miércoles, 13 de junio de 2012

Las tres aberraciones de la física (II)

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La semana pasada hablábamos de la aberración cromática, que afecta a las lentes porque el índice de refracción de los materiales de los que están hechas depende de la longitud de onda de la luz incidente. Los espejos están libres de esta aberración; por eso (entre otras razones) muchos telescopios se fabrican actualmente con espejos en lugar de con lentes. Sin embargo, tanto lentes como espejos sufren de la llamada aberración esférica, una imperfección de la imagen debida a que, en una lente o espejo de superficie esférica, los rayos de luz que inciden lejos del eje no se focalizan en el mismo punto que los más próximos al eje. Una solución es utilizar lentes o espejos asféricos, o sea, con superficies no esféricas, pero tanto el cálculo y el diseño de las superficies como su fabricación resultan mucho más difíciles y caros (o lo eran hasta hace muy poco tiempo). Por eso, la mayor parte de los elementos ópticos siguen teniendo superficies esféricas, o así ha sido hasta muy recientemente.



Debido a la complejidad del diseño y la fabricación de las lentes asféricas, la solución tradicional para corregir la aberración esférica es la misma que la de la aberración cromática: El uso de sistemas de lentes cuyas aberraciones se compensan. Pero en los sistemas que requieren elevada luminosidad, o sea, que precisan lentes de gran diámetro, como los telescopios y los objetivos fotográficos de tipo gran angular y zoom, la corrección de la aberración esférica es muy complicada, y es preciso recurrir a sistemas ópticos con decenas de lentes, de ahí el gran tamaño de esos aparatos.
Esquema de un telescopio de Schmidt (Pearson Scott Foresman, 2007)

Aunque ya desde el siglo XVII se venía intentando la fabricación de lentes asféricas con más o menos éxito, las primeras aplicaciones prácticas de lentes asféricas datan de finales del siglo XIX, cuando se consiguió mecanizar la fabricación de lentes cilíndricas para la corrección del astigmatismo. Hasta entonces sólo se podía corregir, con lentes esféricas, la miopía y la hipermetropía. A principios del siglo XX se desarrollaron las lentes tóricas, cuya superficie corresponde a la de un toro, y que permiten corregir simultáneamente la miopía (o hipermetropía) y el astigmatismo.
La primera aplicación práctica de lentes asféricas en el campo de la instrumentación óptica data de 1930. Ese año, el óptico estonio Bernhard Schmidt inventó para su uso en la observación astronómica la cámara que lleva su nombre. La cámara de Schmidt, también llamada telescopio de Schmidt, consiste en un espejo esférico ante el que se sitúa una lente asférica, y produce imágenes con muy poca aberración, aunque no enfoca en un plano, sino en una superficie curva, por lo que las placas fotográficas con las que se utiliza deben ser también curvadas.

En 1956 la empresa Elgeet (hoy Navitar) desarrolló un gran angular dotado de lentes asféricas para su uso en cámaras de cine de 16 milímetros, y en 1971 Canon presentó el primer objetivo fotográfico réflex con lentes asféricas. La precisión con la que estaban talladas las lentes era altísima, veinte millonésimas de milímetro, y el proceso de fabricación era prácticamente manual, por lo que su precio era muy elevado. Tres años más tarde, Canon logró mecanizar parcialmente el proceso, pero el precio seguía siendo alto, limitado al uso profesional.

Más recientemente se han desarrollado otros métodos de fabricación de lentes asféricas de mayor o menor calidad. Algunas cámaras compactas, teléfonos móviles y lectores ópticos tienen pequeñas lentes asféricas de plástico moldeado, muy baratas, pero sin la calidad óptica de las lentes de vidrio. También se pueden moldear lentes de vidrio mediante presión en moldes metálicos, con un coste mayor, pero con calidad adecuada para su uso en cámaras réflex de gama media y baja.

Una última aplicación de las lentes asféricas es la sustitución de las antiestéticas gafas de culo de vaso. En este caso el objetivo principal no es eliminar la aberración esférica, sino reducir el grosor, la curvatura y el peso de los cristales, con lo que se consigue más comodidad para el que lleva las gafas, y al mismo tiempo que los demás perciban una imagen más estética y menos deformada de sus ojos a través de los cristales.

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