámetro de la lente delgada es una función de su EFL y su número f, basándose en la siguiente relación:

Having now established a complete set of thin-lens specifications for this lens system, our next step would be to select a commercial lens that meets those specifications and compare its image quality with the requirements of the system. If not acceptable, then a custom lens design would be in order.

Aperture Stop, Entrance and Exit Pupils, and Field Stop

Any lens assembly will have one lens aperture, or mechanical component, that limits the diameter of the axial bundle of light (that bundle of light rays originating at the center of the object) that is allowed to pass through the lens to the image plane. For example, in the thin lens shown in figure 1, a mechanical opening labeled aperture stop is shown in front of the lens. It can be seen that without this stop in place, the lens would be able to accept and pass a larger bundle diameter than D.

Frequently the aperture stop will take the form of an adjustable iris diaphragm. This allows the effective diameter of the lens to be varied such that the brightness of the image formed at the detector is constant, regardless of the brightness of the scene being imaged.

The entrance and exit pupils of the lens assembly are directly related to the aperture stop. The entrance pupil is the image of the aperture stop as seen when looking from the object side of the lens, while the exit pupil is the image of the aperture stop as seen when looking from the image side of the lens. In the case where the aperture stop is seen directly (without looking through any lenses) then  the corresponding pupil will coincide with the aperture stop. The effect and relationship of the entrance and exit pupils to the aperture stop location are illustrated in Fig. 4-2, where the aperture stop location has been changed relative to the lens.

Similar but unrelated to the aperture stop, is the field stop of the lens or optical system. The field stop is the component that limits the field of view seen or imaged by the system. We have stated that for the lens in figure 1, the detector has a diameter of 25 mm. This detector might be an image intensifier tube or a charge-coupled device (CCD) array within a TV camera. Whatever the easel it is this detector that limits the field of view of the system. Therefore, it is the system  field stop.

Were the detector indeed a CCD array within a TV-camera, it would follow that the ultimate image produced by the system would not be 25 mm in diameter, but would most likely be a rectangle with a height to width ratio of 3:4 and a diagonal dimension of 25 mm. While not affecting the lens design process significantly this rectangular format would lead to the specified field of view for this lens being stated as 8° horizontal X 6° vertical, rather than simply 10°. While the system detector is often the field of view limiting component, and as a result the field stop, there are cases where the detector is capable of imaging a larger field of view than the optical system delivers. In such a case the field stop will be a physical surface within the system. That field stop surface must be precisely located at an internal image plane.

Habiendo ahora establecido un juego completo de especificaciones de la lente delgada para este sistema de lentes, nuestro próximo paso sería seleccionar una lente comercial que cumpla con los requerimientos del sistema. Si no es aceptable, entonces un diseño de lente a medida sería lo apropiado.

Diafragma de apertura, pupilas de entrada y salida , y diafragma de campo.

Cualquier dispositivo con lentes tendrá una apertura de lente,  o componente mecánico, que limita el diámetro del haz axial de luz ( o sea aquel haz de rayos de luz que se originan en el centro del objeto) que se permite pasar a través de la lente al plano de la imagen. Por ejemplo, en la lente delgada mostrada en la figura, una apertura mecánica identificada como diafragma de apertura es mostrada en el frente de la lente. Se puede ver que sin el diafragma en su lugar, la lente aceptaría y dejaría pasar un haz de mayor diámetro que D.

Frecuentemente el diafragma de apertura tomará la forma de un diafragma de iris ajustable. Esto permite que el diámetro efectivo de la lente pueda ser variado de manera que el brillo de la imagen formada en el detector sea constante, sin importar el brillo de la escena que está siendo captada.

Las pupilas de entrada y salida de la lente están directamente relacionadas con el diafragma de apertura. La pupila de entrada es la imagen del diafragma de apertura visto desde el lado del objeto de la lente, mientras que la pupila de salida es la imagen del diafragma de apertura visto desde el lado de la imagen de la lente. En el caso donde el diafragma de apertura es visto directamente (sin mirar a través de ninguna lente) entonces la correspondiente pupila coincidirá con el diafragma de apertura. El efecto y la relación de las pupilas de entrada y salida al diafragma de apertura son ilustrados en la figura, donde la ubicación del diafragma de apertura ha sido cambiada en relación con la lente.

Algo similar, pero sin relación al diafragma de apertura, es el diafragma de campo de la lente o del sistema óptico. El diafragma de campo es el componente que limita el campo de visión  visto o captado por el sistema. Hemos dicho que para la lente en la figura, el detector tiene un diámetro de 25mm. Este detector podría ser un tubo ampliador de luz o dispositivo acoplado de carga (CCD) dentro de una cámara de TV. Cualquiera que sea la escena, es este detector el que limita el campo de visión del sistema. Por lo tanto, es el diafragma de campo del sistema. Si fuera el detector en realidad un CCD dentro de una cámara de TV, se llegaría a que la imagen final producida por el sistema no sería de un diámetro de 25 mm, sino mas probablemente sería un rectángulo con una relación de altura a ancho de 3:4 y una dimensión diagonal de 25mm. Aunque no afecte al proceso del diseño de la lente significativamente, este formato rectangular llevaría al campo de visión especificado para esta lente a ser identificado como 8° horizontal X 6° vertical, en vez de simplemente 10°. Mientras que el detector del sistema es con frecuencia el componente limitador de campo de visión, y como resultado del diafragma de campo, hay casos donde el detector es capaz de captar la imagen de un mayor campo de visión que el sistema óptico entrega. En tal caso, el diafragma de campo sería una superficie física dentro del sistema. Dicha superficie de diafragma de campo debe estar precisamente localizada en un plano de imagen interno.

Figure 2. The image of the aperture stop as seen from the object and image side of the lens will form the entrance and exit pupils of the lens, respectively. When the aperture stop is in contact with the lens (or nearly so), the entrance and exit pupils will coincide with it (center).

Figura 2. La imagen del diafragma de aprtura visto desde el lado del objeto y de la imagen de la lente formarán las pupilas de entrada y salida de la lente, respectivamente. Cuando el diafragma de apertura está en contacto con la lente ( o muy cerca ), las pupilas de entrada y salida coincidiran con el mismo (centro).

Telescopes, and indeed most optical systems, are made with more than one optical element. Those are called compound systems. The result of such a combination may be, for example, a short tube length or a more favorable image position. However, the most important reason for compound systems is that they offer greater opportunities to control image aberrations.

We introduce now first-order optics, a simplified and idealized approach that is very helpful in roughing out compound systems. First-order optics deals with rays and images close to the optical axis, in the so-called paraxial region. In first-order optics, the elements of the optical system have rotationally symmetric surfaces and share a common axis of rotation called optical axis. Furthermore the optical elements ( lenses and mirrors) are assumed to be infinitely thin, thus avoiding further complexities found in real optical systems.

Of course, real systems do not conform to the assumptions of first-order optical theory. Instead, they have relatively large image angles. In real systems, the focal surface is usually not a plane but a curved surface, and image aberrations can and do occur. First order optics also ignores the diffraction of light.

Although the formulae derived from first order optics are insufficiently accurate for an exact design or analysis of an optical system, they are useful and important for making initial calculations or obtaining an overview of the paths of the rays in a telescope.

Telescopes are generally used on very distant objects; starlight is an excellent approximation of an infinitely distant point source. A fan of rays from a star can be considered perfectly parallel. When the star is on the extended optical axis ( i.e. when the telescope is pointed at the star), the star will be imaged as a small disk of light on the optical axis. When the star is positioned away from the optical axis, the entering parallel bundle of rays makes an angle with the optical axis. The resulting image appears off the optical axis also.

Now consider next figure 3. Four optical elements each intercept a beam of rays parallel to the optical axis, possibly coming from a star, entering from the left side. The beam is imaged on the axis as the focal point F. The distance from F to the lens or the mirror is called the focal length, or focal distance. The focal ratio of a lens or mirror is defined as f/D, where D is the diameter of the beam, and is also the aperture of the system. When the focal length f of a system is 1000 mm and the aperture D is 100 mm, then the focal ratio is 10. This system is therefore called an f/10 system. When comparing the focal ratios of different systems, the words “larger” and “smaller” should be avoided because they are ambiguous. To avoid confusion, we will use the terms “faster” and “slower” when comparing focal ratios. An f/5 system is, for example, faster than an f/10; an f/15 system is slower than an f/10 system.

 

Los telescopios, y en verdad la mayor parte de los sistemas ópticos, están hechos con mas de un elemento óptico. Estos son llamados sistemas compuestos. El resultado de tal combinación puede ser, por ejemplo, una longitud de tubo corta o una posición de imagen mas favorable. Sin embargo, la razón mas importante para los sistemas compuestos es que los mismos ofrecen mayores oportunidades para controlar las aberraciones de imagen.

Hacemos ahora una introducción a la óptica de primer orden, una aproximación simplificada e idealizada que es muy útil para simplificar los sistemas compuestos. La óptica de primer orden se refiere a los rayos y las imágenes cercanas al eje óptico, en la así llamada región paraxial. En la óptica de primer orden, los elementos del sistema óptico tienen superficies simétricas rotacionales y comparten un eje común de rotación llamado eje óptico. Mas aún, los elementos ópticos (lentes y espejos) son considerados como infinitamente delgados, evitando así mayores complicaciones encontradas en los sistemas ópticos reales

Por supuesto, los sistemas reales no cumplen con las suposiciones de la teoría de la óptica de primer orden. En cambio, los mismos tienen ángulos de imágenes relativamente grandes. En los sistemas reales, la superficie focal no es usualmente un plano sino una superficie curva, y las aberraciones de las imágenes pueden y de hecho ocurren. La óptica de primer orden ignora además la difracción de la luz.

Sin embargo, las formulas derivadas de la óptica de primer orden son insuficientemente precisas para un diseño exacto o para el análisis del un sistema óptico, son útiles para hacer los cálculos iniciales u obtener una visión general del recorrido de los rayos en un telescopio.

Los telescopios son generalmente usados para objetos muy distantes, la luz de las estrellas es una excelente aproximación de una fuente de luz puntual infinitamente distante. Un haz de rayos de una estrella puede ser considerado perfectamente paralelo. Cuando la estrella está sobre el eje óptico extendido ( o sea, cuando el telescopio está apuntando hacia la estrella ) , la estrella será vista como un pequeño disco de luz sobre el eje óptico. Cuando la estrella está posicionada fuera del eje óptico, el haz de rayos entrantes paralelos forma un ángulo con el eje óptico. La imagen resultante aparece también fuera del eje óptico.

Consideremos ahora la próxima figura 3.  Cuatro elementos ópticos cada uno interceptando un haz de rayos paralelos al eje óptico, posiblemente provenientes de una estrella, ingresando desde el lado izquierdo. El haz es visto sobre el eje como el punto focal F. La distancia desde F hasta la lente o el espejo es llamada longitud focal, o distancia focal. La relación focal de una lente o espejo es definida como f/D, donde D es el diámetro del haz, y es además la apertura del sistema. Cuando la distancia focal de un sistema es de 1000 mm y la apertura D es de 100 mm, la relación focal es de 10. Este sistema es por lo tanto llamado sistema f/10. Al comparar las relaciones focales de diferentes sistemas, las palabras “más grande” o “mas chico” deberán ser evitadas debido a que son ambiguas. Para evitar confusiones, usaremos los términos “más rápido” y “más lento” al comparar relaciones focales. Un sistema f/5 es, por ejemplo, mas rápido que uno de f/10; un sistema de f/15  es mas lento que un sistema de f/10.

Fig. 3- Focal lengths of  lenses and mirrors for a constant radius of curvature. Note that refracting systems have longer focal lengths. The assumed refractive index is 1.5 .

Fig. 3 - Distancias focales de lentes y espejos para un radio de curvatura constante. Nótese que los sistemas refractantes tienen mayores distancias focales. El índice de refracción es considerado como de 1,5

For a thin lens having radii of curvature R1 and R2, and made of glass with refractive index n, the approximate focal length may be calculated as follows:

Para una lente delgada que tenga un radio de curvatura R1 y R2, y hecho de vidrio con índice de refracción n, la distancia focal aproximada puede ser calculada como sigue:

For a biconvex lens with R1=50 mm and R2= -100 mm (note that the sign of the second surface means it is concave to the incoming light) and refractive index n=1.5, the focal length is calculated as :

Para una lente biconvexa con R1=50mm y R2= -100 mm (nótese que el signo de la segunda superficie significa que la misma es cóncava a la luz incidente) y un índice de refracción de n=1,5, la distancia focal es calculada como:

For a concave mirror with radius of curvature –R, the focal length is:

f = -R/2

Positive lenses and concave mirrors both act to converge a collimated light beam; either will focus a beam of parallel rays to a real focal point. A negative lens or a convex mirror will cause a parallel bundle of rays to diverge. Their focal points are not real bur virtual, as shown in figure. Their focal lengths can also be calculated with the formula above; the focal length will be a negative number.

Para un espejo cóncavo con radio de curvatura –R, la distancia focal es:

f = -R/2

Las lentes positivas y los espejos cóncavos ambos actúan como dispositivos convergentes de una luz colimada; ambos enfocaran un haz de rayos paralelos hacia un punto focal real. Una lente negativa o un espejo cóncavo harán que un haz de rayos paralelos diverja. Sus puntos focales no son reales sino virtuales, como se muestran en la figura. Sus distancia focales pueden además ser calculadas con la fórmula de arriba; la distancia focal será un número negativo.

Fig. 4- Image formation for a thin lens (finite object distance).

Fig. 4- Formación de la imagen para una lente delgada ( discancia al objeto finita)

In most cases a telescope is used for observing distant objects. We can generally treat the object distance as infinite; hence, the bundle of rays originating from every object point can be considered parallel. When the object distance is finite, the image distance, lies further from the system than the focal distance (see next figure). For this case we find the object and image distances from : En muchos casos un telescopio es usado para observar objetos distantes. Podemos generalmente tratar la distancia del objeto como infinita; por lo tanto, el haz de rayos que se originen en cada objeto puntual puede ser considerado como paralelos. Cuando la distancia del objeto es finita, la distancia de la imagen se encuentra mas allá del sistema que la distancia focal (ver figura siguiente). Para este caso encontramos las distancias del objeto y la imagen como:

Where f is the focal length, ob is object distance, and im the image distance. If the object is 100 mm in front of the biconvex lens with focal length of 66.667 mm we mentioned above, then the image distance becomes:

Donde f es la distancia focal, ob es la distancia del objeto, y im es la distancia de la imagen. Si el objeto está a 100 mm en frente de la lente biconvexa con una longitud focal de 66,667 mm como mencionamos arriba, entonces la distancia de la imagen se vuelve :

Solving for the unknown quantity, we find im=200 mm.

The magnification of the system is :

Resolviendo la cantidad desconocida, encontramos im=200 mm.

La ampliación del sistema es :

For this example, M = -200/100; therefore the magnification is -2. The minus sign shows that the image is inverted since the directions of im and ob are opposite.

In the case of a finite object distance, the construction of the image distance for a thin lens is easy if the focal length is already known (see fig.). We draw three rays:

  1. the first through the center of the lens called the principal ray
  2. the second parallel to the optical axis, which passes through the focal point, F2 behind the lens;
  3. the third through the focal point F1, in front of the lens, which becomes parallel to the axis after refraction.

The object and image planes lie at the intersections of the three rays.

Optical systems usually consist of more than one optical element. When two lenses with focal lengths f1 and f2 are spaced distance d apart, the effective focal length, efl, of the system becomes:

Para este ejemplo, M = -200/100; por lo tanto la ampliación es de -2. El signo menos muestra que la imagen está invertida dado que las direcciones de im y ob son opuestas.

En el caso de una distancia al objeto finita, la construcción de la distancia de la imagen para una lente delgada es fácil si la distancia focal es ya conocida ( ver figura). Trazamos tres rayos:

  1. el primero a través del centro de la lente llamado el rayo principal
  2. el segundo paralelo al eje óptico, que pasa a través del punto focal F2, detrás de la lente;
  3. el tercero a través del punto focal F1, en frente de la lente, que se vuelve paralelo al eje luego de la refracción

Los planos del objeto y la imagen se encuentran en las intersecciones de los tres rayos.

Los sistema ópticos usualmente consisten en uno o mas elementos ópticos. Cuando dos lentes con distancias focales f1 y f2 están espaciadas en una distancia d, la longitud focal efectiva efl del sistema se vuelve:

When the distance between the lenses is zero, the formula reduces to:

Cuando la distancia entre las lentes es de cero, la fórmula se reduce a:

If the position of the converging beam from the system is known, the effective focal length of the combined system is constructed by extending the converging rays back to the entering bundle, as shown in figure 5. Note that the effective focal length may be greater or less than the physical length of the optical system, depending on the type and spacing of the optical elements.

This has a useful application to telescopes. Two mirrors may be combined as a Cassegrain telescope, shown in figure 6. The effective focal length of the system becomes:

Si la posición del rayo convergente del sistema es conocido, la distancia focal efectiva del sistema combinado es construido extendiendo los rayos convergentes nuevamente al haz entrante, como se muestra en la figura 5. Tenga en cuenta que la distancia focal efectiva puede ser mayor o menor que la distancia física del sistema óptico, dependiendo del tipo y espaciado de los elementos ópticos.

Esto tiene una aplicación útil en los telescopios. Dos espejos pueden ser combinados como un telescopio Cassegrain, mostrado en el figura 6. La distancia focal efectiva del sistema es de:

where d is the distance between the two mirrors. Note that the focal length of the convex mirror, f2 is negative. The figure 6 shows where a lens of the same focal length as the compound optical system would be: the Cassegrain telescope is considerably shorter than the equivalent simple telescope. Donde d es la distancia entre dos espejos. Nótese que la distancia focal del espejo complejo, f2 es negativa. La figura 6 muestra dónde una lente de la misma distancia focal como el sistema óptico estaría: el telescopio Cassegrain es considerablemente mas corto que el equivalente de un simple telescopio.

Fig. 5- Effective focal lenghts for lens combinations.

Fig. 5 -Longitudes focales efectivas para combinaciones de lentes.

Fig. 6- Effective focal length of a Cassegrain Telescope

Fig. 6 - Longitud focal efectiva para un telescopio Cassegrain .

 

First-order optics can handle the passage of light rays through a thick lens, shown in fig. 7. A thick lens has four cardinal points, namely two focal points, Fl and F2, and two principal points, P1 and P2. The principal points represent the intersection of two principal planes with the optical axis. The principal plane is the plane where the converging or diverging beam has the same diameter as the entering bundle. When the principal points and focal points are known, we can construct the image location as shown in fig. 8. The separated thin lens formula remains valid when the distance between the principal planes is taken into consideration. The position of the principal planes is quite different for the various lens types in fig. 9.

La óptica de primer orden puede tratar el pasaje de rayos de luz a través de una lente delgada, mostrada en la figura 7. Una lente gruesa tiene cuatro puntos cardinales, identificados como dos puntos focales, F1 y F2, y dos puntos principales, P1 y P2. Los puntos principales representan la intersección de dos planos principales con el eje óptico. El plano principal es el plano donde el haz convergente o divergente tiene el mismo diámetro que el haz entrante. Cuando los puntos principales y los focos principales son conocidos, podemos construir la ubicación de la imagen como se muestra en la figura 8. La fórmula de lentes separadas permanece válida cuando la distancia entre los planos principales es tomada en consideración. La posición de los planos principales es muy diferente para los diferentes tipos de lentes que se ven en la figura 9.

Fig. 7- Principal and focal points for a thick lens

Fig. 7- Puntos focales y principales para una lente gruesa

Fig. 8- Image formation for a thick lens

Fig. 8- Formación de la imagen para una lente gruesa

Fig. 9- Position of the principal points for various lens bendings

Fig. 9- Posición de los puntos principales para varias curvaturas.

1- Bi-convex; 2- Positive Meniscus; 3- Plano-convex; 4- Plano-concave; 5- Negative Meniscus; 6- Bi-concave.

1-Biconvexa; 2- Menisco positivo; 3- Plano convexa; 4- Plano cóncava; 5- Menisco negativo; 6- Bicóncava

Las lentes de los anteojos son objetos de vidrio o plástico óptico que van insertados dentro de los marcos de anteojos o gafas para ampliar y/o corregir la visión del observador. El vidrio de aumento, inventado a comienzos de los años 1200, fue la primera lente óptica usada para mejorar la visión. Hecho de lente de cuarzo tranparente y berilio, la invención reveló el descubrimiento crítico de que las superficies reflectantes esmeriladas podrían aumentar la visión. Siguiendo a ésta invención, Alessandro di Spina introdujo el anteojo para el uso popular. Debido a la creciente demanda de anteojos, las lentes de cuarzo y berilio fueron virtualmente reemplazadas por las lentes de vidrio. La lente convexa fue la primera lente óptica usada en anteojos para ayudar a la corrección de la pérdida de visión lejana, pero luego otras lentes correctivas siguieron, incluyendo la lente cóncava para la corrección de la presbicia, y lentes mas complejas para la corrección del astigmatismo, así como la invención de los bifocales por Benjamin Franklin en 1784.

Mas del 80 por ciento de los anteojos usados en la actualidad tienen lentes plásticas, pero las lentes plásticas no han sido siempre las lentes de elección. La lente de vidrio permaneció dominante hasta 1952, cuando las lentes plásticas fueron introducidas. La lente plástica rápidamente creció en popularidad debido a que la lente era mas liviana y menos propicia a su rotura. En la actualidad, la manufactura de lentes plásticas excede por lejos a la manufactura de lentes de vidrio, pero los procesos han permanecido con pocos cambios para ambos tipos. Las lentes tanto de vidrio como de plástico son producidas en etapas sucesivas de tallado fino, pulido y conformado. Mientras que el mismo proceso es usado para producir lentes para telescopios, microscopios, binoculares, cámaras fotográficas y varios proyectores, tales lentes son usualmente mas  grandes y gruesas, y requieren mayor precisión y poder.

En el pasado, los ópticos dependían de laboratorios ópticos separados para producir lentes de anteojos. En la actualidad, existe un número de negocios de tiempo completo que producen lentes para los clientes en el momento y lugar. Sin embargo, los negocios ópticos reciben las lentes “sin tallar” (piezas plásticas ya formadas a un tamaño casi exacto con diferentes grados de curvatura en el frente de la lente) desde los laboratorios ópticos. Las lentes sin tallar con diferentes curvas son usadas para prescripciones ópticas específicas.

Materia prima

Las piezas plásticas sin tallar recibidas de los laboratorios ópticos son piezas redondeadas de plástico como el policarbonato de aproximadamente .75 pulgadas (1,9 centímetros) mas gruesas o mas finas y similares en tamaño a los marcos de los anteojos, sin embargo ligeramente mas grandes. La mayoría de las lentes terminadas de vidrio son esmeriladas al menos hasta .25 de pulgada ( .63 centímetros) pero este espesor puede variar dependiendo de la prescripción óptica particular o “poder” requerido. Otros materiales usados para producir lentes de vidrio óptico son :

  • Cinta adhesiva
  • Un líquido con una base de aleación de plomo
  • Metal
  • Colorantes y tinturas

Diseño

Las lentes de anteojos son diseñadas en una variedad de formas para adaptarse a los marcos del anteojo. El espesor y el contorno de cada lente variará dependiendo de la extensión y el tipo de corrección requerida. Adicionalmente, el bisel que rodea el borde de las lentes será diseñado para mantener las lentes en los marcos del anteojo deseado, y algunas lentes, tales como aquellas para marcos de metal o sin enmarcado, requerirán una terminación mas detallada de los bordes para adaptarse en forma segura dentro de los marcos.

Las lentes convexas y cóncavas, conocidas como lentes esféricas, requieren una curva esmerilada por lente, mientras mas curvas son requeridas para corregir el astigmatismo. El grado y el ángulo de la curva o curvas en una lente determina su fortaleza óptica.

Varios tratamientos de lentes y tintas son agregadas luego de que las lentes son formadas pero antes de ser insertadas en los marcos. Los recubrimientos son agregados sumergiendo las lentes dentro de contenedores de metal calentados y llenos con el tratamiento o tinta. Los tratamientos y tintas disponibles incluyen varias tintas para anteojos de sol y colores, tintas para luz ultravioleta, tratamientos para durabilidad y resistencia a los golpes, así como tratamientos a prueba de rayaduras. Entre los últimos avances en las tintas está la tinta sensible a la luz, que combina las ventajas de lentes claras regulares con la protección de los anteojos de sol. Estas lentes ajustan la cantidad de luz de sol radiante, proporcionando así la protección solar necesaria.

Varios grados de plástico son usados para anteojos, pero el mas popular es el “peso pluma”, un plástico policarbonato resistente a los impactos.  Este tipo de lente plástica es mas durable y 30% mas delgada y liviana que las lentes plásticas regulares. Otros tipos de lentes incluye la lente de plástico estándar de marca “CR 39”  (“CR 39” es un plástico monómero), y la lente de plástico de “Alto índice”, que es 20%  mas delgada y liviana que las lentes de plástico ordinarias.

 

 

 

 

 

 

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