Diseño de frentes de onda multifocales dadas las cáusticas en sistemas ópticos axialmente simétricos

25 May, 2022 | Ciencias de la imagen

Nuevo estudio teórico para diseñar lentes multifocales

El diseño de una lente no es algo trivial, ya que implica costosos cálculos computacionales que implican desde los años 60 del siglo pasado el uso de computadoras.
Desde entonces, los sucesivos avances científico-tecnológicos en este campo han permitido los diseños actuales de lentes multifocales.

Estas lentes multifocales proporcionan distribuciones de la luz no concentradas alrededor de un solo punto (monofocalidad), sino alrededor de ciertos lugares o a lo largo de una región extensa.

Los haces y diseños ópticos multifocales y/o de profundidad de foco ampliada están en auge en la óptica gracias al desarrollo de técnicas que permiten el control de los haces de luz (por ejemplo, gracias a los moduladores de luz espacial), controlando la forma de lo que se denomina frente de onda.
La diversidad de aplicaciones de estas tecnologías es alta, no solo sirven como correcciones oftálmicas para la presbicia sino que también tienen aplicación en el almacenamiento de datos, microscopía, fotografía computacional, micromanipulación óptica (pinzas ópticas) o haces no difractivos en óptica atómica y no lineal.

¿Pero qué es un frente de ondas?

Un frente de onda o frente de ondas se define como el lugar geométrico que une todos los puntos que, en un instante dado, se encuentran en idéntico estado de vibración, es decir, tienen igual fase.
En la superficie del agua los sucesivos frentes de ondas forman círculos concéntricos.

El diseño del frente de onda consiste en, primero, buscar aquel que, al emerger del sistema óptico, proporciona las propiedades multifocales y/o de profundidad de foco extendida deseadas.

Esto puede llevarse a cabo mediante simulaciones teóricas y computacionales, experimentos o ambos.
Una vez que se ha encontrado el frente de onda óptimo, el siguiente paso consiste en diseñar una lente o sistema óptico a la que le llegue un frente de onda entrante y salga ese frente de onda óptimo.

 

¿Qué son las superficies cáusticas de un frente de onda?

Dentro de la teoría de la óptica de rayos, las cáusticas están asociadas con ubicaciones espaciales donde dos o más rayos se cruzan, lo que proporciona a esas ubicaciones una mayor concentración de luz.

Estas concentraciones de luz, especialmente de luz solar, pueden llegar a quemar. La palabra cáustica proviene del griego καυστός, quemar, a través del latín, causticus, quemando. Una situación común donde se pueden observar cáusticas es cuando la luz brilla a través de un vaso de bebida. El vaso proyecta una sombra, pero también produce una región curva de luz brillante.

Fuente: Wikimedia Commons
Aunque en la mayoría de las aplicaciones de enfoque directo es obligatorio utilizar la teoría de la óptica ondulatoria, para una simulación precisa de la propagación del haz o la evaluación del rendimiento óptico de una lente, el método desarrollado en este trabajo ofrece un enfoque para, al menos, caracterizar algunas propiedades básicas o explorar posibles soluciones de diseño. De todo esto surge el análisis de las cáusticas como una herramienta natural para explorar las propiedades multifocales de los frentes de onda.

El objetivo general de este trabajo es ofrecer un marco teórico para predecir la existencia o no de frentes de onda con propiedades multifocales prescritas. Adicionalmente, se han descrito los fundamentos de una metodología para diseñar soluciones multifocales dadas algunas restricciones cáusticas.

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