Le lenti ottiche sono principalmente classificate in base alla loro forma, distinguendo tra Lenti Sferiche e Lenti Asferiche (ASF). Ogni tipo presenta caratteristiche uniche, e le principali differenze risiedono nelle geometrie e nella complessità della produzione e della misurazione.
Le Lenti Asferiche, caratterizzate da un raggio di curvatura che varia dal centro al bordo, possiedono una caratteristica distintiva che fornisce vantaggi ottici non presenti nei loro equivalenti sferici. In molti casi, una singola Lente Asferica può sostituire un sistema di lenti complesso, portando a prestazioni superiori, convenienza economica, un prodotto più compatto e dimensioni e peso ridotti rispetto al design a lenti multiple.
Le Lenti Asferiche stanno vivendo una crescita significativa sul mercato.
Secondo Data Bridge Market Research[1], il mercato delle Lenti Asferiche è proiettato a raggiungere 188,13 milioni di dollari entro il 2030, rispetto al suo valore di 115,40 milioni di dollari nel 2022, con un Tasso di Crescita Annuale Composto (CAGR) del 6,30% dal 2023 al 2030.
Le Lenti Asferiche stanno diventando lo standard in varie applicazioni, che vanno dalle lenti fotografiche ad alta intensità alla tecnologia aerospaziale, e le moderne tecnologie di produzione hanno facilitato la loro produzione economica e ad alta precisione, consentendone l’integrazione in sistemi all’avanguardia, come la tecnologia medica e laser.
L’aumento della domanda di trasmettitori e rilevatori di distanza, soprattutto nel contesto della videosorveglianza, sta contribuendo significativamente alla crescita del mercato. Inoltre, l’ampio utilizzo delle Lenti Asferiche nei tablet e negli smartphone ha ulteriormente contribuito a questa crescita.
Panoramica sulle Lenti Asferiche
Le Lenti Asferiche presentano una superficie asferica a simmetria di rotazione (parabolica, ellittica o iperbolica) combinata con una seconda superficie, che può essere sferica o piana, e sono normalmente utilizzate quando un elemento ottico deve concentrare la luce. Se una lente possiede due superfici asferiche, viene chiamata normalmente Biasferica.
Queste lenti sono utilizzate quando è necessario ottenere, con lo stesso diametro e lunghezza focale di una lente sferica simile, un’aberrazione sferica inima, un effetto ottico che causa la focalizzazione dei raggi di luce incidente in punti differenti durante la formazione di un’immagine, creando una sfocatura. Infatti, una Lente Sferica, anche perfettamente progettata e fabbricata, presenterà sempre un’aberrazione sferica. Al contrario, le Lenti Asferiche, se progettate e fabbricate correttamente, mettono a fuoco la luce senza produrre alcuna aberrazione.
Per risolvere il problema delle aberrazioni e correggere un’immagine, i sistemi basati su Lenti Sferiche richiedono l’aggiunta di componenti supplementari, il che inevitabilmente comporta variazioni nel colore, nel riverbero, un aumento del contrasto, del peso e delle dimensioni complessive della lente o del sistema. Al contrario, le immagini ottenute mediante Lenti Asferiche presentano una corretta resa di colore e contrasto, senza la necessità di aggiungere componenti extra che possano influenzare negativamente le caratteristiche ottiche e meccaniche.
Sebbene la correzione dell’aberrazione sferica sia il principale vantaggio delle Lenti Asferiche, non è l’unico beneficio. Queste lenti superano le loro controparti sferiche garantendo una messa a fuoco più nitida, dimensioni dell’apertura più grandi e un’efficienza migliorata nella concentrazione della luce.
Applicazione delle Lenti Asferiche
Grazie alla loro capacità di correggere aberrazioni sferiche e varie altre imperfezioni ottiche, le Lenti Asferiche trovano applicazioni in un ampio spettro di dispositivi:
- Fotocamere
- Strumenti Ottici
- Occhiali e lenti a contatto
- Fibra ottica e Fotonica
- Applicazioni laser
- Telefoni cellulari
La loro versatilità e capacità di produrre immagini nitide e chiare consentono il loro utilizzo in una vasta gamma di applicazioni, che vanno dall’attrezzatura fotografica professionale alle lenti grandangolari, nella produzione di fotocamere digitali e nei sistemi di sorveglianza. Le Lenti Asferiche nell’infrarosso possono catturare immagini più definite anche al buio totale, poiché trasmettono più luce infrarossa rispetto a una lente tradizionale.
Le Lenti Asferiche sono particolarmente apprezzate in oftalmologia, sia per la realizzazione di lenti per occhiali, al fine di offrire un campo visivo più ampio, ridurre le distorsioni e garantire un aspetto più piatto, sia per la produzione di lenti a contatto, contribuendo a migliorare la chiarezza, soprattutto in condizioni di scarsa illuminazione.
Queste lenti trovano impiego nella produzione di vari dispositivi ottici, come endoscopi e telescopi, e dispositivi di imaging, come microscopi e scanner laser, che consenteno a ingegneri, ricercatori e scienziati di utilizzare attrezzature avanzate per misurazioni estremamente precise.
Tradizionalmente, le Lenti Asferiche sono state impiegate nell’industria dell’illuminazione come primo elemento vicino alla sorgente luminosa per concentrare la radiazione, grazie alla loro capacità di convergere i raggi che le colpiscono perifericamente.
Il vantaggio di ridurre il numero di elementi in un sistema sferico con un singolo elemento asferico contribuisce significativamente alla riduzione del peso, un fattore cruciale nelle applicazioni aerospaziali.
Progettazione e Produzione di Lenti Asferiche
La progettazione e la produzione di Lenti Asferiche possono essere complesse; tuttavia, grazie a macchinari moderni e tecnologie avanzate, è ora possibile produrle in serie con un’elevata accuratezza.
Le tecnologie di produzione per le Lenti Asferiche includono principalmente metodi di stampaggio, lucidatura e sbozzatura. I processi di produzione per le Lenti Asferiche sono stati significativamente influenzati dalla tecnologia CNC, software di controllo intelligente e dalle nuove tecniche di misurazione.
Presso Tecnottica, disponiamo di un’area dedicata alla produzione di Lenti Asferiche dotata di una macchina di lucidatura, una macchina di generazione altamente flessibile, attrezzature a controllo numerico (CNC) e profilometri appositamente progettati per superfici asferiche e forme libere.
Metodo di Produzione di Lucidatura di Precisione
La nostra macchina di lucidatura è dotata della tecnologia di polishing Avanzata Deterministica Adattiva (Adaptive Deterministic Advanced Polishing Technology – ADAPT) e di un Sistema di Controllo Qualità (IQS). Queste tecnologie ci consentono di elaborare in modo efficiente e costante forme asferiche e libere estremamente accurate. Inoltre, il sistema si regola automaticamente per l’usura degli utensili, compensando eventuali imprecisioni.
Il metodo di produzione di lucidatura di precisione implica il lavoro su piccole aree di contatto dell’ordine di millimetri quadrati per levigare e lucidare forme asferiche. Queste aree di contatto minime vengono regolate con precisione durante la lucidatura di precisione controllata da computer per formare il profilo asferico desiderato.
Metodo di Produzione di Generazione di Precisione
Utilizziamo anche una macchina di sbozzatura altamente flessibile con un’asse Y esteso e un concetto di mandrino modulare per elaborare geometrie di pezzo più ampie. Questo approccio garantisce la produzione efficiente e conveniente di superfici ottiche di alta qualità.
Controllo Numerico Computerizzato
Le attrezzature a Controllo Numerico Computerizzato (CNC) sono necessarie per modellare e lucidare superfici asferiche, che per natura sono rregolari; le attrezzature puramente meccaniche, infatti, non sono sufficienti da sole, poiché il raggio di curvatura non è costante sulla superficie della lente.
Le superfici asferiche prodotte su attrezzature dotate di CNC non possono essere modellate o lucidate in lotti ma devono essere realizzate una alla volta; il Tecnico Ottico deve programmare la macchina CNC per adattarsi al raggio di curvatura variabile. Ciò rende le superfici asferiche notevolmente più costose da produrre rispetto alle superfici sferiche.
Inoltre, il Progettista Ottico deve considerare attentamente le specifiche della superficie asferica in modo che l’attrezzatura CNC possa seguire con precisione la curva complessa desiderata. Una sfida di progettazione che non si applica alle lenti sferiche.
Metrologia delle Superfici Asferiche
Una misurazione adeguata è indispensabile per garantire che una superficie asferica rispetti tutte le tolleranze richieste. La metrologia delle Lenti Asferiche è diventata molto più rapida e meno complicata negli ultimi anni, grazie all’ottimizzazione delle tecnologie di misurazione; una delle tecniche di misurazione più comuni per l’accuratezza della superficie o l’errore di figura è la Profilometria.
La profilometria, uno strumento di misurazione di precisione senza contatto per acquisire le dimensioni delle superfici asferiche in 2D e 3D, misura la variazione dell’altezza di una lente muovendo una sonda sulla superficie. Il movimento della sonda sulla superficie può essere a spirale o lineare, restituendo un’immagine della superficie in sezioni trasversali o una mappa.
Altri metodi di produzione
Sebbene quella sopra descritta sia la nostra metodologia impiegata per la produzione di Lenti Asferiche, esistono altre tecniche che possono essere utilizzate a seconda del substrato della lente e del suo campo di applicazione. Di seguito un breve riassunto dei principali metodi di produione.
Stampaggio di Precisione del Vetro
Lo Stampaggio di Precisione Del Vetro (Precision Glass Molding) è una tecnica di produzione in cui nuclei di vetro ottico vengono riscaldati a temperature elevate fino a quando la superficie diventa abbastanza malleabile da poter essere pressata in uno stampo di forma asferica.
La Tornitura con Diamante
La Tornitura con Diamante o Single-point Diamond Turning (SPDT), simile alla rettifica e alla lucidatura, utilizza un utensile con una dimensione più piccola, garantendo finiture superficiali e precisioni di forma migliori. Sebbene la SPDT sia efficace per modellare plastica, metallo e cristalli, non è adatta per lavorare il vetro.
Tecnica di Stampaggio Polimerico
Lo Stampaggio Polimerico (Polymer Molding) crea una superficie asferica premendo una superficie sferica standard su uno stampo asferico creato mediante SPDT. Questo metodo è efficace per produzione di volumi elevati di Lenti Asferiche di precisione a causa dei costi iniziali degli utensili. Di contro, la lente prodotta con questo metodo ha una resistenza ridotta e non è adatta a condizioni ambientali estreme.
Stampaggio ad Iniezione di Plastica
Lo Stampaggio a Iniezione della Plastica (Plastic Injection Molding) comprende due tecniche diverse: l’iniezione di plastica fusa in uno stampo asferico e la compressione di plastica preriscaldata in uno stampo asferico. È un metodo uilizzato per lenti di materiale plastico con strutture dettagliate, come le lenti di Fresnel.
L’iniezione e la compressione possono essere utilizzate combinandole in un processo noto come “coining”. La convenienza economica e il peso ridotto della plastica rendono queste lenti interessanti per alcune applicazioni, tuttavia, hanno una scarsa resistenza ai graffi e, a causa della ridotta stabilità termica e resistenza alla pressione, richiedono un trattamento speciale prima dello stampaggio.
La Nostra Produzione Specializzata di Lenti Asferiche
Tecnottica Consonni garantisce la produzione di Lenti Asferiche di precisione grazie alle competenze di utilizzo dei diversi vetri ottici e Silice Fusa.
Il nostro impegno va oltre la semplice lavorazione, includendo la finitura meticolosa di Lenti Asferiche prestampate, sia in vetro che in plastica.
Le nostre capacità comprendono la produzione di una vasta gamma di profili asferici a simmetria di rotazione, ottenuti attraverso l’utilizzo di macchine CNC professionali. Queste macchine, abbinate alle nostre competenze tecniche, consentono la produzione di Lenti Asferiche con diametri che vanno da 2,5 mm a 300 mm.
Inoltre, le nostre Lenti Asferiche sono disponibili anche con rivestimenti antiriflesso meticolosamente ottimizzati per fornire larghezze di banda spettrale specifiche rchieste dai clienti. Questa dedizione alla personalizzazione garantisce che le nostre lenti soddisfino i requisiti unici in diverse applicazioni, tra cui Astronomia e Aerospaziale, Medicale, Telecomunicazioni, Industria, Militare e Ricerca Scientifica.
Tecnottica Consonni si trova in prima linea nella produzione di Lenti Asferiche, unendo precisione, personalizzazione e know how, per offrire soluzioni ottiche di altissima qualità.
[1] https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-aspheric-lenses-market
Foto di Tim Meyer su Unsplash, Michel Oeler su Unsplash, Logan Moreno Gutierrez su Unsplash