Optik lens tasarımı - Optical lens design

Optik lens tasarımı , maliyet ve üretim sınırlamaları dahil olmak üzere bir dizi performans gereksinimini ve kısıtlamasını karşılayacak bir lens tasarlama sürecidir . Parametreler arasında yüzey profili türleri ( küresel , asferik , holografik , kırınımlı , vb.), Ayrıca eğrilik yarıçapı , bir sonraki yüzeye uzaklık, malzeme türü ve isteğe bağlı olarak eğme ve merkezleme yer alır. İşlem, merceğin içinden geçen ışığı nasıl etkilediğini modellemek için ışın izleme veya diğer teknikleri kullanarak hesaplama açısından yoğundur .

Tasarım gereksinimleri

Performans gereksinimleri şunları içerebilir:

  1. Optik performans (görüntü kalitesi): Bu, çevrelenmiş enerji , modülasyon transfer işlevi , Strehl oranı , hayalet yansıma kontrolü ve göz bebeği performansı (boyut, konum ve sapma kontrolü) dahil olmak üzere çeşitli ölçümlerle ölçülür ; görüntü kalitesi metriğinin seçimi uygulamaya özeldir.
  2. Ağırlık , statik hacim , dinamik hacim, ağırlık merkezi ve genel yapılandırma gereksinimleri gibi fiziksel gereksinimler.
  3. Çevresel gereksinimler: sıcaklık , basınç , titreşim ve elektromanyetik koruma aralıkları .

Tasarım kısıtlamaları, gerçekçi lens öğesi merkez ve kenar kalınlıklarını, lensler arasındaki minimum ve maksimum hava boşluklarını, giriş ve çıkış açılarındaki maksimum kısıtlamaları, fiziksel olarak gerçekleştirilebilir cam kırılma indisi ve dağılma özelliklerini içerebilir .

Üretim maliyetleri ve teslimat programları da optik tasarımın önemli bir parçasıdır. Belirli boyutlardaki bir optik cam boşluğun fiyatı, boyuta, cam tipine, indeks homojenlik kalitesine ve bulunabilirliğe bağlı olarak elli veya daha fazla faktör ile değişebilir ve BK7 genellikle en ucuzudur . 100-150 mm'nin üzerindeki belirli bir malzemenin daha büyük ve / veya daha kalın optik boşlukları için maliyetler, kabul edilebilir indeks homojenliği ve boş hacim boyunca dahili gerilme çift kınlım seviyelerini elde etmek için gerekli boş tavlama süresinin artması nedeniyle genellikle fiziksel hacimden daha hızlı artar . Cam boşluklarının kullanılabilirliği, belirli bir cam türünün belirli bir üretici tarafından ne sıklıkla yapıldığına bağlıdır ve üretim maliyetini ve programını ciddi şekilde etkileyebilir.

İşlem

Lensler önce görüntüleri ve göz bebeklerini konumlandırmak için paraksiyal teori kullanılarak tasarlanabilir , ardından gerçek yüzeyler yerleştirilebilir ve optimize edilebilir. Paraxial teori, daha basit durumlarda atlanabilir ve lens, gerçek yüzeyler kullanılarak doğrudan optimize edilebilir. Lensler ilk olarak cam üreticisinin kataloğunda yayınlanan ortalama kırılma ve dağılma indeksi (bkz. Abbe sayısı ) özellikleri ve cam modeli hesaplamaları kullanılarak tasarlanır. Ancak gerçek cam boşlukların özellikleri bu idealden farklı olacaktır; kırılma değerleri indeksi, katalog değerlerinden 0.0003'e kadar veya daha fazla değişebilir ve dağılım biraz değişebilir. İndeks ve dağılımdaki bu değişiklikler, bazen yüksek düzeyde düzeltilmiş sistemlerde lens odak konumunu ve görüntüleme performansını etkilemek için yeterli olabilir.

Lens boş üretim süreci aşağıdaki gibidir:

  1. Cam yığın arzu edilen cam türü için terkip maddeleri, bir toz halinde karışık
  2. toz karışımı bir fırında birlikte eritilir,
  3. parti homojenliğini en üst düzeye çıkarmak için sıvı eritilirken daha fazla karıştırılır,
  4. lens boşluklarına dökülür ve
  5. ampirik olarak belirlenen zaman-sıcaklık programlarına göre tavlanmıştır .

Boş cam soyağacı veya "eriyik verileri", belirli bir cam partisi için , partideki çeşitli konumlardan küçük hassas prizmalar yaparak ve bunların kırılma indisini bir spektrometrede , tipik olarak beş veya daha fazla dalga boyunda ölçerek belirlenebilir . Lens tasarım programları , eriyik verilerini seçilen bir dağılım eğrisine sığdırabilen eğri uydurma rutinlerine sahiptir ; bunlardan takılan dalga boyu aralığı içindeki herhangi bir dalga boyundaki kırılma indisi hesaplanabilir. Yeniden optimizasyon veya "eriyik yeniden sıkıştırma" daha sonra mevcut olduğunda ölçülen kırılma verileri indeksi kullanılarak lens tasarımı üzerinde gerçekleştirilebilir. Üretildiğinde, ortaya çıkan lens performansı, kırılma indisi için ortalama cam kataloğu değerlerinin varsayılmasına kıyasla istenen gereksinimleri daha yakından karşılayacaktır.

Teslimat programları, cam ve ayna boşluğu bulunabilirliğinden ve elde etmek için teslim sürelerinden, bir mağazanın bir projeye başlamadan önce imal etmesi gereken alet miktarından, parçalardaki üretim toleranslarından (daha dar toleranslar daha uzun üretim süreleri anlamına gelir), herhangi bir şeyin karmaşıklığından etkilenir. bitmiş parçalara uygulanması gereken optik kaplamalar , lens elemanlarını hücrelere ve genel lens sistemi düzeneğine monte etme veya yapıştırmada ek karmaşıklıklar ve gerekli her türlü montaj sonrası hizalama ve kalite kontrol testi ve aletleri. Takım maliyetleri ve teslimat programları, herhangi bir atölyede mümkün olan her yerde mevcut takımlar kullanılarak ve mümkün olduğu ölçüde üretim toleransları maksimize edilerek azaltılabilir.

Lens optimizasyonu

Basit bir iki elemanlı hava aralıklı lensin dokuz değişkeni vardır (dört eğrilik yarıçapı, iki kalınlık, bir hava sahası kalınlığı ve iki cam türü). Geniş bir spektral bant ve görüş alanı üzerinden çeşitli odak uzunluklarında ve gerçekçi bir sıcaklık aralığında düzeltilen çok konfigürasyonlu bir lens, yüzden fazla boyuta sahip karmaşık bir tasarım hacmine sahip olabilir.

Bu çok boyutlu uzayda dolaşabilen ve yerel minimuma ilerleyebilen lens optimizasyon teknikleri , 1940'lardan beri James G. Baker'ın erken çalışmalarından başlayarak ve daha sonra Feder, Wynne, Glatzel, Gray ve diğerleri tarafından incelenmiştir. Dijital bilgisayarların geliştirilmesinden önce , lens optimizasyonu, çok boyutlu uzayda 2 boyutlu kesikleri çizmek için trigonometrik ve logaritmik tablolar kullanan bir el hesaplama göreviydi . Bilgisayarlı ışın izleme, bir lensin performansının hızlı bir şekilde modellenmesine olanak tanır, böylece tasarım alanı hızla aranabilir. Bu, tasarım konseptlerinin hızla geliştirilmesine olanak tanır. Popüler optik tasarım yazılımı içerir Zemax 'ın OpticStudio, Synopsus ' ın Kod V ve Lambda Research'ün Oslo . Çoğu durumda, tasarımcı önce optik sistem için uygun bir tasarım seçmelidir ve ardından onu geliştirmek için sayısal modelleme kullanılır. Tasarımcı, bilgisayar tarafından optimize edilen tasarımların tüm gereksinimleri karşılamasını sağlar ve ayarlamalar yapmazsa veya işlemi yeniden başlatır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  • Smith, Warren J., Modern Lens Tasarımı , McGraw-Hill, Inc., 1992, ISBN   0-07-059178-4
  • Kingslake, Rudolph, Lens Tasarımının Temelleri , Academic Press, 1978
  • Shannon, Robert R., Optik Tasarım Sanatı ve Bilimi , Cambridge University Press, 1997.

Dış bağlantılar