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.

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.

Оптические схемы объективов Carl Zeiss

Carl Zeiss – легендарный бренд в мире фотографии. Компания была основана в 1846 году и сопровождает фотопроизводство на протяжении всей его истории.

Но не только возраст – причина авторитета бренда. Главная причина – огромное количество изобретений и ноу-хау в производстве оптики, которые бренд разработал и воплотил в жизнь. А впоследствии они были подхвачены другими производителями.

Каждый современный объектив, каким бы брендом он ни был создал, в какой-то мере копирует технологии компании Carl Zeiss. А собственная оптика Carl Zeiss, выпускаемая сегодня, продолжает служить эталоном объективов.

 

Основатели бренда Carl Zeiss: Эрнст Абби и Карл Цейс

 

Компания носит имя своего основателя Карла Фридриха Цейса, но успех предприятия такого масштаба – результат труда не одного человека, а группы выдающихся ученых и изобретателей. История началась с того, что, окончив Йенский университет, молодой инженер Карл Цейс открыл производство микроскопов. Начав с простейших конструкций, он постепенно усложнял их, до тех пор, пока они не получили премию на промышленной выставке и не были признаны в числе лучших научных достижений Германии. Тогда Карл Цейс решил было, что его деятельность достигла вершины успеха, но встреча с другими учеными-изобретателями дала совершенно новый поворот его истории и открыла новые, непредвиденные возможности. Этими новыми людьми стали физик Эрнст Абби и химик Отто Шотт. Первый внес существенный вклад в развитие оптики как науки, и, в частности, изобрел методы борьбы с оптическими аберрациями. А второй заложил основы производства стекла, используемые по сей день, а специально и исключительно для Карла Цейса разработал особый тип линз.

Огромный вклад Carl Zeiss в развитие технологий фотообъективов состоял в изобретении оптических схем, которые и по сей день используют производители объективов практически всех брендов.

 

Planar

Оптическая схема Planar и пример фотографии, сделанной объективом Sony A 50mm f/1.4 Carl Zeiss

 

Planar – первая оптическая схема, созданная компанией Carl Zeiss в 1897 году. В основу схемы была положена конструкция телескопов, разработанная в начале 19 века Карлом Гауссом. Planar состоит из двух таких конструкций, симметрично повернутых друг к другу, а точно посередине между ними расположено отверстие диафрагмы. Название произошло от немецкого слова plan – «плоскость», что подчеркивает основное достоинство объектива – отсутствие деформации плоскости изображения по краям кадра. Также объективы Planar отличаются превосходным разрешением.

В постсоветском пространстве схема Planar хорошо знакома фотографам благодаря объективам Гелиос, сконструированных именно по этой схеме. Объективы Гелиос выпускаются до сих пор и пользуются спросом среди фотолюбителей из-за специфического «крученого» боке.

Самый легендарный Planar – объектив Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7, один из самых светосильных в мире! Он был разработан в 1966 году специально для НАСА для съемки поверхности темной стороны Луны. НАСА заказала 6 таких объективов, и каждый экземпляр стоил американскому правительству около миллиона долларов. Позднее режиссер Стэнли Кубрик заказал бюджетную версию этого объектива для съемок фильма «Барри Линдон», чтобы снимать сцены только при свете свечей – для передачи аутентичной атмосферы эпохи. Всего в мире существует 10 экземпляров этого объектива.

 

Объектив Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7 и снятый с его помощью кадр из фильма Барри Линдон 

 

Biotar – дальнейшее развитие схемы Planar, получившее распространение с 20-х годов XX века. Схема Biotar похожа на Planar, но имеет продуманные отклонения от симметрии, что дало большой простор для доработок и бесконечное количество вариаций. Элементы в объективах Biotar перемещаются и объединяются в группы в самых разных комбинациях. Почти все современные светосильные зум-объектив со стандартным фокусным расстоянием 50-100mm сконструированы именно по схеме Biotar.

 

Tessar

Оптическая схема Tessar и пример фотографии, сделанной объективом Sony FE 24-70mm f/4.0 Carl Zeiss

 

Tessar – оптическая схема, запатентованная в 1902 году, и классически состоящая из четырех элементов в трех группах, причем в одной, задней группе, линзы склеены и отделены от остальных групп диафрагмой. Объективы Tessar отличает резкое и контрастное изображение, за что они получили распространенное прозвище «Орлиный глаз». 

Именно схема Tessar использована в конструкции большинства объективов Nikon, а советский объектив «Индустар» очень близко копирует подлинные объективы Tessar от Carl Zeiss.

Обе схемы, Planar и Tessar, изобретены Паулем Рудольфом специально для Carl Zeiss.

 

Sonnar

Оптическая схема Sonnar и пример фотографии, сделанной объективом Sony FE 55mm f/1.8 Carl Zeiss

 

Sonnar – схема, разработанная в 1929 году Людвигом Бертеле. Название произошло от немецкого слова Sonne – «солнце», что подчеркивает главное свойство этой схемы – светосилу. Большинство линз в таких объективах плотно прилегают друг к другу без воздушных прослоек, и это дает два важных преимущества: компактный размер объектива и высокий контраст фотографий. По сравнению с Planar, у объективов Sonnar больше аберраций, но зато выше контраст и устойчивость к контровому свету. А по сравнению с Tessar – меньше аберраций и больше светосила. Правда, в современных объективах практически все «слабые места» всех оптических схем доработаны или компенсированы. 

Самые известные советские объективы с системой Sonnar – «Юпитер».

Biogon – вторая значимая разработка Людвига Бертле, созданная для умеренно широкоугольных объективов. Biogon предназначен для фокусного расстояния, равного половине диагонали кадра, и имеет симметричную конструкцию. Симметричная конструкция дает ряд преимуществ: минимум оптических искажений, светосилу, равномерное разрешение по всему полю кадра.

 

Distagon

Недостатком обеих оптических схем Людвига Бертле является короткий рабочий отрезок, что делает их неприменимыми для зеркальных фотоаппаратов. Для объективов зеркалок схема Biogon не используется вообще, а Sonnar – используется в основном для телеобъективов с фокусным расстоянием от 135mm. Схемы Planar и Tessar, прекрасно подходя для нормальных фокусных расстояний, на сверхшироком угле приводят к потери яркости по краям кадра. Все это вызвало необходимость дополнительных разработок для широкоугольной съемки. И в 1950 году Харри Золингер из Carl Zeiss и француз Пьер Анженю, работая каждый сам по себе, практически одновременно нашли новое решение. Анженю назвал свою конструкцию Retrofocus, и это название стало нарицательным для объективов, сделанных по данной схеме – ретрофокусные объективы.

 

Оптическая схема Distagon и пример фотографии, сделанной объективом Sony A 24mm f/2.0 SSM Carl Zeiss

 

Distagon – оптическая схема, разработанная Золингером специально для широкоугольных объективов зеркальных фотоаппаратов. Название происходит от слов «distance» и «gonia» – «расстояние» и «угол», что подчеркивает две важнейшие особенности конструкции: широкий угол обзора и большое расстояние от задней линзы до кадра (рабочий отрезок). Оптическая схема Distagon очень ассиметрична: передние элементы значительно крупнее, чем задние, и имеют выпуклую сферическую форму. Это вызывает ряд оптических искажений, таких как дисторсия и аберрации, а также делает объективы довольно громоздкими и дорогими. На устранения этих недостатков были направлены дальнейшие доработки схемы.

Разработка сверхширокоугольных объективов – до сих пор остается самой сложной задачей у производителей оптики. Ее решение включает ряд узкоспециализированных задач. В связи с этим, например, группа специалистов компании Nikon, занимавшаяся разработкой широкоугольных объективов, отсоединилась от компании, чтобы сосредоточиться на своих исследованиях, и со временем основала собственный бренд Tokina, который разрабатывает лучшие на сегодняшний день сверхширокоугольные зум-объективы.  

 

Автор: Олег Беликов

Типы оптических систем стереомикроскопов — OpticalMarket

Стереоскопические микроскопы или стереомикроскопы представляют собой довольно широкий класс оптических приборов, главным образом предназначенных для работы в отраженном свете, характеризующихся малой мощностью (в сравнении с биологическими или металлографическими моделями) и применяющихся для исследования относительно крупных, объемных образцов целиком. Принцип работы стереомикроскопа заключается в объединении в себе двух микроскопов, имеющих различные оптические пути, фокусирующиеся на одной и той же точке, но немного под разными углами, точно так же, как работают Ваши глаза, что, собственно, и позволяет построить объемное, трехмерное изображение для изучения деталей структуры поверхности объекта, детали его рельефа (трещины, углубления и тд.).

Стереомикроскопы отличаются очень хорошей глубиной резкости, то есть они строят естественное изображение с отличным восприятием глубины, благодаря чему они отлично подходят для выполнения таких прикладных задач, где требуется особая координация «рука-глаз». Кроме того, еще одной важной особенностью приборов этого класса является большое рабочее расстояние, что позволяет проводить различные манипуляции с образцом, например, диссекционные, паяльные или реставрационные работы с использованием специальных инструментов.

Увеличение таких микроскопов чаще всего варьируется в диапазоне от 20х до 80х, но в некоторых моделях может встречаться увеличение от 2-3х до 200-300х. При этом, важно обратить внимание и на то, что приборы этого класса могут быть построены по двум оптическим схемам:

• Оптическая схема Грену.
• Оптическая схема c общим главным объективом (CMO – Common Main Objective) с системой изменения масштаба. Данная конструкция также носит название телескопический, Аббе или Галилея.

Собственно, в этой статье нам и хотелось бы более подробно обсудить отличия между данными оптическими конструкциями. Обе системы имеют как определенные преимущества, так и недостатки. Тем не менее, выбор, какой купить микроскоп, как правило, основывается на особенностях применения прибора, исходя из поставленных перед ним задач, его цены, при этом особенность системы строения учитывается гораздо реже. Да и сразу стоит упомянуть, что микроскопы, построенные по схеме Грену, существенно дешевле своих братьев с общим главным объективом.

Мозг и глаза человека функционируют вместе, обеспечивая пространственное зрение, так чтобы мы видели трехмерное изображение окружающих нас объектов. В среднем у людей межзрачковое расстояние составляет 64-65мм, при этом каждый глаз строит несколько отличающееся друг от друга изображение из-за того, что они находятся на некотором удалении друг от друга, а значит, на один и тот же объект «смотрят» под разными углами. Благодаря этому переданное в мозг изображение сливается в единую картинку с большой степенью восприятия глубины, т.е. строится объемная картинка. Для получения истинно стереоскопического эффекта, сохранения виртуальной объемности исследуемого объекта стереомикроскопы используют способность восприятия глубины передавая 2 изображения, наклоненных по отношению друг к другу приблизительно на 10-12 градусов.

Сразу же оговоримся, что в обеих оптических системах возможна реализация как одного или нескольких фиксированных увеличений, так и плавного бесступенчатого изменения кратности в заданном диапазоне, т. е. зума.

   

В микроскопах, построенных по схеме Грену, изображение формируется двумя идентичными (симметричными) оптическими путями, расходящимися на угол стереоскопичности. Обе оптические системы содержат отдельный окуляр и объектив, точно отцентрированы (отъюстированы) и заключены в общий корпус. Главным достоинством такой конструкции является довольно высокая числовая апертура, чего удается достичь благодаря схожести конструкции объективов схемы Грену с объективами классических биологических микроскопов.

В оптическом блоке приборов установлена пара оборачивающих призм или зеркал для коррекции ориентации увеличенного изображения так, что оператор видит правильно-ориентированную картинку, такую же, как он видел бы без микроскопа. Кроме того, во многих моделях установлены дополнительные призмы для излома оптической оси под 30 или 45 градусов для более комфортных условий наблюдения.

Так как лучи, участвующие в формировании изображения, проходят через сложную линзовую систему в центре, качество картинки симметрично относительно центра, как в биологических микроскопах. Исправить оптические аберрации в стереомикроскопах по Грену гораздо проще, чем в микроскопах с общим главным объективом, так как линзы меньше, аксиально-симметричны, и мало зависят от лучей света, проходящих через периферию объектива. Изображение характеризуется высокой глубиной резкости, отличной стереоскопичностью (объемностью). Кроме того, стереомикроскопы по Грену имеют более компактную конструкцию.

Искажение в схеме Грену появляется из-за наклона оптических осей объективов относительно общей оси. Данный недостаток носит название трапецеидального искажения.  Так при наблюдении область с левой стороны правого глаза будет казаться немного меньшей, чем в правой части того же изображения, аналогично для изображения левого глаза. Данный эффект возникает по причине того, что промежуточные изображения, формируемые каждой трубкой, расположены под углом относительно плоскости образца и наклонены относительно друг друга, так что только участки в центре поля зрения одновременно фокусируются при одинаковых увеличениях. Так, если Вы закроете один глаз и снова посмотрите в микроскоп, то сможете увидеть, что лишь в центре картинка оптимально сфокусирована, левее или правее от центра изображение уже слегка в расфокусе. То есть участки на периферии поля зрения сфокусированы либо немного выше, либо ниже фактической плоскости образца, и имеют незначительные различия в увеличении. Данный недостаток особенно заметен при работе с тонкими гистологическими образцами, геологическими шлифами или плоскими электронными компонентами, кроме того искажение усиливается с ростом увеличения прибора. Естественно, глаза способны легко компенсировать подобный эффект, так что зачастую остаются незаметны для микроскописта. Тем не менее, при длительной работе с микроскопом может возникать чувство усталости и дискомфорта из-за напряжения глаз.

Кстати данный недостаток при микрофотографировании плоских объектов можно попробовать исправить несложным трюком: угловое смещение может быть скорректировано, если наклонить плоскость образца на половину угла стереоскопичности. Таким образом образец будет находиться под прямым углом к оптическому пути.

Достоинства оптической схемы по Грену:

• Компактная конструкция
• Доступная цена
• Хорошая глубина резкости
• Легко исправляются оптические аберрации

Недостатки оптической схемы по Грену:

• Трапецеидальное искажение изображения

В стереомикроскопах с общим главным объективом изображение формируется за счет общей объективной линзы большого диаметра и двух независимых параллельных оптических каналов, находящихся строго перпендикулярно к плоскости исследуемого образца. Конструкция построена таким образом, что изображение проецируется на бесконечность. Таким образом, достигается схождение левой и правой оптических осей в фокальной точке в ​​плоскости образца. Главным преимуществом оптических инструментов с общим главным объективом является то, что оптическая ось объектива перпендикулярна к плоскости образца, и, соответственно, наклон изображения в фокальной плоскости окуляра отсутствует. Яркими примерами инструментов этого класса являются микроскопы Delta Optical серии IPOS и микроскопы Optika серии SZP. Однако данный класс приборов не обеспечивает реального трехмерного изображения при визуальном наблюдении, как схема Грену.

*Историческая справка. Первый стереомикроскоп с общим главным объективом был изобретен в 1957г. в США Американской оптической компанией (American Optical Company) и носил название Циклоптик (Cycloptic). В данной модели была реализована возможность ступенчатого изменения увеличения объектива прибора от 0.7х до 2.5х (в 5 позиций). Но уже спустя 2 года в 1959г. Bausch & Lomb представили свою разработку – StereoZoom – первый микроскоп без оборачивающих призм и с возможностью плавного бесступенчатого изменения увеличения (зума).

Уникальная аномалия стереомикроскопов с общим главным объективом заключается в том, что при изучении образцов через этот тип оптического прибора центральные части образца кажутся слегка приподнятыми, из-за чего плоский образец приобретает выпуклую форму. Например, монета будет выглядеть более утолщенной в центре. Этот артефакт называется искажением перспективы (сфера, куполообразование, эффект глобуса или глобулярный эффект), правда, не стоит беспокоиться о нем, если микроскоп не используется для оценки плоскостности (измерения кривизны поверхности) или высоты. Образцы со сложными или закругленными формами хотя и могут в определенной степени проявлять искажение перспективы часто не выглядят искаженными при просмотре через стереомикроскоп. Данное искажение получается в результате сочетания трапецеидального искажения и подушкообразной дисторсии.

Еще один артефакт, зачастую встречающийся в стереомикроскопах с общим главным объективом, проявляется в том, что в центре сформированного изображения наблюдаются небольшие внеосевые аберрации, такие как астигматизм, кома и поперечная хроматическая аберрация (хроматизм увеличения). Это обосновывается тем, что каждый оптический канал собирает световые лучи с краев большого общего объектива (области смещенной от центра) в то время, когда его центр, где аберрации (особенно внеосевые) сведены к минимуму или вовсе практически отсутствуют в линзах с наилучшей оптической компенсацией, остается не задействованным. Данный эффект малозаметен при визуальном наблюдении обоими глазами в окуляры микроскопа, но при микрофотографировании или выводе изображения на экран ПК с помощью цифровой камеры картинка может иметь асимметричную геометрию по полю зрения.

В целом хроматическую аберрацию для большого объектива исправить достаточно трудно и затратно. Для решения этой проблемы некоторые производители смещают большой центральный объектив, располагая его на оси левого или правого оптического канала. Другим современным решением данной проблемы стало применение объективов, скорректированных на бесконечность (Infinity Optical System). Оптическая система IOS позволяет без проблем вводить такие дополнительные элементы как светоделители, коаксиальные эпископические осветители, промежуточные тубусы для фото и видеонасадок и др. Для улучшения глубины резкости, чтобы в фокусе оказалось больше плоскостей, приборы оснащаются ирисовой диафрагмой с рычагом для ее открытия/закрытия. Визуализирующие насадки могут быть выполнены с регулируемым углом наклона тубусов, что позволяет оператору максимально комфортно подстроить микроскоп для проведения исследований.

Стереомикроскопы с общим главным объективом обеспечивают большое поле зрения и не страдают от геометрических искажений. В микроскопах премиум класса таких известных брендов как Zeiss, Olympus, Leica применяются планапохроматические (Plan-APO) объективы, в которых хроматическая аберрация и кривизна поля сведены к минимуму. Таким образом, безупречная картинка наблюдается и в окуляры микроскопа, и на экране ПК при выводе изображения с помощью цифровой камеры, для чего многие модели специально оснащены тринокулярными насадками. Приборы, построенные по данной схеме, имеют более сложную оптическую конструкцию и требуют высокой коррекции аберраций объектива, что, естественно, сказывается на их цене. Как правило, микроскопы с общим главным объективом обладают более высокой светосилой в сравнении со стереомикроскопами по Грену, лучше исправлены в отношении различных оптических аберраций, а, кроме того, лучше подходят для проведения микрометрических измерений.

Достоинства оптической схемы с общим главным объективом:

• Большая светосила
• Широкий выбор дополнительных аксессуаров (набор для флуоресценции, набор для поляризации, столики с подогревом и тд. )
• Лучше исправленные оптические аберрации
• Более совершенная оптика с лучшей разрешающей способностью и точной цветопередачей
• Предоставляют точные результаты различных измерений

Недостатки оптической схемы с общим главным объективом:

• Существенно более высокая стоимость
• Более громоздкие габариты
• Нет ощущения трехмерного изображения, аналогичного схеме Грену

Стереомикроскопы по Грену служат надежными «рабочими лошадками» для выполнения таких задач, как визуальная оценка дефектов, контроль печатных плат, диссекции (рассечения) биологических образцов, реставрационных работ, пайки и других рутинных работ. Приборы этого класса сравнительно небольших габаритов, недороги, прочны, просты в эксплуатации и не требовательны в обслуживании. А вот для занятия микрофотографией данная оптическая схема не рекомендуется, так как особенность их конструкции приведет к появлению геометрических погрешностей на снимках из-за наклона объективов относительно изучаемого образца.

Стереомикроскопы с общим главным объективом зачастую используются для решения более сложных задач, требующих высокого разрешения с усовершенствованными оптическими параметрами и дополнительными осветительными аксессуарами, в исследовательской и экспериментальной деятельности. Рекомендуются для занятия микрофотографией для получения качественных фотоснимков с высоким разрешением, вывода изображения на экран ПК или проектор для демонстрации на максимальном увеличении (более 100х).

Автор статьи: Галина Цехмистро

← Первый микроскоп и первые ошибки в работе с ним  |  Светофильтры для микроскопа и их применение →

Как устроены телескопы различных оптических схем?

Оптический телескоп предназначен для того, чтобы с его помощью наблюдать далёкие небесные объекты. Если перевести это слово с греческого языка на русский, оно будет означать «наблюдаю далеко».

Начинающие астрономы-любители, безусловно, интересуются тем, как устроен телескоп и какие виды этих оптических приборов существуют. Новичок, придя в магазин оптики, часто спрашивает продавца: «А вот этот телескоп во сколько раз увеличивает?» Кому-то следующее утверждение может показаться удивительным, но сама постановка вопроса является некорректной.

Дело не в увеличении?

Есть люди, которые думают, что чем больше увеличивает телескоп, тем «круче». Кто-то считает, что он приближает к нам удалённые объекты. И то, и другое мнение является ошибочным. Основная задача этого оптического инструмента — собрать излучение волн электромагнитного спектра, к которым относится и свет, видимый нами. Кстати, в понятие электромагнитного излучения входят и другие волны (радио-, инфракрасные, ультрафиолет, рентген и т. д.). Современные телескопы могут улавливать все эти диапазоны.

Итак, суть функций телескопа заключается не в том, во сколько раз он увеличивает, а в том, какое количество света он может собрать. Чем больше света соберёт линза или зеркало, тем чётче будет нужная нам картинка.

Для создания хорошего изображения оптическая система телескопа концентрирует световые лучи в одной точке. Она называется фокусом. Если свет не будет сфокусирован в ней, мы получим размытую картинку.

Какими бывают телескопы?

Как устроен телескоп? Различают несколько основных их видов:

• рефракторы. В конструкции рефрактора используют только линзы. Его работа основана на преломлении световых лучей;
• рефлекторы. Они полностью состоят из зеркал, при этом, схема телескопа выглядит так: объектив — это главное зеркало, а есть ещё и вторичное;
• катадиоптрики или смешанного типа. Они состоят как из линз, так и из зеркал.

Как работают рефракторы

Объектив любого рефрактора выглядит в виде двояковыпуклой линзы. Её задача — сбор световых лучей и концентрация их в одной точке (фокусировка). Увеличение исходного изображения мы получаем через окуляр. Линзы, которые используют в современных моделях телескопов, являются сложными оптическими системами. Если ограничиться применением только одной крупной линзой, выпуклой с двух сторон, это чревато сильными погрешностями получаемого изображения.

Во-первых, изначально лучи света не могут чётко собраться в одну точку. Такое явление получило название сферической аберрации, в результате которой невозможно получение картинки с одинаковой резкостью на всех её участках. При использовании наведения можно увеличить резкость в центре изображения, но мы получим размытые края — и наоборот.

Кроме сферической, рефракторы также «грешат» хроматической аберрацией. Искажение цветового восприятия происходит потому, что в состав света, исходящего от космических объектов, входят лучи разного цветового спектра. Когда они проходят сквозь объектив, то не могут преломляться одинаково, следовательно, рассеиваются по разным участкам оптической оси инструмента. Результатом становится сильное искажение цвета получаемого изображения.

Специалисты-оптики хорошо научились «бороться» с аберрациями разного рода. С этой целью они изготавливают оптические системы рефракторов, состоящие из разных линз. Таким образом коррекция картинки становится реальной, но усилий подобная работа требует немалых.

Принцип работы рефлекторов

Появление телескопов-рефлекторов в астрономии неслучайно, так как хроматическая аберрация у «зеркалок» отсутствует вовсе, а сферические искажения можно откорректировать, изготовив главное зеркало в форме параболы. Такое зеркало получило название параболического. Вторичное зеркальце, которое тоже входит в его конструкцию, предназначено для того, чтобы отклонять лучи света, отражаемые главным зеркалом и выводить картинку в верном направлении.

Именно главное зеркало, имеющее форму параболы, обладает уникальным свойством чётко сводить все световые лучи в один фокус.

Зеркально-линзовые телескопы

В оптическую конструкцию зеркально-линзовых телескопов входят и линзы, и зеркала одновременно. В качестве объектива здесь служит зеркало сферической формы, а линзы предназначены для устранения всех возможных аберраций. Если сравнить зеркально-линзовые телескопы с рефракторами и рефлекторами, можно сразу обратить внимание на то, что у катадиоптриков короткая и компактная труба. Это обусловлено системой многократного переотражения световых лучей. Если использовать разговорный язык астрономов-любителей, фокус у таких телескопов словно находится в «сложенном состоянии». Благодаря компактности и лёгкости катадиоптриков они пользуются высокой популярностью в астрономической среде, однако стоят такие телескопы гораздо дороже, чем простой рефрактор или обычная «зеркалка» системы Ньютона.

29.10.2019 19307

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 сделал 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 оптической инженерии (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 фантомных 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 величину. 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 должность.

---

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.

Оптический дизайн по-разному называют искусством, наукой или творческим процессом. Однако программное обеспечение просто принимает указания от пользователя. В конечном счете, навыки, опыт и понимание оптического дизайнера — это то, что позволяет дизайну развиваться от концепции к реальности.

Программное обеспечение для проектирования оптики | Программное обеспечение 3DOptix

 

Optical Design предоставляет разработчику оптики набор инструментов для оценки и тестирования производительности оптической системы или устройства. Обычно это делается с помощью набора инструментов визуализации и списка действий по созданию оптической системы. Процесс проектирования начинается с рассмотрения основных пространственных и временных характеристик входа и выхода оптической системы. Рассмотрение может касаться любой вертикали в оптике, такой как визуализация (расстояние до изображения, размеры, апертура, фокусное расстояние), тонкопленочное покрытие (желаемый фильтр, материал, толщина слоя, однородность, воспроизводимость, пропускная способность), нелинейная оптика (частота, поляризация). , фаза или путь падающего света), квантовая точка (размер, длина волны, электронное состояние), оптика Фурье (пространственная корреляция, преобразование Фурье), гауссов пучок (радиус и перетяжка луча, гауссовский профиль интенсивности) или любое другое поле.

Разработчик оптики должен найти подходящий начальный проект, основанный либо на базовой теории, либо на его собственном опыте, либо в библиотеке проектов (например, в библиотеке проектов 3DOptix по адресу https://3doptix.com/collections/software-opt-files). Эта отправная точка будет проанализирована и оптимизирована путем применения изменений к различным оптическим элементам, выбора различных оптических переменных или даже изменения физического местоположения оптических элементов для улучшения показателя производительности и/или соответствия требованиям.

Начните свой дизайн

Вопросы и ответы

1. Что такое программное обеспечение для проектирования оптики?

• Программное обеспечение Optical Design предоставляет разработчику оптики набор инструментов для оценки и тестирования характеристик оптической системы или устройства.

2. Какое программное обеспечение используется для оптического моделирования?

• Земакс
• 3DOptix
• Синопсис
• Люмерикал
• Комсол
• Исследовательская корпорация Лямбда

3. Каковы преимущества программного обеспечения для оптического моделирования?

• Сокращенный процесс проб и ошибок
• Экономьте время и деньги на разработках оптического прибора
• Повышает производительность
• Высшее качество оптических конструкций
• Повторное использование и легкое изменение существующих оптических конструкций
• Упрощено совместное использование дизайнов

4. Почему разработчики оптики и производители оптической продукции используют программное обеспечение для оптического моделирования?

• Оптическое моделирование позволяет быстро, безопасно и эффективно решать реальные проблемы. Моделирование представляет собой важный метод анализа сложных оптических систем и позволяет сэкономить время и деньги при переходе к этапу реализации.

5. I Существует ли бесплатное/открытое программное обеспечение для оптического проектирования?

•  Да. 3DOptix предлагает бесплатное онлайн-программное обеспечение для оптического проектирования. Доступ к инструменту можно получить через веб-сайт компании по адресу www.3doptix.com
.

6. Существует ли облачное программное обеспечение для проектирования оптики?

• Да. 3DOptix предлагает бесплатное облачное онлайн-программное обеспечение для оптического проектирования. Доступ к инструменту можно получить через веб-сайт компании по адресу www.3doptix.com.

7. Как зарегистрироваться в программе оптического проектирования и моделирования 3DOptix?

• Перейдите на сайт www. 3doptix.com. Нажмите кнопку «Зарегистрироваться в бета-версии» в шапке веб-сайта. Нажмите кнопку «Регистрация» в инструменте и введите свои данные.

8. Каковы основные функции проектирования и моделирования 3DOptix?

• Сборка оптической установки
• Используйте готовые оптические элементы или создавайте собственные
• Выберите различные готовые оптомеханические детали или импортируйте индивидуальную деталь
• Запустить моделирование геометрической/лучевой оптики
• Анализ конструкции — измерение расстояния, анализ спектра
• Распечатайте и поделитесь дизайном
• Удивительный инструмент для создания 2D-эскизов
• Сравнить цены
Сравнение

	Бесплатно	Онлайн, облачная версия, установка не требуется	Простота использования	Встроенная оптомеханика База данных	База данных встроенной оптики
3DOptix	Да	Да	Да	Да	Да
Земакс	Нет	№	№	№	Да
Люмерический	№	№	№	№	№
Комсол	№	№	№	№	№
Исследовательская корпорация «Лямбда»	№	№	№	№	№

Начните свой дизайн

Международная конференция по оптическому дизайну | События

• International Optical Design. ..
  • Тематические категории
• Производство и испытания оптики
  • Тематические категории

Подпишитесь на обновления собрания.
Будьте в курсе

Международная конференция по оптическому дизайну (IODC)

Международная конференция по оптическому дизайну (IODC) проводится каждые 4 года и предоставляет участникам со всего мира возможность пообщаться в структурированном и в то же время неформальном формате. IODC будет охватывать широкий спектр приложений и разработок в отрасли, будет включать в себя дизайн, связанный с оптикой произвольной формы, и будет проходить совместно с тесно связанной встречей по изготовлению и тестированию оптики (OFT).

В течение последних нескольких лет во многих областях оптического проектирования наблюдалось быстрое развитие, обусловленное сочетанием повышенных требований к производительности системы, значительных достижений как в вычислительной мощности, так и в программном обеспечении для проектирования, а также новых производственных технологий, которые предлагают совершенно новые инженерные возможности. При таком росте активности, происходящем в оптической отрасли, дизайнерам, инженерам и ученым становится крайне важно быть в курсе последних достижений искусства.

Категории тем

Стулья

Дэйв Эйкенс

Savvy Optics Corp, США
Стул

Хеннинг Рен

FISBA, Швейцария
Стул

Симон Тибо

Университет Лаваля, Канада
Стул

Кристина Улендорф

Magic Leap Inc, Германия
Председатель

Члены комитета

• Дэйв Эйкенс, Savvy Optics Corp , США , Стул
• Хеннинг Рен, FISBA , Швейцария , Стул
• Саймон Тибо, Университет Лаваля , Канада , Стул
• Кристина Улендорф, Magic Leap Inc , Германия , Стул
• Мигель Алонсо, Институт Френеля , Франция
• Аарон Бауэр, Университет Рочестера , США
• Джули Бентли, Университет Рочестера , США
• Натали Бланшар, ИНО , Канада
• Питер Брик, OSRAM Opto Semiconductors GmbH , Германия
• Рассел Чипман, Airy Optics, Inc. , США
• Питер Кларк, Пенсионер , США
• Кристофер Дейнти, FotoNation , Ирландия
• Александр Эппле, Carl Zeiss AG , Германия
• Стивен Фэнтоне, Корпорация Optikos , США
• Флориан Фурнье, Synopsys, Inc , США
• Эдвард Френьер, Lambda Research Corporation , США
• Рафаэль Гонсалес Акунья, Huawei Technologies , Мексика
• Майкл Хейфорд, MJH Optics , США
• Лакшминараян Хазра, Университет Калькутты , Индия
• Алоис Херкоммер, TTI GmbH Университет Штутгарта , Германия
• Эрик Герман, Корпорация Zygo , США
• Джозеф Ховард, Центр космических полетов имени Годдарда НАСА , США
• Норберт Кервин, Carl Zeiss AG , Германия
• Джон Кошель, Университет Аризоны , США
• Джей Кумлер, JENOPTIK Optical Systems, LLC , США
• Скотт Лернер, Synopsys, Inc , США
• Джеймс Макгуайр, Лаборатория реактивного движения , США
• Ромео Меркадо, RM Optical Design Consulting , США
• Пол Михалоски, Corning Advanced Optics , США
• Майкл Миссиг, Kollsman Inc , США
• Кодзи Мурамацу, Корпорация Nikon , Япония
• Юлиус Мушавек, JMO Illumination Optics GmbH , Германия
• Томас Нобис, Carl Zeiss AG , Германия
• Ричард Пфистерер, Photon Engineering LLC , США
• Андрей Ракич, GMTO , Новая Зеландия
• Янник Роллан, Университет Рочестера , США
• Веселин Шаулов, Университет Центральной Флориды , США
• Харви Спенсер, DRS Technologies, Inc , США
• Андреас Тимингер, Lumileds Germany GmbH , Германия
• Серхио Васкес-Монтьель, Политехнический университет Тулансинго , Мексика
• Энтони Висконти, Корпорация Optikos , США
• Акира Ябе, Akira Yabe Lens Design , Япония
• Таканори Яманаси, Theta Optical LLC , США
• Ричард Янгворт, Riyo LLC , США
• Чжэньфэн Чжуан, Иммерижн , Канада

Спонсоры

Проектирование оптических систем первого порядка

Об этом курсе

30 702 недавних просмотров

Этот курс также может быть принят для академического кредита как ECEA 5600, часть степени магистра наук в области электротехники CU Boulder.

Оптические инструменты — это то, как мы видим мир: от корректирующих очков до медицинских эндоскопов, камер мобильных телефонов и орбитальных телескопов. Когда вы закончите этот курс, вы сможете проектировать такие оптические системы с помощью простых математических и графических методов. Этот проект первого порядка позволит вам разработать основу, необходимую для начала всего оптического проектирования, а также интуицию, необходимую для быстрого решения осуществимости сложных проектов во время мозговых штурмов. Вы узнаете, как вводить эти проекты в стандартный инструмент проектирования OpticStudio от Zemax, чтобы анализировать и улучшать производительность с помощью мощных методов автоматической оптимизации.

Гибкие сроки

Гибкие сроки

Сброс сроков в соответствии с вашим графиком.

Общий сертификат

Общий сертификат

Получите сертификат по завершении

100% онлайн

100% онлайн

Начните сразу и учитесь по собственному графику.

Специализация

Курс 1 из 3 в специализации

Оптическая инженерия

Продвинутый уровень

Продвинутый уровень

Часов, чтобы закончить

Прибл. 21 час, чтобы закончить

Доступные языки

Английский

Субтитры: арабский, французский, португальский (европейский), итальянский, вьетнамский, немецкий, русский, английский, испанский системы с простыми математическими и графическими методами

Гибкие сроки

Гибкие сроки

Сброс сроков в соответствии с вашим графиком.

Общий сертификат

Общий сертификат

Получите сертификат после завершения

100% онлайн

100% онлайн

Начните сразу и учитесь по собственному графику.

Специализация

Курс 1 из 3 в специализации

Оптическая инженерия

Продвинутый уровень

Продвинутый уровень

Часов, чтобы закончить

Прибл. 21 час

Доступные языки

Английский

Субтитры: арабский, французский, португальский (европейский), итальянский, вьетнамский, немецкий, русский, английский, испанский

Instructor

Robert McLeod

Professor

Electrical, Computer and Energy Engineering

17,195 Learners

3 Courses

Offered by

University of Colorado Boulder

CU-Boulder is a динамичное сообщество ученых и учащихся в одном из самых впечатляющих университетских городков страны. Являясь одним из 34 государственных учреждений США, входящих в престижную Ассоциацию американских университетов (AAU), мы гордимся традициями академического превосходства, в котором пять лауреатов Нобелевской премии и более 50 членов престижных академических академий.

Graduation Cap

Начните работать над получением степени магистра

Этот курс является частью 100% онлайн-курса магистра наук в области электротехники Университета Колорадо в Боулдере. Если вы допущены к полной программе, ваши курсы засчитываются для получения степени.

Узнать больше

Отзывы

4.4

Заполненная звездаЗаполненная звездаЗаполненная звездаЗаполненная звездаНаполовину заполненная звезда

95 отзывов

• 5 звезд

  60.72%

• 4 stars

  24%

• 3 stars

  8.72%

• 2 stars

  3.27%

• 1 star

  3. 27%

TOP REVIEWS FROM КОНСТРУКЦИЯ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРВОГО ПОРЯДКА

Заполненная звезда Заполненная звезда Заполненная звезда Заполненная звезда

от RR30 июля 2020 г.

Хороший курс, объяснения ясны и кратки, и я получил хорошее обучение. Сложные упражнения! Возможно, было бы неплохо побольше упражнений с quantstudio.

Filled StarFilled StarFilled StarFilled StarStar

by SAA17 августа 2020 г.

Отличное содержание и инструкция. Трудно получить обратную связь о проблемах с программным обеспечением и ответами на викторины.

Filled StarFilled StarFilled StarFilled StarStar

от JJ 24 апреля 2022 г.

Отличный контент и инструктор, но ресурсы для этого онлайн-курса немного ограничены. Получение программного обеспечения OpticStudio было проблемой.

Заполненная звездаЗаполненная звездаЗаполненная звездаЗаполненная звездаЗвезда

by TC27 января 2021 г.

Отличный контент, но предоставленные учебные ресурсы ограничены видеолекциями и упражнениями. На дискуссионных форумах нет сотрудников, помогающих. Вопрос висит без ответов месяцами.

Просмотреть все отзывы

О специализации «Оптическая инженерия»

Курсы по этой специализации также могут быть приняты для академического кредита как ECEA 5600-5602, часть степени магистра наук CU Boulder в области электротехники. Зарегистрируйтесь здесь.

Оптические приборы — это то, как мы видим мир: от корректирующих очков до медицинских эндоскопов, камер мобильных телефонов и орбитальных телескопов. Этот курс научит вас проектировать такие оптические системы с помощью простых графических методов, а затем преобразовывать эти карандашные и бумажные рисунки, чтобы включать в них настоящие оптические компоненты, включая линзы, дифракционные решетки и призмы. Вы узнаете, как вводить эти проекты в стандартный инструмент проектирования OpticStudio от Zemax, чтобы анализировать и улучшать производительность с помощью мощных методов автоматической оптимизации.

Часто задаваемые вопросы

• Когда я получу доступ к лекциям и заданиям?

• Что я получу, подписавшись на эту специализацию?

• Доступна ли финансовая помощь?

Есть вопросы? Посетите Справочный центр для учащихся.

Каковы «типичные» этапы проектирования линз?

Обзор

Обзор

Задача 1: Тестирование

Задача 2: Конструкция объектива

Задача 3: Оптомеханический дизайн

Задача 4: Документация

Задача 5: Прототипирование и передача в производство

Компания OFH работает над множеством различных типов проектов, каждый из которых имеет свои уникальные цели и результаты. Для иллюстрации, вот разбивка проекта дизайна линзы от 2012 года.

Наш клиент изготовил очень недорогой диагностический микроскоп для просмотра слюны с 30-кратным увеличением. Они пришли в OFH, чтобы помочь им разработать новый продукт с более высоким увеличением.

Стоимость и объем производства диктовали, что пластмассы, полученные литьем под давлением, будут использоваться для изготовления элементов устройств и линз. Хотя 50-кратное увеличение было самой важной новой спецификацией, мы работали с клиентом, чтобы определить все спецификации до начала процесса проектирования. Нам нужно было убедиться, что требования а) не нарушают законы физики, б) могут быть произведены с использованием существующей производственной технологии с низкими затратами и в) описывали продукт, отвечающий требованиям рынка.

Первоначальные спецификации включали:

• Поле визуального вида 30 ° -40 °

• Диаметр Объекта. окуляра (механического) – 25мм-35мм

• Длина окуляра – 20мм-30мм

• Удаление выходного зрачка – 4мм-5мм; (определяется как расстояние между зрачком зрителя и последним элементом)

• Диаметр зрачка – 2мм-3мм. (определяется как плоскость визуального положения глаза пользователя)

• Глубина резкости – +/- 0,025 мм (теоретическое значение, фактическое значение определяется в проекте)

• Фиксированный фокус

• Разрешение – требуется тестирование

  5
  5

  • Искажение — требуется тестирование TBD

  Мы также обсудили ожидаемые затраты на прототипирование и производство и то, как на эти затраты могут повлиять желаемые спецификации.

  Клиент не смог указать два ключевых требования к производительности: разрешение и искажение. Поэтому мы начали программу с тестирования продукта, который, по мнению клиента, имел «достаточно хорошие» характеристики, и мы измерили разрешение и искажения этого продукта.

  Список задач проекта выглядел следующим образом:

  • Тестирование существующих продуктов

  • Оптическая схема окуляра с использованием Zemax

  • Исследование допусков

  • Оптомеханический проект окуляра

  • Разработка производственной документации

  • Прототипирование и передача в производство

  Задача 1: Тестирование

  В нашей лаборатории мы испытали образец объектива. На слайде ниже показано измерение разрешения с использованием разного зеленого и белого света.

  Измерение разрешения с использованием разного зеленого и белого света.

  Поскольку мы знали, что клиент считает, что образец объектива достаточно хорош, у нас теперь были полные требования

  Используя Zemax, мы смоделировали различные оптические концепции для нового окуляра. Мы также рассмотрели, как улучшилось бы качество изображения, если бы в макете использовался дифракционный оптический элемент (ДОЭ).

  Улучшение качества изображения с помощью дифракционного оптического элемента (DOE)

  Допуск элементов и оптомеханика идут рука об руку. Существуют компромиссы, которые могут обеспечить более слабые (с меньшими затратами на сборку) оптико-механические допуски и более жесткие (более дорогие) допуски на элементы объектива. На данный момент мы знаем, что базовая конструкция элементов показывает две разные оптико-механические компоновки. Один использует склеивание, а другой опирается на пружины. На этом этапе проекта вклад производителя объектива становится более важным. Их отзывы о предпочтительных методах сборки определят путь проектирования. Ниже приведены две из трех представленных концепций OFH.

  На основе дизайна элементов возникают две различные оптико-механические компоновки: клей или пружины

  Задача 4: Документация

  После наших обсуждений с производителями был выбран подход к проектированию, и OFH подготовила проектную документацию, подходящую для прототипирования. Ниже показан один из чертежей элемента объектива. Обратите внимание, что это не полный чертеж

  Был выбран проектный подход, и мы подготовили проектную документацию, подходящую для прототипирования

   

  Нужна помощь в разработке индивидуальной оптики или линзы для визуализации? Узнайте больше о наших дизайнерских услугах здесь.

   

  Задача 5: Прототипирование и передача в производство

  На этом этапе проект перешел от «типичного» к «нетипичному». связанные с изготовлением нестандартного формовочного инструмента. Рыночные возможности, которые они увидели для нового 50-кратного объектива, оказались не такими большими, как они ожидали, и не покрыли дополнительные затраты, необходимые для перехода от 30-кратного объектива к 50-кратному, поэтому проект был отложен.

  Это расстроило всех участников. Мы бы хотели, чтобы каждый дизайн, над которым мы работаем, был запущен в производство и вышел на рынок, но так происходит не всегда.