Проектирование оптических линз — это процесс проектирования линзы для соответствия набору требований и ограничений производительности, включая ограничения по стоимости и производству. Параметры включают типы профилей поверхности ( сферические , асферические , голографические , дифракционные и т. д.), а также радиус кривизны , расстояние до следующей поверхности, тип материала и, опционально, наклон и децентровку. Процесс является вычислительно интенсивным, использует трассировку лучей или другие методы для моделирования того, как линза влияет на свет, проходящий через нее.
Требования к производительности могут включать:
Конструктивные ограничения могут включать реалистичные толщины центра и краев линзовых элементов, минимальные и максимальные воздушные зазоры между линзами, максимальные ограничения на углы входа и выхода, физически реализуемые показатели преломления стекла и дисперсионные свойства.
Производственные затраты и графики поставок также являются важной частью оптического проектирования. Цена заготовки из оптического стекла заданных размеров может варьироваться в пятьдесят и более раз в зависимости от размера, типа стекла, качества однородности показателя преломления и доступности, причем BK7 обычно является самым дешевым. Затраты на более крупные и/или более толстые оптические заготовки из заданного материала, более 100–150 мм, обычно растут быстрее, чем физический объем, из-за увеличенного времени отжига заготовки , необходимого для достижения приемлемой однородности показателя преломления и уровней двулучепреломления внутренних напряжений по всему объему заготовки. Доступность стеклянных заготовок зависит от того, как часто конкретный тип стекла изготавливается данным производителем, и может серьезно повлиять на стоимость и график производства.
Линзы сначала можно спроектировать с использованием параксиальной теории для позиционирования изображений и зрачков , затем вставить и оптимизировать реальные поверхности. Параксиальную теорию можно пропустить в более простых случаях, и линзу можно оптимизировать напрямую с использованием реальных поверхностей. Линзы сначала проектируются с использованием свойств среднего показателя преломления и дисперсии (см. число Аббе ), опубликованных в каталоге производителя стекла, и с помощью расчетов модели стекла . Однако свойства реальных стеклянных заготовок будут отличаться от этого идеала; значения показателя преломления могут отличаться на 0,0003 или более от значений каталога, а дисперсия может немного отличаться. Эти изменения в показателе и дисперсии иногда могут быть достаточными, чтобы повлиять на местоположение фокуса линзы и качество изображения в высокоскорректированных системах.
Процесс изготовления заготовки линзы выглядит следующим образом:
Родословную заготовки стекла, или «данные расплава», можно определить для данной партии стекла, изготовив небольшие прецизионные призмы из различных мест в партии и измерив их показатель преломления на спектрометре , как правило, на пяти или более длинах волн . Программы проектирования линз имеют процедуры подгонки кривых , которые могут подогнать данные расплава к выбранной дисперсионной кривой , из которой можно рассчитать показатель преломления на любой длине волны в пределах подходящего диапазона длин волн. Затем можно выполнить повторную оптимизацию или «перекомпиляцию расплава» для конструкции линзы с использованием измеренных данных показателя преломления, если таковые имеются. После изготовления результирующие характеристики линзы будут более точно соответствовать желаемым требованиям, чем если бы предполагались средние значения показателя преломления в каталоге стекла.
Графики поставок зависят от доступности заготовок стекла и зеркал и времени выполнения заказа, количества оснастки, которую цех должен изготовить до начала проекта, производственных допусков на детали (более жесткие допуски означают более длительное время изготовления), сложности любых оптических покрытий , которые должны быть нанесены на готовые детали, дополнительных сложностей в монтаже или склеивании линзовых элементов в ячейки и в общей сборке системы линз, а также любых требуемых выравнивания после сборки и контроля качества и оснастки. Затраты на оснастку и графики поставок можно сократить, используя существующую оснастку в любом цехе, где это возможно, и максимально увеличивая производственные допуски.
Простая двухэлементная линза с воздушным зазором имеет девять переменных (четыре радиуса кривизны, две толщины, одну толщину воздушного зазора и два типа стекла). Многоконфигурационная линза, скорректированная по широкому спектральному диапазону и полю зрения в диапазоне фокусных расстояний и в реалистичном диапазоне температур, может иметь сложный объем конструкции, имеющий более ста измерений.
Методы оптимизации линз, которые могут перемещаться по этому многомерному пространству и переходить к локальным минимумам , изучались с 1940-х годов, начиная с ранних работ Джеймса Г. Бейкера , а затем Федера, [3] Уинна, [4] Глатцеля, [5] Грея [6] и других. До развития цифровых компьютеров оптимизация линз представляла собой задачу ручного расчета с использованием тригонометрических и логарифмических таблиц для построения двумерных сечений через многомерное пространство. Компьютерная трассировка лучей позволяет быстро моделировать характеристики линзы, так что можно быстро искать пространство проектирования. Это позволяет быстро совершенствовать концепции проектирования. Популярное программное обеспечение для оптического проектирования включает OpticStudio от Zemax , Code V от Synopsys и OSLO от Lambda Research . В большинстве случаев проектировщик должен сначала выбрать жизнеспособную конструкцию оптической системы, а затем для ее уточнения используется численное моделирование. [7] Дизайнер следит за тем, чтобы оптимизированные компьютером проекты соответствовали всем требованиям, и вносит коррективы или перезапускает процесс, если они не соответствуют требованиям.