Design optických čoček - Optical lens design - Wikipedia

Design optických čoček je proces projektování A objektiv splnit soubor výkonnostních požadavků a omezení, včetně omezení nákladů a výroby. Parametry zahrnují typy povrchových profilů (sférický, asférický, holografické, difrakční atd.), stejně jako poloměr zakřivení, vzdálenost k dalšímu povrchu, typ materiálu a volitelně sklon a decentnější. Tento proces je výpočetně náročný a využívá sledování paprsku nebo jiné techniky k modelování vlivu čočky na světlo, které jím prochází.

Požadavky na design

Mezi výkonnostní požadavky patří:

  1. Optický výkon (kvalita obrazu): To je kvantifikováno různými metrikami, včetně obklopená energie, funkce modulačního přenosu, Strehlův poměr, kontrola odrazu duchů a výkon zornice (velikost, umístění a aberace); volba metriky kvality obrazu je specifická pro konkrétní aplikaci.[1][2][Citace je zapotřebí ]
  2. Fyzické požadavky jako např hmotnost, statické objem, dynamický objem, centrum gravitace a celkové požadavky na konfiguraci.
  3. Environmentální požadavky: rozsahy pro teplota, tlak, vibrace a elektromagnetické stínění.

Omezení designu mohou zahrnovat realistické tloušťky prvků a okrajů čoček, minimální a maximální vzduchové mezery mezi čočkami, maximální omezení vstupního a výstupního úhlu, fyzicky realizovatelné sklo index lomu a disperze vlastnosti.

Výrobní náklady a plány dodání jsou také hlavní součástí optického designu. Cena polotovaru optického skla daných rozměrů se může lišit o faktor padesát a více, v závislosti na velikosti, typu skla, indexu stejnorodost kvalita a dostupnost s BK7 obvykle nejlevnější. Náklady na větší a / nebo silnější optické polotovary daného materiálu nad 100–150 mm se obvykle zvyšují rychleji než fyzický objem kvůli zvětšenému polotovaru žíhání čas potřebný k dosažení přijatelné indexové homogenity a interní stres dvojlom úrovně v celém prázdném svazku. Dostupnost skleněných polotovarů je dána tím, jak často určitý typ skla daný výrobce vyrábí, a může vážně ovlivnit výrobní náklady a harmonogram.

Proces

Objektivy lze nejprve navrhnout pomocí paraxiální teorie do polohy snímky a žáci, poté byly vloženy a optimalizovány skutečné povrchy. Paraxiální teorii lze v jednodušších případech přeskočit a objektiv přímo optimalizovat pomocí reálných povrchů. Objektivy jsou nejprve navrženy s použitím průměru index lomu a disperze (vidět Abbe číslo ) vlastnosti zveřejněné v katalogu výrobce skla a přesto skleněný model výpočty. Vlastnosti skutečných skleněných polotovarů se však od tohoto ideálu budou lišit; index hodnot lomu se může lišit až o 0,0003 nebo více od katalogových hodnot a rozptyl se může mírně lišit. Tyto změny indexu a disperze mohou někdy stačit k tomu, aby ovlivnily umístění zaostření objektivu a zobrazovací výkon ve vysoce korigovaných systémech.

Proces výroby prázdné čočky je následující:

  1. The skleněná dávka přísady pro požadovaný typ skla jsou smíchány v práškovém stavu,
  2. prášková směs se společně roztaví v peci,
  3. tekutina se dále míchá, zatímco se roztaví, aby se maximalizovala homogenita šarže,
  4. nalil do polotovarů čoček a
  5. žíhaný podle empiricky stanovených časových a teplotních plánů.

Prázdný rodokmen skla nebo „údaje o tavenině“ lze pro danou dávku skla určit malou přesností hranoly z různých míst v dávce a měření jejich indexu lomu na a spektrometr, obvykle v pět nebo více vlnové délky. Programy objektivu mají přizpůsobení křivky rutiny, které mohou přizpůsobit data taveniny vybraným disperzní křivka, ze kterého lze vypočítat index lomu při jakékoli vlnové délce v rozsahu přizpůsobených vlnových délek. Opětovnou optimalizaci nebo „opětovné složení taveniny“ lze poté provést na konstrukci čočky pomocí naměřeného indexu údajů o lomu, pokud jsou k dispozici. Při výrobě bude výsledný výkon objektivu přesněji odpovídat požadovaným požadavkům, než kdyby se předpokládaly průměrné hodnoty katalogu skla pro index lomu.

Dodací plány jsou ovlivněny dostupností skleněných a zrcadlových polotovarů a dodacími lhůtami, množstvím nástrojů, které musí obchod vyrobit před zahájením projektu, výrobními tolerancemi dílů (přísnější tolerance znamenají delší časy výroby), složitostí jakéhokoli optické povlaky které je třeba aplikovat na hotové díly, další složitost při montáži nebo lepení čočkových prvků do buněk a v celkové sestavě čočkového systému a jakékoli následné montážní vyrovnání a testování kontroly kvality a nástroje vyžadované. Náklady na nástroje a plány dodávek lze snížit použitím stávajících nástrojů v daném obchodě, kdykoli je to možné, a maximalizací výrobních tolerancí v maximální možné míře.

Optimalizace objektivu

Jednoduchý dvouprvkový objektiv se vzduchovou mezerou má devět proměnných (čtyři poloměry zakřivení, dvě tloušťky, jednu tloušťku vzdušného prostoru a dva typy skla). Objektiv s více konfiguracemi korigovaný v širokém spektrálním pásmu a zorném poli v rozsahu ohniskové vzdálenosti a přes realistický teplotní rozsah může mít složitý návrhový objem, který má více než sto rozměrů.

Techniky optimalizace objektivu, které dokážou navigovat v tomto vícerozměrném prostoru a pokračovat do lokálního minima byly studovány od 40. let 20. století, počínaje ranou tvorbou James G. Baker a později Feder,[3] Wynne,[4] Glatzel,[5] Šedá[6] a další. Před vývojem digitální počítače, optimalizace objektivu byla ruční výpočetní úkol trigonometrický a logaritmický tabulky k vykreslení 2D řezů vícerozměrným prostorem. Počítačové sledování paprsků umožňuje rychlé modelování výkonu objektivu, takže lze rychle prohledávat designový prostor. To umožňuje rychlé zdokonalení návrhových konceptů. Populární software pro optický design zahrnuje Zemax 's OpticStudio, Synopsys Kodex V a výzkum společnosti Lambda Research OSLO. Ve většině případů musí návrhář nejprve zvolit životaschopný design optického systému a poté se k jeho upřesnění použije numerické modelování.[7] Návrhář zajišťuje, aby návrhy optimalizované počítačem splňovaly všechny požadavky, a provádí úpravy nebo restartuje proces, pokud tomu tak není.

Viz také

Reference

  1. ^ Fischer, Robert E .; Tadic-Galeb, Biljana; Yoder, Paul R. (2008). Návrh optického systému (2. vyd.). New York: McGraw-Hill. 8, 179–198. ISBN  0-07-147248-7.
  2. ^ "Funkce modulačního přenosu".
  3. ^ D.P. Feder, „Automatický optický design“, Appl. Opt. 2, 1209–1226 (1963).
  4. ^ C. G. Wynne a P. Wormell, „Lens Design by Computer“, Appl. Opt. 2: 1223–1238 (1963).
  5. ^ „Dr. Erhardt Glatzel (životopis)“. Společnost Zeiss Historica. Archivovány od originál 27. ledna 2013. Citováno 21. července 2013.
  6. ^ Gray, D.S., „Zahrnutí citlivosti na toleranci do funkce zásluh o optimalizaci objektivu“, SPIE sv. 147, str. 63–65, 1978.
  7. ^ Fischer (2008), s. 171–5.
  • Smith, Warren J., Moderní design objektivu, McGraw-Hill, Inc., 1992, ISBN  0-07-059178-4
  • Kingslake, Rudolf, Základy designu objektivu, Academic Press, 1978
  • Shannon, Robert R., Umění a věda optického designu, Cambridge University Press, 1997.

externí odkazy