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Lentes Asféricas vs. Lentes Esféricas: Diferenças e Aplicações

Parâmetro

Lentes esféricas são óticas com simetria rotacional cuja forma corresponde a uma seção de uma esfera (Fig. 1). A distância do centro geométrico ao raio de curvatura é constante. Isso significa que a superfície opticamente efetiva pode ser descrita com um único parâmetro: o raio R. Essa uniformidade concede às lentes esféricas vantagens significativas de custo na fabricação.

Fig. 1: Área opticamente efetiva de uma superfície esférica definida pelo raio Ra

Vantagens de Fabricação

A geometria esférica permite processos de produção simplificados e prazos de entrega mais curtos, especialmente para diâmetros pequenos, onde várias óticas podem ser fabricadas simultaneamente em um único substrato. A geometria uniforme da superfície também simplifica a inspeção óptica. As técnicas de medição incluem:

• Métodos táteis (perfilômetros, CMMs)

• Métodos ópticos (interferômetros, CGHs)

A produção digitalizada (por exemplo, o fluxo de trabalho totalmente automatizado da asphericon) reduz os custos por meio da otimização de lotes.
Amplamente utilizadas em:

• Metrologia

• Aeroespacial (por exemplo, espectrômetros de satélite)

• Tecnologia médica (por exemplo, lâmpadas de fenda para exames oculares)
  Seu baixo custo, produção rápida e versatilidade as tornam fundamentais para a ótica com excelentes relações custo-benefício.

Otimização do Desempenho Óptico

Lentes esféricas utilizam propriedades de coleta, dispersão ou foco para refratar a luz. Em sistemas de imagem:

• A qualidade da imagem pode ser aprimorada ajustando a posição da fonte de luz ou o tamanho da abertura.

• A aberração esférica pode ser reduzida por meio de diafragmas que bloqueiam os raios periféricos.

• Combinações de múltiplas lentes (por exemplo, acromáticas – lentes convexas/côncavas coladas) corrigem aberrações/esféricas, comumente usadas em lentes de câmeras.

Lentes Esféricas
As asféricas são ideais para aplicações que exigem:

• Alta qualidade de imagem

• Grandes aberturas numéricas

• Minimização de espaço
  Essas óticas com simetria rotacional apresentam raios de curvatura radialmente variáveis (Fig. 2), desviando-se dos perfis esféricos para melhorar significativamente o desempenho da imagem.

Fig. 2: Comparação de áreas opticamente efetivas: superfície esférica vs. asférica

Características Principais

• O achatamento periférico reduz a aberração esférica, garantindo que todos os raios incidentes convergem em um ponto focal comum (Fig. 3).

• Elimina o borrão causado pela aberração esférica.

• Definição matemática da superfície (equação da asfera):

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• Onde:
  $z$ = altura sagital
  $h$ = distância do eixo óptico
  $R$ = raio base
  $k$ = constante cônica
  $A$2i= coeficientes asféricos
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Fig. 3: Correção da aberração esférica via superfície asférica

Miniaturização do Sistema
As asféricas permitem designs ópticos compactos:

• Exemplo: Expansores de feixe monolíticos (por exemplo, a-BeamExpander da asphericon) reduzem o comprimento do sistema em 50% em comparação com telescópios Keplerianos/Galileanos (Fig. 5).

• A redução de peso beneficia aplicações aeroespaciais (por exemplo, satélites de observação da Terra como o Sentinel-4).

Fig. 5: Comparação de tamanho: BeamExpander vs. telescópios

tradicionais

Produção e Metrologia

• Avanços modernos permitem a fabricação em volume de alta precisão:

• Métodos: Moagem, polimento

  • Técnicas de medição:

  • Interferometria CGH

  • Sondagem tátil

• Interferometria de onda de inclinação (topografia da superfície em 20-30 segundos)

A produção digitalizada (por exemplo, o fluxo de trabalho totalmente automatizado da asphericon) reduz os custos por meio da otimização de lotes.

• Aplicações

• Sistemas a laser (modelagem/expansão de feixe)

• Microscopia de fluorescência

• Sistemas de projeção

Instrumentação de satélite