Конструкция оптических линз - Optical lens design

Оптическая конструкция объектива является процессом проектирования в объектив , чтобы соответствовать ряду требований и ограничений производительности, в том числе затрат и производственных ограничений. Параметры включают типы профиля поверхности ( сферический , асферический , голографический , дифракционный и т. Д.), А также радиус кривизны , расстояние до следующей поверхности, тип материала и, возможно, наклон и децентрализацию. Этот процесс требует больших вычислительных ресурсов и использует трассировку лучей или другие методы для моделирования того, как линза влияет на проходящий через нее свет.

Требования к дизайну

Требования к производительности могут включать:

  1. Оптические характеристики (качество изображения): количественно оцениваются с помощью различных показателей, включая энергию в окружении , функцию передачи модуляции , коэффициент Штреля , контроль призрачного отражения и характеристики зрачка (размер, местоположение и контроль аберрации); Выбор показателя качества изображения зависит от приложения.
  2. Физические требования, такие как вес , статический объем , динамический объем, центр тяжести и общие требования к конфигурации.
  3. Требования к окружающей среде: диапазоны температуры , давления , вибрации и электромагнитного экранирования .

Конструктивные ограничения могут включать реалистичную толщину центра и краев линз, минимальные и максимальные воздушные промежутки между линзами, максимальные ограничения на входные и выходные углы, физически реализуемый показатель преломления стекла и свойства дисперсии .

Затраты на производство и графики поставок также являются важной частью оптического дизайна. Цена на заготовку из оптического стекла заданных размеров может варьироваться в 50 или более раз, в зависимости от размера, типа стекла, качества однородности индекса и доступности, причем BK7 обычно является самым дешевым. Стоимость более крупных и / или толстых оптических заготовок из данного материала, превышающих 100–150 мм, обычно увеличивается быстрее, чем физический объем, из-за увеличения времени отжига заготовки, необходимого для достижения приемлемой однородности показателя преломления и уровней двойного лучепреломления внутреннего напряжения во всем объеме заготовки. Доступность стеклянных заготовок зависит от того, как часто конкретный тип стекла изготавливается данным производителем, и может серьезно повлиять на стоимость и график производства.

Процесс

Сначала линзы могут быть разработаны с использованием параксиальной теории для позиционирования изображений и зрачков , а затем вставлены и оптимизированы реальные поверхности. Параксиальную теорию можно пропустить в более простых случаях, а линзу напрямую оптимизировать с использованием реальных поверхностей. Линзы сначала конструируются с использованием средних показателей преломления и дисперсии (см. Число Аббе ), опубликованных в каталоге производителя стекла, и с помощью расчетов модели стекла . Однако свойства настоящих стеклянных заготовок будут отличаться от этого идеального; значения показателя преломления могут отличаться от значений по каталогу на 0,0003 или более, а дисперсия может незначительно отличаться. Этих изменений индекса и дисперсии иногда бывает достаточно, чтобы повлиять на расположение фокуса объектива и качество изображения в системах с высокой степенью коррекции.

Процесс изготовления заготовки линзы следующий:

  1. В стекольной шихте ингредиенты для требуемого типа стекол смешивают в порошкообразном состоянии,
  2. порошковая смесь плавится в печи,
  3. жидкость дополнительно перемешивается во время расплавления, чтобы максимизировать однородность партии,
  4. разлил в заготовки линз и
  5. отожжены согласно эмпирически определенным температурно-временным графикам.

Родословную стеклянной заготовки или «данные о плавлении» можно определить для данной партии стекла путем изготовления небольших прецизионных призм из различных мест партии и измерения их показателя преломления на спектрометре , как правило, на пяти или более длинах волн . В программах проектирования линз есть процедуры подбора кривой , которые могут подгонять данные плавления к выбранной кривой дисперсии , из которой можно рассчитать показатель преломления на любой длине волны в пределах подобранного диапазона длин волн. Затем можно выполнить повторную оптимизацию или «повторную компоновку расплава» конструкции линзы с использованием данных измерения показателя преломления, если они доступны. При изготовлении результирующие характеристики линз будут более точно соответствовать желаемым требованиям, чем если бы были приняты средние значения показателя преломления стекла по каталогу.

На графики поставок влияют наличие заготовок для стекла и зеркал и сроки их приобретения, количество инструментов, которые цех должен изготовить перед запуском проекта, производственные допуски на детали (более жесткие допуски означают более длительное время изготовления), сложность любого оптические покрытия, которые должны быть нанесены на готовые детали, дополнительные сложности при установке или приклеивании элементов линз в ячейки и в сборку всей системы линз, а также любые необходимые инструменты для выравнивания и контроля качества после сборки. Затраты на оснастку и сроки поставки могут быть сокращены за счет использования существующей оснастки в любом конкретном цехе, где это возможно, и за счет максимального увеличения производственных допусков, насколько это возможно.

Оптимизация линз

Простая двухэлементная линза с воздушным промежутком имеет девять переменных (четыре радиуса кривизны, две толщины, одна толщина воздушного пространства и два типа стекла). Многоконфигурационный объектив с коррекцией в широком спектральном диапазоне и поле зрения в диапазоне фокусных расстояний и в реалистичном диапазоне температур может иметь сложный конструктивный объем, имеющий более ста измерений.

Методы оптимизации линз, которые могут перемещаться в этом многомерном пространстве и переходить к локальным минимумам , изучаются с 1940-х годов, начиная с ранних работ Джеймса Г. Бейкера , а затем Федера, Винна, Глатцеля, Грея и других. До появления цифровых компьютеров оптимизация линз выполнялась вручную с использованием тригонометрических и логарифмических таблиц для построения двумерных разрезов в многомерном пространстве. Компьютеризированная трассировка лучей позволяет быстро смоделировать характеристики объектива, что позволяет быстро исследовать пространство дизайна. Это позволяет быстро уточнять концепции дизайна. Популярные программы оптическая конструкция включает в себя ZEMAX 's OpticStudio, Synopsys ' ы код V и Lambda Research в Осло . В большинстве случаев разработчик должен сначала выбрать жизнеспособную конструкцию оптической системы, а затем использовать численное моделирование для ее уточнения. Разработчик гарантирует, что проекты, оптимизированные на компьютере, соответствуют всем требованиям, и вносит изменения или перезапускает процесс, когда они этого не делают.

Смотрите также

Рекомендации

  • Смит, Уоррен Дж., Современный дизайн линз , McGraw-Hill, Inc., 1992, ISBN   0-07-059178-4
  • Кингслейк, Рудольф, Основы дизайна линз , Academic Press, 1978
  • Шеннон, Роберт Р., Искусство и наука оптического дизайна , Cambridge University Press, 1997.

внешняя ссылка