Оптическая схема | это… Что такое Оптическая схема?

Оптическая система (англ. optical system) — совокупность оптических элементов (преломляющих, отражающих, дифракционных и т. п.), созданная для определённого формирования пучков световых лучей (в классической оптике), радиоволн (в радиооптике), заряженных частиц (в электронной и ионной оптике).

Оптическая схема — графическое представление процесса изменения света в оптической системе.

Оптический прибор (англ. optical instrument) — конструктивным образом оформленная для выполнения конкретной задачи оптическая система, состоящая, по крайней мере, из одного из базовых оптических элементов. В состав оптического прибора могут входить источники света и приёмники излучения. В иной формулировке, Прибор называют оптическим, если хотя бы одна его основная функция выполняется оптической системой.

Содержание 1 Базовые оптические элементы 2 Принцип действия 2. 1 Параксиальное приближение 2.2 Поглощение излучения 3 Примечания

В оптических приборах не все взаимодействующие со светом детали являются оптическими, специально предназначенными для его изменения. Такими неоптическими деталями в оптических приборах являются оправы линз, корпус и т. п.

Совокупность беспорядочно разбросанных оптических деталей не образует оптической системы.

Обычно под оптическими системами подразумевают системы, преобразующие электромагнитное излучение в видимом или близких диапазонах (ультрафиолетовый, инфракрасный). В таких системах преобразование пучков света происходит за счёт преломления и отражения света, его дифракции (явлющейся частным случаем явления интерференции (при необходимости учета ограничения протяженности волновых фронтов), поглощения и усиления интенсивности света (в случае использования квантовых усилителей).

Типы и разновидности оптических систем весьма разнообразны, однако обычно выделяют изображающие оптические системы, которые формируют оптическое изображение и осветительные системы, преобразующие световые пучки от источников света.

Базовые оптические элементы

Также называются оптическими деталями. Исторически такими элементами являлись

• линзы
• призмы
• зеркала.

В XIX веке эта триада была дополнена поляризаторами и дифракционными элементами (дифракционная решётка, эшелон Майкельсона).

В XX веке появились:

• элементы волоконной оптики (гибкие световоды))
• интерфереционные элементы (как, например, узкополосные светофильтры и интерфереционные зеркала)
• Элементы голографической техники (например — толстослойные фотопластинки)
• Элементы нелинейной оптики, (например — кристаллы, используемые для преобразования частоты света).

Принцип действия

Оптическая система предназначена для пространственного преобразования поля излучения до оптической системы (в «пространстве предметов») в поле после

оптической системы (в «пространстве изображений»). Такое разделение «пространств» весьма условно, поскольку эти различные с точки зрения изменения структуры поля «пространства» могут в некоторых случаях (например при использовании зеркал) совпадать в трёхмерном физическом пространстве.

Преобразование поля из пространства предметов в пространство изображений производится, как правило, путем использования надлежащим образом осуществляемого явления интерференции излучения, определяющего структуру поля в пространстве предметов. ^[1].

Такая организация и достигается путём использования имеющих определённую форму оптических элементов, действие которых проявляется в явлении преломления, отражения и рассеяния излучения. Физической причиной всех этих явлений является интерференция

[1].

Во многих случаях для объяснения действия оптического элемента вполне достаточно применения понятий о сущности этих явлений, без раскрытия роли интерференции, что позволяет описывать поле излучения его формализованной геометрической моделью, основанной на интуитивно понятном представлении о «луче света» и постулате о бесконечно малости длины волны излучения и оптической однородности среды, заполняющей всё пространство, в котором действуют законы геометрической оптики.

Но в случае, когда оказывается необходимым учитывать волновые свойства излучения и принимать во внимание сравнимость размеров оптического элемента с длиной волны излучения, геометрическая оптика начинает давать ошибки, что носит название дифракции^[1], по сути своей не являющейся самостоятельным явлением, а лишь той же интерференцией.

Параксиальное приближение

Даже в случае возможности пренебречь влиянием дифракции, геометрическая оптика позволяет с удовлетворительной точностью предсказать ход лучей в пространстве изображений лишь для тех из них, которые падают на рабочую поверхность очередного оптического элемента под малыми углами по отношению к оси и на малом расстоянии точки падения от оси параксиальные лучи.

В противном случае наблюдаются существенные отклонения хода луча, носящие название аберраций. Их роль может быть уменьшена за счёт усложнения оптической системы (добавления компонентов), отказа от использования сферических поверхностей и их заменой на поверхности образованные кривыми, описываемыми уравнениями более высокого порядка, что связано с существенным усложнением технологии их производства, а также расширения номенклатуры оптических сред в сторону создания прозрачных сред во все более широком спектральном диапазоне и имеющих все более высокие значения показателя преломления

[1]. В этом направлении действует специальная отрасль оптико-механической промышленности, исторически связанная с производством оптического стекла, а затем и других оптических сред как аморфных, так и кристаллических. Здесь проявили себя такие специалисты как Шотт и Аббе, а в России — Гребенщиков, Лебедев и др.

Некоторые аберрации (например, хроматическая) проявляются и в параксиальных пучках.

Поглощение излучения

Кроме пространственного преобразования поля излучения любой оптический элемент всегда ослабляет его интенсивность за счёт потерь вызванных поглощением излучения материалом, из которого сделан оптический элемент. Для снижения этих потерь используется просветление оптики, основанное на возникновении интерференционных эффектов в тонких слоях прозрачного материала, наносимого на рабочие поверхности. Использование оптических материалов с минимальным коэффициентом поглощения на длине волны излучения является чрезвычайно важным в волоконной оптике, на использовании которой основано создание волоконных линий связи.

Ослабление интенсивности излучения в ряде случаев является полезным (например в солнцезащитных очках), тем более в случае избирательного поглощения излучения для спектральной его фильтрации цветные светофильтры.

В настоящее время стало также возможным усиление света за счёт использования внешнего источника энергии.

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4} Г. С. Ландсберг. Оптика.

Оптическая схема | это… Что такое Оптическая схема?

Оптическая система

(англ. optical system) — совокупность оптических элементов (преломляющих, отражающих, дифракционных и т. п.), созданная для определённого формирования пучков световых лучей (в классической оптике), радиоволн (в радиооптике), заряженных частиц (в электронной и ионной оптике).

Оптическая схема — графическое представление процесса изменения света в оптической системе.

Оптический прибор (англ. optical instrument) — конструктивным образом оформленная для выполнения конкретной задачи оптическая система, состоящая, по крайней мере, из одного из базовых оптических элементов. В состав оптического прибора могут входить источники света и приёмники излучения. В иной формулировке,

Прибор называют оптическим, если хотя бы одна его основная функция выполняется оптической системой.

Содержание 1 Базовые оптические элементы 2 Принцип действия 2.1 Параксиальное приближение 2.2 Поглощение излучения 3 Примечания

В оптических приборах не все взаимодействующие со светом детали являются оптическими, специально предназначенными для его изменения. Такими неоптическими деталями в оптических приборах являются оправы линз, корпус и т. п.

Совокупность беспорядочно разбросанных оптических деталей не образует оптической системы.

Обычно под оптическими системами подразумевают системы, преобразующие электромагнитное излучение в видимом или близких диапазонах (ультрафиолетовый, инфракрасный). В таких системах преобразование пучков света происходит за счёт преломления и отражения света, его дифракции (явлющейся частным случаем явления интерференции (при необходимости учета ограничения протяженности волновых фронтов), поглощения и усиления интенсивности света (в случае использования квантовых усилителей).

Типы и разновидности оптических систем весьма разнообразны, однако обычно выделяют изображающие оптические системы, которые формируют оптическое изображение и осветительные системы, преобразующие световые пучки от источников света.

Базовые оптические элементы

Также называются оптическими деталями. Исторически такими элементами являлись

• линзы
• призмы
• зеркала.

В XIX веке эта триада была дополнена поляризаторами и дифракционными элементами (дифракционная решётка, эшелон Майкельсона).

В XX веке появились:

• элементы волоконной оптики (гибкие световоды))
• интерфереционные элементы (как, например, узкополосные светофильтры и интерфереционные зеркала)
• Элементы голографической техники (например — толстослойные фотопластинки)
• Элементы нелинейной оптики, (например — кристаллы, используемые для преобразования частоты света).

Принцип действия

Оптическая система предназначена для пространственного преобразования поля излучения до оптической системы (в «пространстве предметов») в поле после оптической системы (в «пространстве изображений»). Такое разделение «пространств» весьма условно, поскольку эти различные с точки зрения изменения структуры поля «пространства» могут в некоторых случаях (например при использовании зеркал) совпадать в трёхмерном физическом пространстве.

Преобразование поля из пространства предметов в пространство изображений производится, как правило, путем использования надлежащим образом осуществляемого явления интерференции излучения, определяющего структуру поля в пространстве предметов. ^[1].

Такая организация и достигается путём использования имеющих определённую форму оптических элементов, действие которых проявляется в явлении преломления, отражения и рассеяния излучения. Физической причиной всех этих явлений является интерференция^[1].

Во многих случаях для объяснения действия оптического элемента вполне достаточно применения понятий о сущности этих явлений, без раскрытия роли интерференции, что позволяет описывать поле излучения его формализованной геометрической моделью, основанной на интуитивно понятном представлении о «луче света» и постулате о бесконечно малости длины волны излучения и оптической однородности среды, заполняющей всё пространство, в котором действуют законы геометрической оптики.

Но в случае, когда оказывается необходимым учитывать волновые свойства излучения и принимать во внимание сравнимость размеров оптического элемента с длиной волны излучения, геометрическая оптика начинает давать ошибки, что носит название дифракции^[1], по сути своей не являющейся самостоятельным явлением, а лишь той же интерференцией.

Параксиальное приближение

Даже в случае возможности пренебречь влиянием дифракции, геометрическая оптика позволяет с удовлетворительной точностью предсказать ход лучей в пространстве изображений лишь для тех из них, которые падают на рабочую поверхность очередного оптического элемента под малыми углами по отношению к оси и на малом расстоянии точки падения от оси параксиальные лучи.

В противном случае наблюдаются существенные отклонения хода луча, носящие название аберраций. Их роль может быть уменьшена за счёт усложнения оптической системы (добавления компонентов), отказа от использования сферических поверхностей и их заменой на поверхности образованные кривыми, описываемыми уравнениями более высокого порядка, что связано с существенным усложнением технологии их производства, а также расширения номенклатуры оптических сред в сторону создания прозрачных сред во все более широком спектральном диапазоне и имеющих все более высокие значения показателя преломления^[1]. В этом направлении действует специальная отрасль оптико-механической промышленности, исторически связанная с производством оптического стекла, а затем и других оптических сред как аморфных, так и кристаллических. Здесь проявили себя такие специалисты как Шотт и Аббе, а в России — Гребенщиков, Лебедев и др.

Некоторые аберрации (например, хроматическая) проявляются и в параксиальных пучках.

Поглощение излучения

Кроме пространственного преобразования поля излучения любой оптический элемент всегда ослабляет его интенсивность за счёт потерь вызванных поглощением излучения материалом, из которого сделан оптический элемент. Для снижения этих потерь используется просветление оптики, основанное на возникновении интерференционных эффектов в тонких слоях прозрачного материала, наносимого на рабочие поверхности. Использование оптических материалов с минимальным коэффициентом поглощения на длине волны излучения является чрезвычайно важным в волоконной оптике, на использовании которой основано создание волоконных линий связи.

Ослабление интенсивности излучения в ряде случаев является полезным (например в солнцезащитных очках), тем более в случае избирательного поглощения излучения для спектральной его фильтрации цветные светофильтры.

В настоящее время стало также возможным усиление света за счёт использования внешнего источника энергии.

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4} Г. С. Ландсберг. Оптика.

Введение в оптическую конструкцию

Брюс Ирвинг, Synopsys

Что такое оптический дизайн? Как она связана с другими областями оптики, оптических систем и оптической техники? Как ты делаешь это?

Это темы этого «нежного введения». Мы надеемся дать вам представление о том, о чем идет речь, и указать вам на другие источники, если вы хотите узнать больше. Наш бизнес во многом основан на том, что обычно называют «дизайном линз» или (правильнее) оптическим дизайном. Эта статья предназначена для широкого круга читателей, интересующихся этой областью прикладной оптики.

• Что такое оптика?
• Инженеры-оптики
• Объективы и конструкторы объективов
• Как спроектировать линзу
• Преодоление препятствий: отклонения
• Насколько глубока моя долина: оптимизация
• Остальная часть истории
• Узнать больше

Что такое оптика?

Оптика — раздел физики: наука о свете. Оптика занимается всеми аспектами поведения света и, таким образом, охватывает большую территорию. Вопросы варьируются от «Почему небо голубое?» на «Почему с помощью увеличительного стекла предметы кажутся больше?» на «Как работает лазер?» все это область науки оптики.

Один интересный факт о свете заключается в том, что иногда он действует как волна, а иногда больше как поток очень быстрых частиц или квантов, называемых фотонами. Этот дуализм волна/частица остается одной из загадок природы, но на практике мы подчеркиваем и используем тот аспект, который упрощает наши расчеты! В лазерах и детекторах особенно важны квантовые эффекты, но в оптических конструкциях преобладает волновая или «физическая» оптика.

Нужна помощь в решении задач оптической инженерии?

Объективы и дизайнеры объективов

Так что же такое объектив? Вы можете подумать, что это простой вопрос — просто изогнутый кусок прозрачного стекла или пластика, верно?

Ну да, это один тип линз, причем самый распространенный (большинство очковых и контактных линз относятся к этому типу).

Однако для дизайнера объектива объектив — это более общее устройство, в основном любая система, которая пытается собирать и распределять свет определенным образом.

Это ближе к тому, что мы думаем, когда обсуждаем сменные «объективы» для 35-мм зеркальной камеры (например, обычный, широкоугольный, телеобъектив, зум). Если вы разрежете один (не пытайтесь делать это дома, дети!), вы обнаружите, что такой объектив камеры содержит несколько отдельных «линз» разных форм и размеров. Мы называем их элементами линзы, а полную линзу в более общем смысле называют оптической системой.

Используя эту терминологию, разработчика линз сегодня чаще называют оптическим дизайнером, хотя старый термин все еще широко используется вместе с такими причудливыми описательными именами, как «изгибатель лучей». Сегодня все чаще «дизайнер линз» является одним из нескольких титулов, которые носят оптические инженеры общего профиля (которые могут иметь или не иметь определенного опыта работы в области оптики — многие люди, занимающиеся проектированием линз сегодня, являются физиками или другими специалистами). инженеры по первоначальному образованию).

Таким образом, современный разработчик объективов может работать над «объективами», которые далеки от ваших бифокальных или карманных 35-мм камер (хотя компактный объектив в карманной камере может представлять собой продуманный дизайн и экономичную конструкцию). Если система каким-то образом использует свет (включая любую систему, использующую лазерные лучи), почти наверняка задействована конструкция линзы. Некоторые примеры:

• Микроскопы, зрительные трубы, бинокли
• Объективы для фотоаппаратов всех видов (фото, кино, видео, зум и т. д.)
• Слайд-, кино-, диа- и видеопроекторы
• Лазерные принтеры, офисные копировальные аппараты, факсимильные аппараты, устройства для чтения микрофильмов
• Эндоскопы для малоинвазивной хирургии
• Лазерные оптические считыватели компакт-дисков и компакт-дисков
• Код товара Лазерные сканеры в супермаркетах
• Сверхточные линзы для проекторов, используемые при создании интегральных схем
• Космический телескоп Хаббл (и его модернизированная ремонтная оптика)
• И многое, многое другое. ..

 Космический телескоп Хаббл – это, пожалуй, самая известная оптическая система космического базирования, и несколько инженеров Optical Research Associates (ORA® была приобретена Synopsys) фактически работали над дизайном и другими аспектами ремонтной оптики (ORA даже получила награду НАСА). за эту и другие космические работы).

Как спроектировать объектив

Теперь, когда мы знаем, что такое линза, как ее разработать? Подробности немного выходят за рамки этого «нежного введения», но мы можем описать типичные шаги.

• Определение проблемы  — Другие инженеры или специалисты могут определять требования и границы проблемы проектирования, но разработчик линз должен перевести их в подробные оптические характеристики, такие как поле зрения и фокусное расстояние. Здесь также должны быть ваши технические характеристики — подробное описание того, насколько хорошее изображение должен формировать объектив (для этой цели используются различные типы оптической оценки). Может быть много требований, которые необходимо выполнить, некоторые из них противоречивы с точки зрения того, как вы подходите к дизайну (например, большая апертура и малый вес обычно являются противоположными требованиями, которые приводят к компромиссам и компромиссам).
  

Что здесь не учтено? На самом деле, много «сложных частей» процесса проектирования. Неполные или изменяющиеся спецификации. Противоречивые требования. Бесперспективные попытки решения. Нереальные графики. Сбой компьютера. Никто не говорил, что будет легко!

Преодоление препятствий: аберрации

аберрации оставались в комфортной безвестности до известной проблемы космического телескопа Хаббла (HST). Производственный дефект сделал сферическую аберрацию временно известной (или, возможно, печально известной?). С геометрической точки зрения понятие аберрации довольно простое. Лучи от точечного объекта нулевого измерения (например, далекой звезды), отображаемые через идеальную линзу, будут все фокусироваться в одной точке изображения нулевого измерения (в действительности эффекты дифракции приводят к небольшому, но конечному размеру даже для изображения без аберраций). . Если эти лучи идут куда-то еще, это аберрация.

Сферическую аберрацию (SA), пожалуй, проще всего понять, поскольку она зависит только от расстояния до оптической оси. Большинство оптических поверхностей представляют собой секции сфер, так как это самые простые формы поверхностей. Для простой линзы или зеркала со сферической поверхностью лучи на разной высоте поверхности не преломляются в одинаковой степени, поэтому они фокусируются на несколько разных расстояниях вдоль оси; это СА. С простыми линзами вы можете уменьшить SA, выбрав правильную форму линзы («изгиб линзы», как мы говорим в торговле). С зеркалами (как в HST) вы можете исправить это, сделав зеркало слегка несферическим коническим сечением (но вы должны создать ПРАВИЛЬНУЮ коническую форму, что было проблемой HST — они построили его идеально против неправильного стандарта испытаний). !). Конечно, есть ДРУГИЕ аберрации, и их взаимодействие может помешать вам внести желаемое исправление (старый эффект комка на ковре — правильное в одном месте, а всплывающее в другом). Это может немного усложнить конструкцию объектива (и приводит к следующей теме оптимизации).

Хаббл также иллюстрирует ХОРОШУЮ особенность аберраций: если вы знаете, что они представляют собой в деталях, вы часто можете их исправить (особенно с достаточно большим бюджетом!). Если оптика преломляет свет в неправильном направлении, элементы могут быть изменены или добавлены другие элементы, чтобы компенсировать аберрацию, подобно тому, как очки корректируют миопическое зрение (хотя миопия не совсем аберрация — близорукий глаз на самом деле имеет неправильное фокусное расстояние, поэтому необходима дополнительная линза, позволяющая сфокусироваться на сетчатке).

Насколько глубока моя долина? (Оптимизация)

Оптимизация — настолько важная тема в конструировании оптики, что нам нужно рассказать о ней подробнее, хотя она была кратко описана в разделе «Как спроектировать объектив». Помните, что цель оптимизации состоит в том, чтобы взять какую-нибудь исходную линзу и изменить ее для улучшения ее характеристик (исходная линза должна иметь подходящее количество оптических поверхностей подходящих типов, так как оптимизация может изменять только значения параметров, а не количество или типы поверхностей). Поскольку оптика очень точна (расстояния в микрометрах могут иметь большое значение), нам необходимо точно определить значения всех наших переменных на каждом этапе оптимизации.

Сначала рассмотрим локальную оптимизацию. Что значит «местный»? Если у вас есть модель объектива, функция ошибки — это то, что коррелирует с его характеристиками изображения, например, размером пятна или среднеквадратичной ошибкой волнового фронта — чем меньше, тем лучше. При изменении переменных меняется линза, меняются значения трассировки лучей, а функция ошибок принимает новые значения. Если бы вы могли нарисовать их, вы бы создали карту холмов и долин пространства функций ошибок (в любом месте от одного до 99 измерений или более, в зависимости от ваших переменных). В заведомо глупом наброске выше расстояние по вертикали представляет значение функции ошибки (чем меньше, тем лучше), а положение по горизонтали представляет ОДНУ из переменных в линзе (например, это может быть кривизна передней поверхности).

Так как чем меньше, тем лучше, ваша цель — найти самую низкую точку на этой карте — Долину Смерти Страны Функции Ошибок (EFL). Локальная оптимизация находит самый низкий близлежащий регион в EFL, поэтому, если вам повезет (или вы сообразительны) в выборе начальной точки, у вас все получится (по аналогии, начиная с Лос-Анджелеса, вы можете достичь Долины Смерти, используя локальную оптимизацию, но если вы начнете в Нью-Йорке, вы, вероятно, окажетесь где-нибудь в Нью-Джерси). Помогает ли эта аналогия? Может быть, и нет, но дело в том, что при локальной оптимизации выбор начальной точки очень важен. (На нашем рисунке локальная оптимизация НЕ приведет вас к самой низкой точке — она скатит вас в одну из долин справа или слева от начальной точки «Вы здесь»).

Теперь рассмотрим глобальную оптимизацию. Это алгоритм, который каким-то образом просматривает всю карту Земли функции ошибок и (в конечном итоге) находит самую низкую точку независимо от того, с чего вы начали. Даже если вы начнете во Флориде, глобальная оптимизация в конечном итоге приведет вас в Долину Смерти, хотя, в зависимости от используемых методов, может потребоваться очень много времени, чтобы добраться туда, и вам могут рассказать о множестве других низких мест на этом пути. образом, некоторые из которых могут быть достаточно низкими для ваших целей. Глупая аналогия? Возможно, но здесь следует помнить, что глобальная оптимизация рассматривает все «пространство функций ошибок», поэтому ваша фактическая отправная точка гораздо менее критична. (На нашем рисунке глобальная оптимизация должна привести вас к желаемой нижней точке).

Узнайте о наших программных инструментах для проектирования оптики

Узнать больше

Есть несколько превосходных источников информации об оптике, большинство из них на бумаге в книгах и периодических изданиях. Этот список является лишь отправной точкой — со временем мы будем дополнять его и приветствуем предложения. В частности, если вы знаете об образовательных ресурсах по оптике в Интернете, сообщите нам об этом (отправьте электронное письмо по адресу [email protected]).

Основы

• «Учебник по оптической микроскопии» компании Molecular Expressions по свету и цвету
  Этот сайт содержит много увлекательной информации о микроскопии, от базовой оптики микроскопов до продвинутых приложений и образцов изображений. Стоит обратить внимание на отличные пояснения, графику и несколько интерактивных учебных пособий по Java по преломлению, отражению и другим оптическим темам. Он включает подробности по многим темам, лишь кратко упомянутым здесь, включая дифракцию, поляризацию и интерференцию. Фантастический веб-сайт! Откройте этот сайт в новом окне.
   

• Очевидец: Лайт  Дэвида Берни (Дорлинг Киндерсли, 1992)
  Часть серии «Наука очевидцев», номинально для детей, прекрасно иллюстрированная и с отличными пояснениями.
   

• Оптика Э. Хехта и А. Заджака (Аддисон-Уэсли, 1974 г.)
  Хороший текст для студентов бакалавриата по физике.

 

Оптическая инженерия и дизайн

• Lens Design Fundamentals Рудольфа Кингслейка (Academic Press, 1978)
  Охватывает основы, необходимые работающим дизайнерам.
   

• Elements of Modern Optical Design Дональд О’Ши (Wiley-Interscience, 1985)
  Превосходный текст для колледжа с хорошими пояснениями и практической направленностью.
   

• Modern Optical Engineering  Уоррена Смита (второе издание, McGraw-Hill, 1990 г.)
  Стандартный настольный справочник и учебное пособие по оптической инженерии.

 

Периодические издания

• Новости оптики и фотоники  (ежемесячно, по подписке, Оптическое общество Америки, Вашингтон, округ Колумбия)

Новости и технические статьи (ежемесячная колонка «Light Touch» посвящена «бытовой оптике» для непрофессионалов).

Другие ресурсы

 

• Как изготавливаются объективы (Canon)
  Посетите этот веб-сайт Canon, чтобы узнать, как изготавливаются объективы и как они работают. Узнайте о различных типах линз (линзы с преломляющей оптикой Blue Spectrum, линзы из флюорита, линзы EF и линзы с улучшенным покрытием). Предоставлено Canon.
• Международное общество инженеров-оптиков (SPIE) и Американское оптическое общество (OSA) — это профессиональные сообщества, которые поддерживают домашние страницы с полезной информацией и ссылками на другие организации.

• Optics4birding.com Это часть сайта, посвященного наблюдению за птицами, где качественная оптика очень важна для наблюдения и фотографирования. На страницах оптики обсуждается множество основных оптических концепций с полезным подходом, ориентированным на важность этих концепций для фактического использования оптики. Нажмите «Все об оптике».
• См. также нашу страницу ресурсов «Оптика для детей».
  

 

Дополнительные ресурсы

Программное обеспечение для проектирования оптики: основы и возможности | оптика | Справочник по фотонике

Улучшенный интерфейс современного программного обеспечения для проектирования позволяет даже неопытным разработчикам объективов создавать хорошо работающие оптические системы.

Ричард Пфистерер, Photon Engineering LLC

Программное обеспечение для проектирования оптики позволяет пользователю разработать конфигурацию оптических элементов, которые манипулируют траекторией света для создания изображения, освещения цели, соединения с волокном и т. д. Во многих отношениях он аналогичен возможностям популярного программного обеспечения CAD (автоматизированного проектирования) для механического проектирования, но с очень существенным отличием: программное обеспечение для оптического проектирования может вносить изменения в оптические элементы для улучшения показателей производительности. Благодаря расширенному удобству использования, возможному в современных программных интерфейсах, программное обеспечение для проектирования оптики может сделать даже неопытного дизайнера объективов способным разрабатывать удивительно эффективные оптические системы.

Описание оптической системы

Достаточно интересно, что по историческим причинам большинство систем программного обеспечения оптического проектирования определяют оптическую систему не как набор оптических элементов, а скорее как набор оптических поверхностей, расположенных в пространстве. Существует почти головокружительное разнообразие типов поверхностей: сферы, коники, асферы, конусы, цилиндры, тороиды, зернике, NURB, различные типы многочленов и так далее. Можно изобразить практически любую геометрическую поверхность. Кроме того, пользователь может выбирать из фиктивных или идеализированных оптических элементов, таких как тонкие линзы, линзы, представленные матрицами ABCD, или даже смоделированные линзы, основанные на теории эйконала, которые дублируют поведение аберраций «настоящих» линз. Однако даже этой обширной палитры типов поверхностей недостаточно для некоторых приложений, поэтому в большинстве случаев пользователь может написать собственный код (обычно на языке более высокого уровня, таком как C или FORTRAN) для описания поверхности, а затем связать его с программное обеспечение для оптического проектирования в виде DLL. Воображение пользователя является единственным ограничением, когда дело доходит до описания геометрии.

Затем пользователь присваивает каждой из этих поверхностей оптические свойства, такие как дисперсионные однородные, градиентные или двулучепреломляющие показатели преломления и линии дифракционной решетки, а также пропускающие и отражающие покрытия. Как только они назначены, эти поверхности становятся представлениями линз, зеркал, призм и других узнаваемых оптических компонентов и влияют на траекторию света, проходящего через них, в соответствии с назначенными свойствами. На рис. 1 показаны оптические конфигурации центрированной двойной линзы Гаусса, состоящей из двух синглетов и двух дублетов, расположенных вокруг центральной диафрагмы, и сложенной полностью отражающей системы.

Рис. 1.  Трехмерные трехмерные модели двух систем: центрированная двойная линза Гаусса и сложенная, полностью отражающая система без препятствий, обе показывают траектории лучей, исходящих из разных мест поля.

---

Хотя большинство оптических систем имеют только один детектор и один путь от объекта к этому детектору, в некоторых системах используются светоделители и фильтры для создания нескольких оптических путей, адресованных нескольким детекторам. Другие системы, такие как классические зум-объективы, имеют элементы, которые перемещаются в пространстве относительно друг друга для выполнения различных оптических задач. Эти системы называются «мультиконфигурационными» или «масштабируемыми» системами, и пользователи по мере необходимости переключаются между каждой из конфигураций как для анализа, так и для оптимизации.

Поскольку заказные оптические элементы могут быть дорогими, а также не всегда доступными, большинство программ для проектирования оптики предлагают пользователю доступ к базам данных коммерческих готовых компонентов (COTS), доступных от многочисленных коммерческих поставщиков. Многие успешные прототипы систем разрабатываются сначала с использованием пользовательских оптических элементов, а затем итеративно заменяя пользовательские элементы легко доступными готовыми деталями, тем самым используя преимущества значительной экономии затрат, обеспечиваемой COTS.

Трассировка лучей

Основным расчетом для всех программ оптического проектирования является трассировка лучей: расчет точной траектории луча света через оптическую систему. Поскольку свойства формирования изображения оптической системы могут зависеть от очень малых различий (в большинстве случаев долей длины волны света) в траекториях лучей, трассировка лучей обычно выполняется с максимально возможной точностью на компьютере.

Лучи прослеживаются от объекта к изображению через все оптические поверхности. Очень часто объект излучает свет в соответствии со спектром, поэтому лучи прослеживаются на разных длинах волн, чтобы охарактеризовать хроматические свойства системы. Реже для данного расчета важна поляризация луча; алгоритмы трассировки лучей были расширены, чтобы включить траекторию поляризованного света через как однородные, так и двулучепреломляющие материалы, а также поляризующие элементы, такие как линейные поляризаторы, четвертьволновые и полуволновые пластины и т. д. В очень специализированных приложениях, таких как фотолитография и звездная интерферометрия, распределение лучей, представляющих частично пространственно когерентный свет, также можно проследить через оптическую систему.

В классической оптической схеме свет исходит из точки, расположенной либо в бесконечности, либо в непосредственной близости от оптической системы, и поэтому описывает плоский или расходящийся волновой фронт, входящий в оптическую систему. Однако с появлением оптических схем для систем освещения эту концепцию пришлось расширить; современное программное обеспечение для оптического проектирования теперь может представлять свет, излучаемый светодиодом, дуговым источником, тепловым источником или другим некогерентным источником. В зависимости от их угловых и спектральных характеристик излучения для этих типов источников может потребоваться от сотен до тысяч и даже миллионов лучей. Удивительно, но даже это количество лучей можно отследить за секунды или минуты на современных компьютерах (большинство поставщиков предоставляют файлы данных, содержащие информацию о лучах, чтобы облегчить интеграцию их источников в программное обеспечение для моделирования).0005

В традиционной оптической конструкции лучи распространяются от поверхности к поверхности последовательно, следуя порядку, в котором определены поверхности. Опять же, для поддержки оптического проектирования систем освещения необходимо было обобщить алгоритм трассировки лучей, включив в него «непоследовательную» трассировку лучей, когда луч определяет свою траекторию не на основе порядка поверхностей в базе данных программного обеспечения, а вместо этого от размеров и расположения самих поверхностей. Поскольку лучи не знают, какие поверхности будут пересекаться в каком порядке, непоследовательная трассировка лучей может быть значительно медленнее, чем обычная трассировка лучей, но представляет физическое распространение света через обобщенную оптическую геометрию.

Наконец, есть приложения, в которых использование геометрических лучей не позволяет точно описать природу распространения света через оптическую систему. В этих случаях программное обеспечение для проектирования оптики предоставляет пользователю альтернативу: преобразование Фурье или алгоритм распространения на основе бимлета, способный моделировать дифракцию от апертур, интерференцию, пространственные фильтры и другие классические эффекты физической оптики.

Оптимизация

Вероятно, одной из самых ценных функций современного программного обеспечения для проектирования оптики является возможность изменять предписание оптической конфигурации для улучшения ее производительности для данного приложения. В широком смысле это процесс «оптимизации».

Алгоритмы оптимизации разрабатывались более 50 лет, и современное программное обеспечение для проектирования оптики предлагает пользователю несколько мощных опций. Большая часть программного обеспечения предлагает алгоритм оптимизации с демпфированием методом наименьших квадратов, который итеративно вносит изменения в систему, чтобы уменьшить величину указанного набора показателей; эти метрики вместе называются «функцией ошибки», «функцией дефекта», «функцией достоинства» или аналогичной номенклатурой. Однако пользователь может захотеть рассмотреть большее пространство параметров (т. е. очень резкие отклонения от начальной точки), поэтому были разработаны «глобальные» алгоритмы оптимизации. Эти мощные инструменты могут полностью изменить первоначальную конфигурацию оптической системы; в некоторых случаях они могут добавлять и удалять элементы в поисках более оптимальной конфигурации. В большинстве реализаций алгоритм ищет разные пространства решений, а затем предоставляет пользователю список возможных проектов, из которых пользователь может выбрать и продолжить уточнение.

Как и в случае с оптическими поверхностями, разнообразие показателей производительности, которые можно оптимизировать, ошеломляет: среднеквадратический размер пятна, ошибка волнового фронта, MTF (функция передачи модуляции), энергия в окружении, цвет CIE, однородность излучения, упаковка, чувствительность смещению, зазору луча, подавлению ложных изображений, устойчивости к расфокусировке, эффективности соединения одномодового волокна, частоте локальной голографической решетки, стоимости, чувствительности к изменениям температуры и так далее. В тех случаях, когда в программном обеспечении отсутствует конкретная метрика для оптимизации, пользователь может определить ее, используя элементы базы данных построения и трассировки лучей.

В рамках широкой области оптимизации большинство программ для оптического проектирования предлагают инструменты для конкретных приложений. Например, большинство дизайнеров-новичков ценят возможности инструментов замены/оптимизации стекла для уточнения выбора стекла; уточнение может быть основано на критериях изображения, но также может быть связано, среди прочего, со стоимостью, проблемами теплового расширения и доступностью. Дизайнеры, работающие со сложными системами, обычно используют программные инструменты, которые опрашивают систему в поисках оптимального места (мест) для размещения асферической поверхности (поверхностей). Программное обеспечение для оптимизации кулачков сообщает разработчику зум-объектива, как именно должны перемещаться группы элементов объектива, чтобы сохранить качество изображения.

Анализ

Существует множество вариантов работы оптической системы, поэтому неудивительно, что существует множество вариантов анализа.

Самый простой вариант анализа состоит из диагностики, обычно представляющей интерес только для проектировщика оптики. Они включают в себя трассировку одного луча через систему с отображением координат и направления распространения (среди прочих данных) луча на каждой поверхности. Графики аберраций, рассчитанные в определенных точках поля зрения, очень часто используются при анализе, поскольку они показывают природу остаточных аберраций (ошибок изображения), присутствующих в системе, и их величины. Графики искажения и астигматические кривые поля часто завершают типичный анализ.

Также доступны более специализированные параметры анализа. Трассировка поляризационных лучей позволяет вычислить ориентацию вектора электрического поля при прохождении света через оптическую систему. Коэффициенты аберраций часто дают представление о тех поверхностях, которые ответственны за высокий уровень аберраций. Гауссовы лучи можно проследить через оптическую систему, чтобы определить расположение перетяжек лучей и астигматическое поведение. Свойства многослойного покрытия, такие как отражение, пропускание и поглощение, среди прочих свойств, могут быть рассчитаны для сравнения с экспериментальными данными.

Уточнение параметров анализа следующего уровня состоит из вычислений и манипуляций с данными, включающих сотни или тысячи трассированных лучей. Примеры включают точечные диаграммы (графики координат пересечения лучей на плоскости изображения), функции рассеяния точек, расчеты энергии в окружении и анализ фантомных изображений. Инженер по освещению, моделирующий светодиодный или дуговой источник, распространяющийся через гибридную оптику, может проследить несколько миллионов лучей, чтобы установить уровень однородности излучения в некоторой плоскости наблюдения. Современные многоядерные ПК более чем способны практически мгновенно отслеживать очень большое количество лучей. На рис. 2 показан волновой фронт выходного зрачка для двойной линзы Гаусса на оси и на краю поля.

Рис. 2. Волновой фронт на выходном зрачке дает разработчику объектива представление о состоянии оптической коррекции, а также визуальное представление степени виньетирования в зависимости от поля позиция.

---

Анализ изображений, вероятно, является наиболее сложным расчетом, обычно доступным в программном обеспечении для оптического проектирования, и в этой категории существует множество различных способов оценки изображений. Например, разработчик может оценить MTF в нескольких точках поля по всему спектральному диапазону. Дизайнер, работающий в фотолитографической отрасли, может рассмотреть возможность вычисления разрешения частичной пространственной когерентности для оценки разрешения системы-кандидата. В фотоиндустрии дизайнер может выполнить моделирование изображения, при котором реальная сцена отображается через оптическую систему, чтобы проиллюстрировать разрешение и остаточные искажения, присутствующие в конечном изображении.

Допуски и поддержка изготовления

За исключением теоретических исследований проектирования (таких как проблема монохроматического квартета), целью большинства усилий проектирования является разработка оптического рецепта, который можно изготовить по разумной цене. Однако, поскольку изготовление не является точным процессом, получающиеся в результате «исходные» радиусы, толщины, асферические элементы, показатели преломления и т. д. никогда не будут в точности такими, как требовал дизайнер. Следовательно, лишь немногие изготовленные системы обеспечивают точно такие же характеристики, как предсказано программным обеспечением для проектирования оптики. Задача разработчика оптики состоит в том, чтобы определить, в какой степени каждый параметр конструкции должен соответствовать своему номинальному значению в изготовленном физическом оборудовании, сохраняя при этом приемлемую производительность (учитывая, что в умеренно сложной системе могут быть сотни параметров).

Так как точное отклонение от расчетного радиуса кривизны, например, никогда не может быть известно, алгоритмы допусков зависят от статистики, чтобы ограничить проблему. Есть два общих подхода, которые можно найти практически во всех программах для проектирования оптики. Первый представляет собой статистический анализ «грубой силы», при котором случайные возмущения применяются к отдельным параметрам конструкции (т. е. к толщине линзы), к группам параметров конструкции (т. е. ко всем радиусам, толщинам, показателям преломления и т. в группе линз) или ко всей геометрии системы. Каждый параметр построения может иметь свое распределение возмущений. Например, оптики, как правило, делают линзы несколько толще, чем требуется, на случай, если линзу придется переделывать. С другой стороны, радиусы кривизны имеют равную вероятность быть выпуклыми или вогнутыми по отношению к испытательной пластине. Программное обеспечение для оптического проектирования может генерировать и применять к системе от сотен до тысяч реализаций возмущений, собирать статистику и представлять разработчику сводку вероятности достижения заданного уровня производительности.

Второй распространенный подход к установлению допусков заключается в том, чтобы следовать тому же процессу, но вместо того, чтобы генерировать фактические возмущения, применять возмущения алгебраически. Эти алгоритмы, обычно построенные на основе среднеквадратичного волнового фронта и показателей MTF, работают намного быстрее и позволяют разработчику проводить исследования допусков за считанные минуты, в то время как метод грубой силы может занять часы или дни. Конечно, все алгоритмы имеют ограничения, поэтому многие проектировщики используют алгебраический подход в начале процесса определения допусков, а затем проверяют все назначения допусков методом грубой силы.

Точная допустимая метрика зависит от приложения. Фотообъектив с допуском должен соответствовать требованиям MTF. Система камеры астрономического телескопа, работающая с ПЗС-детектором, может иметь потребность в энергии окружения относительно размеров пикселя. Разведывательная камера вполне может иметь терпимость к искажениям. В системе освещения, использующей светодиод и гибридную оптику, расходимость и общая мощность, содержащиеся в излучаемом луче, могут быть показателем допуска.

В конечном счете, определение допусков — это компромисс между производительностью оптической системы и стоимостью изготовления. Редко существует уникальный набор допусков для данного приложения, и часто у проектировщика нет веских доказательств того, что его/ее допуски оптимальны. Во многих случаях выбор допусков определяется опытом, а также выходными данными программного обеспечения для оптического проектирования.

Рис. 3. Пример повышения графической сложности: от простого линейного графика поперечного сечения до трехмерного каркаса и трехмерной твердотельной модели в современном программном обеспечении для проектирования линз.

---

Пользовательский интерфейс

Поскольку традиционный оптический дизайн предполагает последовательное распространение света через набор поверхностей, большинство программ для оптического проектирования упорядочивают данные построения в виде электронной таблицы, где каждая строка данных соответствует определенной поверхности.

Программное обеспечение для проектирования оптики может предоставить пользователю, казалось бы, бесконечное количество графических изображений: двух- и трехмерные виды оптической системы (включая трассы лучей, как показано на рис. 3), графики поперечной лучевой аберрации, графики волнового фронта, точечные диаграммы, графики точечной функции рассеяния, кривые MTF, графики энергии в кружке, графики бокового хроматического фокуса, графики профиля гауссова луча и так далее. Разработчик оптики, вероятно, должен донести информацию до широкой аудитории (т. е. инвестора, клиента, производителя, поставщика, рекламного агента, группы коллег и т. д.), поэтому разработчики программного обеспечения сделали практически все распространенные анализы буквально одним нажатием кнопки. На рис. 4 показана осевая функция рассеяния точки для катадиоптрической системы; системный инженер может свернуть эти данные с пикселем детектора, чтобы вычислить энергию на детекторе (EOD).

Рис. 4. Аксиальная полихроматическая функция рассеяния точки для катадиоптрической системы, которая может быть дополнительно обработана системным инженером для расчета энергии на детекторе (EOD).

---

Однако бывают случаи, когда то, что делает оптический дизайнер, является просто частью более крупной работы по проектированию/анализу. Соответственно, большинство программного обеспечения для оптического проектирования имеет возможность напрямую взаимодействовать через . COM или .NET с другими неоптическими приложениями, такими как MatLab, LabView, Mathematica и т. д. В этих случаях программное обеспечение для оптического проектирования часто запрашивается для конкретного расчета в ответ. к действию, предпринятому другим программным обеспечением, участвующим в анализе (например, возмущение поверхности в результате теплового удара по системе). Моделирование такого типа может быстро стать чрезвычайно сложным, но оно предоставляет аналитику ценную информацию о том, как система будет работать в реальном мире.

Стать дизайнером оптики

Современное программное обеспечение для проектирования оптики обладает огромными возможностями и гибкостью, предоставляя опытному дизайнеру объективов инструмент для практически безграничного творчества. Тем не менее, он не сделает неквалифицированного пользователя конструктором объективов в большей степени, чем молоток не сделает неквалифицированного пользователя плотником. К сожалению, развитие графических программных интерфейсов за последние 30 лет во многих случаях создавало впечатление, что дизайн объектива — это просто вопрос «нажатия нескольких кнопок», но это не так.