Diseño de sistemas ópticos

El significado de diseño de sistemas ópticos varía según a quién se pregunte. En mi opinión, es más un proceso continuo que una tarea única. Un proceso es algo que se ejecuta continuamente, utilizando la retroalimentación para perfeccionar y mejorar cada etapa del desarrollo. En cambio, una tarea se centra en desarrollar un sistema o módulo específico para cumplir unos requisitos concretos.

Si tratamos el proceso de diseño como una serie de tareas aisladas, perderemos las ventajas del aprendizaje continuo. Una ventaja clave de un enfoque basado en procesos es cómo nos permite desarrollar nuestras habilidades para predecir el rendimiento de nuestros diseños.

Para lograrlo, no podemos basarnos únicamente en la medición de los parámetros directamente relacionados con los requisitos del cliente, pasando por alto el rendimiento óptico de los subsistemas ópticos. En muchos casos, el sistema óptico es sólo un componente de una máquina más grande. Si la máquina funciona correctamente aunque sólo sea una vez, solemos sacar la conclusión de que todas las piezas funcionan bien. Sin embargo, según mi experiencia, esa suposición suele ser incorrecta. Los sistemas complejos pueden enmascarar componentes de bajo rendimiento. Que una máquina funcione no significa que todas sus piezas funcionen según lo previsto.

Hay una diferencia clave entre el diseño de sistemas ópticos y lo que a menudo se confunde con él: el diseño de lentes. El diseño de objetivos parte de requisitos específicos como el tamaño, el tipo de imagen, la gama de longitudes de onda, los ángulos de campo, el tamaño de la imagen y la calidad óptica de todos estos factores. En cambio, el diseño del sistema implica determinar cuáles deben ser esos parámetros. Una vez que estos parámetros están claros, un especialista en trazado de rayos que utilice software como Zemax/OpticStudio o Code V puede ofrecer resultados excelentes. Sin esta base, todo se convierte en conjeturas o en el mejor de los esfuerzos.

Por ejemplo, ¿cómo sabemos cuánta aberración esférica, curvatura de campo o distorsión es aceptable para satisfacer las necesidades del cliente? ¿Hay requisitos de coherencia, espacial o longitudinal?

Let’s dive deeper into the mathematics. How do we describe the optical performance of an imaging system? Is it appropriate to use Zernike polynomials? Many argue that for circular pupils, the Zernike set is ideal. For telescopes, projectors, or camera lenses, that’s absolutely correct. However, if performance requirements aren’t directly tied to wavefront variance, the Zernike set may not be the best fit—even if it’s often preferred or widely liked. Determining the right approach is the optical system designer’s responsibility.