Конструкция оптической линзы
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( август 2008 г. ) |
Проектирование оптических линз — это процесс проектирования линзы , отвечающей ряду требований и ограничений производительности, включая ограничения по стоимости и производству. Параметры включают в себя типы профиля поверхности ( сферический , асферический , голографический , дифракционный и т. д.), а также радиус кривизны , расстояние до следующей поверхности, тип материала и, при необходимости, наклон и децентрирование. Этот процесс требует больших вычислительных ресурсов и требует использования трассировки лучей или других методов для моделирования того, как линза влияет на проходящий через нее свет.
Требования к дизайну
[ редактировать ]Требования к производительности могут включать:
- Оптические характеристики (качество изображения): количественно оцениваются различными показателями, включая окружающую энергию , функцию передачи модуляции , коэффициент Штреля , контроль фантомного отражения и характеристики зрачка (размер, местоположение и контроль аберраций); Выбор показателя качества изображения зависит от приложения. [1] [2] [ нужна ссылка ]
- Физические требования, такие как вес , статический объем , динамический объем, центр тяжести и общие требования к конфигурации.
- Экологические требования: диапазоны температуры , давления , вибрации и электромагнитного экранирования .
Ограничения конструкции могут включать реалистичную толщину центра и краев линзы, минимальное и максимальное воздушное пространство между линзами, максимальные ограничения на углы входа и выхода, физически реализуемые показатели преломления и дисперсионные свойства стекла.
Производственные затраты и графики поставок также являются важной частью оптического проектирования. Цена заготовки оптического стекла заданных размеров может варьироваться в пятьдесят и более раз в зависимости от размера, типа стекла, индексной однородности и доступности, при этом BK7 обычно является самым дешевым. Затраты на более крупные и/или более толстые оптические заготовки из данного материала (более 100–150 мм) обычно растут быстрее, чем физический объем, из-за увеличения времени отжига заготовки , необходимого для достижения приемлемой однородности показателей и уровней двулучепреломления внутренних напряжений по всему объему заготовки. Доступность стеклянных заготовок зависит от того, как часто конкретный тип стекла изготавливается конкретным производителем, и может серьезно повлиять на стоимость и график производства.
Процесс
[ редактировать ]Линзы сначала могут быть разработаны с использованием параксиальной теории для позиционирования изображений и зрачков , а затем вставлены и оптимизированы реальные поверхности. В более простых случаях параксиальную теорию можно пропустить и оптимизировать линзу напрямую, используя реальные поверхности. Линзы сначала проектируются с использованием среднего показателя преломления и дисперсии (см. число Аббе ), опубликованного в каталоге производителя стекла, и путем модели стекла расчетов . Однако свойства реальных стеклянных заготовок будут отличаться от этого идеала; Значения показателя преломления могут отличаться от каталожных значений на целых 0,0003 и более, а дисперсия может незначительно отличаться. Этих изменений показателя и дисперсии иногда может быть достаточно, чтобы повлиять на расположение фокуса объектива и качество изображения в системах с высокой степенью коррекции.
Процесс изготовления заготовки линзы выглядит следующим образом:
- Ингредиенты стекольной шихты для желаемого типа стекла смешиваются в порошкообразном состоянии.
- порошковая смесь плавится в печи,
- жидкость дополнительно перемешивается в расплавленном состоянии, чтобы максимизировать однородность партии,
- заливают в заготовки линз и
- отожжены в соответствии с эмпирически определенными графиками времени и температуры.
Родословную стеклянной заготовки, или «данные плавления», можно определить для данной партии стекла путем изготовления небольших прецизионных призм из разных мест партии и измерения их показателя преломления на спектрометре , обычно на пяти или более длинах волн . Программы проектирования линз имеют процедуры подбора кривой , которые могут подогнать данные плавления к выбранной дисперсионной кривой , на основе 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, используя измеренные данные показателя преломления, если таковые имеются. При изготовлении полученные характеристики линзы будут более точно соответствовать желаемым требованиям, чем если бы были приняты средние каталожные значения показателя преломления стекла.
На графики поставок влияют наличие заготовок для стекла и зеркал и сроки их приобретения, количество инструментов, которые цех должен изготовить перед началом проекта, производственные допуски на детали (более жесткие допуски означают более длительное время изготовления), сложность любого оптические покрытия , которые необходимо нанести на готовые детали, дополнительные сложности при установке или соединении элементов линз с ячейками и в сборке всей системы линз, а также любые необходимые испытания и инструменты для выравнивания и контроля качества после сборки. Затраты на оснастку и графики поставок могут быть сокращены за счет использования существующей оснастки в любом конкретном цехе, где это возможно, и за счет максимального увеличения производственных допусков.
Оптимизация объектива
[ редактировать ]Простая двухэлементная линза с воздушным зазором имеет девять переменных (четыре радиуса кривизны, две толщины, одна толщина воздушного пространства и два типа стекла). Многоконфигурационная линза, скорректированная в широком спектральном диапазоне и поле зрения в диапазоне фокусных расстояний и в реальном диапазоне температур, может иметь сложный конструктивный объем, имеющий более ста измерений.
Методы оптимизации линз, позволяющие 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. [3] Винн, [4] Глатцель, [5] Серый [6] и другие. До разработки цифровых компьютеров оптимизация линз представляла собой задачу ручного расчета с использованием тригонометрических и логарифмических таблиц для построения двумерных разрезов в многомерном пространстве. Компьютеризированная трассировка лучей позволяет быстро моделировать характеристики объектива, что позволяет быстро найти пространство для проектирования. Это позволяет быстро совершенствовать концепции дизайна. Популярное программное обеспечение для оптического проектирования включает Zemax OpticStudio от , Code V от Synopsys и OSLO от Lambda Research . В большинстве случаев разработчик должен сначала выбрать жизнеспособную конструкцию оптической системы, а затем для ее уточнения используется численное моделирование. [7] Проектировщик следит за тем, чтобы оптимизированные с помощью компьютера проекты соответствовали всем требованиям, и вносит коррективы или перезапускает процесс, если они не соответствуют.
См. также
[ редактировать ]- Оптическая инженерия
- Изготовление и тестирование (оптические компоненты)
- Анализ матрицы лучевого переноса
- Дизайн фотографического объектива
- Дефекты поверхности (оптика)
- Рассеянный свет
Ссылки
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Фишер, Роберт Э.; Тадич-Галеб, Биляна; Йодер, Пол Р. (2008). Проектирование оптических систем (2-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 8, 179–198. ISBN 978-0-07-147248-7 .
- ^ «Функция передачи модуляции» .
- ^ Д. П. Федер, «Автоматическое оптическое проектирование», Appl. Опция 2, 1209–1226 (1963).
- ^ К.Г. Винн и П. Уормелл, «Дизайн линз с помощью компьютера», Appl. Опция 2: 1223–1238 (1963).
- ^ «Доктор Эрхардт Глатцель (биография)» . Общество истории Цейса. Архивировано из оригинала 27 января 2013 года . Проверено 21 июля 2013 г.
- ^ Грей, Д.С., «Включение чувствительности допусков в функцию достоинств для оптимизации объектива», SPIE Vol. 147, стр. 63–65, 1978.
- ^ Фишер (2008), стр. 171–5.
Библиография
[ редактировать ]- Смит, Уоррен Дж., Современный дизайн линз , McGraw-Hill, Inc., 1992 г., ISBN 0-07-059178-4
- Кингслейк, Рудольф, Основы проектирования объективов , Academic Press, 1978 г.
- Шеннон, Роберт Р., Искусство и наука оптического проектирования , издательство Кембриджского университета, 1997.