Optisches Linsendesign - Optical lens design

Beim Entwurf einer optischen Linse wird eine Linse entworfen , um eine Reihe von Leistungsanforderungen und -beschränkungen zu erfüllen, einschließlich Kosten- und Herstellungsbeschränkungen. Zu den Parametern gehören Oberflächenprofiltypen ( sphärisch , asphärisch , holographisch , diffraktiv usw.) sowie der Krümmungsradius , der Abstand zur nächsten Oberfläche, der Materialtyp und optional die Neigung und Dezentrierung. Der Prozess ist rechenintensiv und verwendet Raytracing oder andere Techniken, um zu modellieren, wie die Linse das durch sie hindurchtretende Licht beeinflusst.

Designanforderungen

Leistungsanforderungen können umfassen:

  1. Optische Leistung (Bildqualität): Diese wird durch verschiedene Metriken quantifiziert, einschließlich eingekreister Energie , Modulationsübertragungsfunktion , Strehl-Verhältnis , Geisterreflexionskontrolle und Pupillenleistung (Größe, Ort und Aberrationskontrolle); Die Auswahl der Bildqualitätsmetrik ist anwendungsspezifisch.
  2. Physikalische Anforderungen wie Gewicht , statisches Volumen , dynamisches Volumen, Schwerpunkt und allgemeine Konfigurationsanforderungen.
  3. Umgebungsbedingungen: Bereiche für Temperatur , Druck , Vibration und elektromagnetische Abschirmung .

Zu den Entwurfsbeschränkungen können realistische Dicken der Linsenelementmitte und -kante, minimale und maximale Lufträume zwischen den Linsen, maximale Beschränkungen des Eintritts- und Austrittswinkels, physikalisch realisierbarer Glasbrechungsindex und Dispersionseigenschaften gehören .

Herstellungskosten und Lieferpläne sind ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil des optischen Designs. Der Preis eines optischen Glasrohling mit gegebenen Abmessungen kann um einen Faktor von fünfzig oder mehr variieren, abhängig von der Größe, die Glasart, Indexhomogenität Qualität und Verfügbarkeit, mit BK7 normalerweise den billigsten ist. Die Kosten für größere und / oder dickere optische Rohlinge eines bestimmten Materials über 100–150 mm steigen normalerweise schneller als das physikalische Volumen, da die Glühzeit des Rohlings verlängert wird , um eine akzeptable Indexhomogenität und interne Spannungsdoppelbrechung im gesamten Rohlingvolumen zu erreichen. Die Verfügbarkeit von Glasrohlingen hängt davon ab, wie häufig ein bestimmter Glastyp von einem bestimmten Hersteller hergestellt wird, und kann die Herstellungskosten und den Zeitplan ernsthaft beeinflussen.

Prozess

Objektive können zuerst mithilfe der Paraxialtheorie entworfen werden , um Bilder und Pupillen zu positionieren , dann können reale Oberflächen eingefügt und optimiert werden. Die paraxiale Theorie kann in einfacheren Fällen übersprungen und die Linse direkt unter Verwendung realer Oberflächen optimiert werden. Linsen werden zunächst unter Verwendung der im Katalog des Glasherstellers veröffentlichten Eigenschaften des durchschnittlichen Brechungs- und Dispersionsindex (siehe Abbe-Zahl ) und anhand von Glasmodellberechnungen entworfen . Die Eigenschaften der echten Glasrohlinge weichen jedoch von diesem Ideal ab. Der Brechungsindex kann um bis zu 0,0003 oder mehr von den Katalogwerten abweichen, und die Dispersion kann geringfügig variieren. Diese Änderungen des Index und der Streuung können manchmal ausreichen, um die Position des Linsenfokus und die Abbildungsleistung in hochkorrigierten Systemen zu beeinflussen.

Der Herstellungsprozess für Linsenrohlinge ist wie folgt:

  1. Die Glaschargenbestandteile für einen gewünschten Glastyp werden in Pulverform gemischt,
  2. Die Pulvermischung wird in einem Ofen zusammengeschmolzen.
  3. Die Flüssigkeit wird weiter geschmolzen, während sie geschmolzen ist, um die Homogenität der Charge zu maximieren.
  4. in Linsenrohlinge gegossen und
  5. geglüht nach empirisch ermittelten Zeit-Temperatur-Zeitplänen.

Der Glasrohling Stamm oder „melt - Daten“ kann durch kleine Präzision für eine gegebene Glascharge bestimmt werden Prismen aus verschiedenen Standorten in der Charge und Messen ihren Brechungsindex auf einem Spektrometer , typischerweise bei fünf oder mehr Wellenlängen . Linsendesignprogramme haben Kurvenanpassung Routinen , dass die Schmelz Daten zu einer ausgewählten passen Dispersionskurve , aus dem der Brechungsindex bei einer beliebigen Wellenlänge innerhalb der angepassten Wellenlängenbereiches berechnet werden kann. Eine Neuoptimierung oder "Schmelz-Neukomposition" kann dann am Linsendesign unter Verwendung von gemessenen Brechungsindexdaten durchgeführt werden, sofern verfügbar. Bei der Herstellung entspricht die resultierende Linsenleistung den gewünschten Anforderungen besser als wenn durchschnittliche Glaskatalogwerte für den Brechungsindex angenommen würden.

Die Lieferpläne werden durch die Verfügbarkeit von Glas- und Spiegelrohlingen und die zu beschaffenden Vorlaufzeiten, die Menge an Werkzeugen, die ein Geschäft vor Beginn eines Projekts herstellen muss, die Fertigungstoleranzen für die Teile (engere Toleranzen bedeuten längere Fertigungszeiten) und die Komplexität der Lieferzeiten beeinflusst Optische Beschichtungen , die auf die fertigen Teile aufgebracht werden müssen, weitere Komplexität bei der Montage oder Verklebung von Linsenelementen in Zellen und in der gesamten Linsensystembaugruppe sowie alle erforderlichen Nachmontage- und Qualitätskontrolltests und Werkzeuge. Werkzeugkosten und Lieferpläne können reduziert werden, indem vorhandene Werkzeuge in einem bestimmten Geschäft verwendet werden, wo immer dies möglich ist, und indem die Fertigungstoleranzen so weit wie möglich maximiert werden.

Objektivoptimierung

Eine einfache Linse mit zwei Luftelementen hat neun Variablen (vier Krümmungsradien, zwei Dicken, eine Luftraumdicke und zwei Glastypen). Eine Mehrfachkonfigurationslinse, die über ein breites Spektralband und Sichtfeld über einen Bereich von Brennweiten und über einen realistischen Temperaturbereich korrigiert ist, kann ein komplexes Entwurfsvolumen mit über hundert Dimensionen aufweisen.

Linsenoptimierungstechniken, die in diesem mehrdimensionalen Raum navigieren und zu lokalen Minima gelangen können, wurden seit den 1940er Jahren untersucht, beginnend mit frühen Arbeiten von James G. Baker und später von Feder, Wynne, Glatzel, Gray und anderen. Vor der Entwicklung digitaler Computer war die Linsenoptimierung eine Handberechnungsaufgabe unter Verwendung trigonometrischer und logarithmischer Tabellen, um 2D-Schnitte durch den mehrdimensionalen Raum zu zeichnen. Durch computergestütztes Raytracing kann die Leistung eines Objektivs schnell modelliert werden, sodass der Entwurfsraum schnell durchsucht werden kann. Dadurch können Designkonzepte schnell verfeinert werden. Zu den gängigen Softwareprogrammen für das optische Design gehören OpticStudio von Zemax, Code V von Synopsys und OSLO von Lambda Research . In den meisten Fällen muss der Konstrukteur zuerst ein brauchbares Design für das optische System auswählen und dann durch numerische Modellierung verfeinern. Der Designer stellt sicher, dass vom Computer optimierte Designs alle Anforderungen erfüllen, und nimmt Anpassungen vor oder startet den Prozess neu, wenn dies nicht der Fall ist.

Siehe auch

Verweise

  • Smith, Warren J., Modern Lens Design , McGraw-Hill, Inc., 1992, ISBN   0-07-059178-4
  • Kingslake, Rudolph, Grundlagen des Objektivdesigns , Academic Press, 1978
  • Shannon, Robert R., Die Kunst und Wissenschaft des optischen Designs , Cambridge University Press, 1997.

Externe Links