Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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, с использованием трассировки лучей или других методов для моделирования того, как линза влияет на проходящий через нее свет.

Требования к дизайну [ править ]

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. [1] [2] [ необходима ссылка ]
  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 линзы, минимальное и максимальное воздушное пространство 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 пятьдесят и более раз, в зависимости от размера, типа стекла, качества однородности индекса и доступности, причем BK7 обычно является самым дешевым. Затраты на большие и / или толстые оптические заготовки из данного материала, превышающие 100–150 мм, обычно растут быстрее, чем физический объем, из-за увеличения времени отжига заготовки, необходимого для достижения приемлемой однородности показателя преломления и двойного лучепреломления внутренних напряжений.уровни во всем пустом объеме. Доступность стеклянных заготовок зависит от того, насколько часто конкретный тип стекла изготавливается данным производителем, и может серьезно повлиять на стоимость и график производства.

Процесс [ править ]

Сначала линзы могут быть сконструированы 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 разрабатываются с использованием среднего показателя преломления и дисперсии (см. Число Аббе ), опубликованных в каталоге производителя стекла и модели стекла.расчеты. Однако свойства настоящих стеклянных заготовок будут отличаться от этого идеального; значения показателя преломления могут отличаться на 0,0003 и более от значений по каталогу, а дисперсия может незначительно отличаться. Этих изменений индекса и дисперсии иногда бывает достаточно, чтобы повлиять на положение 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 в процессе расплавления, чтобы максимизировать однородность партии,
  4. разлил в заготовки линз и
  5. отожжены в соответствии с эмпирически определенными температурно-временными графиками.

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 , обычно на пяти или более длинах волн . В программах проектирования линз есть процедуры подбора кривой , которые позволяют подогнать данные плавления к выбранной кривой дисперсии., из которого может быть рассчитан показатель преломления на любой длине волны в пределах подобранного диапазона длин волн. Затем можно выполнить повторную оптимизацию, или «повторную компоновку расплава», для конструкции линзы, используя измеренные данные показателя преломления, если таковые имеются. При изготовлении результирующие характеристики линзы будут более точно соответствовать желаемым требованиям, чем если бы были приняты средние значения показателя преломления по каталогу стекла.

График поставки зависит от наличия заготовок для стекла и зеркал и сроков их приобретения, количества инструментов, которые цех должен изготовить перед запуском проекта, производственных допусков 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 после сборки выравнивания и испытания для контроля качества и инструменты. 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 [ править ]

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 Дж. Бейкера , а затем Федера, [3] Винна, [4] Глатцеля, [5] ] Грей [6] и другие. До появления цифровых компьютеров оптимизация линз выполнялась вручную с использованием тригонометрических и логарифмических функций.таблицы для построения двухмерных 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. [7] Разработчик гарантирует, что проекты, оптимизированные компьютером, соответствуют всем требованиям, и вносит коррективы или перезапускает процесс, когда они этого не делают.

См. Также [ править ]

  • Оптическая инженерия
  • Изготовление и тестирование (оптические компоненты)
  • Анализ матрицы переноса лучей
  • Дизайн фотообъектива
  • Рассеянный свет

Ссылки [ править ]

  1. ^ Фишер, Роберт Э .; Тадич-Галеб, Биляна; Йодер, Пол Р. (2008). Проектирование оптических систем (2-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. С. 8, 179–198. ISBN 978-0-07-147248-7.
  2. ^ "Функция передачи модуляции" .
  3. ^ DP Feder, "Automatic Optical Design", Appl. Опт. 2, 1209–1226 (1963).
  4. ^ CG Винн и П. Wormell, "Lens Designпомощью компьютера," Appl. Опт. 2: 1223–1238 (1963).
  5. ^ "Доктор Эрхардт Глатцель (Биография)" . Общество Zeiss Historica. Архивировано из оригинала на 27 января 2013 года . Проверено 21 июля 2013 года .
  6. ^ Грей, Д.С., "Включение чувствительности к допускам в функцию достоинств для оптимизации линз", SPIE Vol. 147. С. 63–65, 1978.
  7. ^ Фишер (2008), стр. 171-5.
  • 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.

Внешние ссылки [ править ]

  • Библиотека проектирования и моделирования GNU Optical