Das optische Design ist ein Bereich der optischen Technik, der darauf abzielt, optische Systeme als Ziele , Visiere , Teleskop , Mikroskop usw. zu erstellen, zu optimieren und herzustellen .
Das optische Design basiert hauptsächlich auf den Gesetzen der geometrischen Optik und Radiometrie .
Das optische Design, das den gesamten Prozess der Entwicklung eines optischen Systems abdeckt, ist ein Bereich der Optik, der aus der Entwicklung der ersten optischen Systeme hervorgegangen ist. Bis spät in der XIX - ten Jahrhundert , sind sie jedoch weniger Berechnungen , dass experimentelle Ansätze , die verwendet werden , und die Meniskuslinse Wollaston durch einen völlig empirischen Ansatz entwickelt wurde. Mit dem Aufkommen der von Philipp Ludwig von Seidel entwickelten Aberrationstheorie wandte sich das Design allmählich der Berechnung zu, wobei ein großer Teil des Experimentierens beibehalten wurde. Bis zur Mitte des XX - ten Jahrhundert , ist das optische Design noch eine Mischung von Abbildungsfehlern Theorie, Raytracing und Erfahrung.
Die mechanischen Taschenrechner werden kaum verwendet: Bis 1940 ist es bequemer und schneller, die unzähligen Logarithmentabellen für die Strahlverfolgung zu verwenden, mit der Berechnungen mit einer Maschine durchgeführt werden. Der Prozess bleibt iterativ, ein erstes Modell wird unter Berücksichtigung von Seidels Theorie erstellt, ein Prototyp wird bearbeitet, seine Aberrationen gemessen, dann wird das Modell entsprechend korrigiert und ein neuer Prototyp wird gestartet. Die Bearbeitung mehrerer Prototypen kostet lange Zeit weniger als die Investition in einen überteuerten Computer.
Der erste Computer, der für optische Berechnungen verwendet wurde, stammt aus dem Jahr 1949, als Charles Wynne Gorrie (in) im Rahmen des Systemdesigns ein Raytracing startet: Die Berechnung der Route wurde erst nach Auslieferung des Systems abgeschlossen. Ab 1957 erwarben Taylor, Taylor und Hobson einen Computer von Elliott Brothers , der sich der Strahlverfolgung widmete, blieben aber über Jahre hinweg das einzige optische Unternehmen mit dieser Art von Ausrüstung.
Die Verwendung von Computern wurde erst dann wirklich demokratisiert, wenn sie effizient und schnell genug waren, um einen Vorteil gegenüber der „manuellen“ Berechnung zu bieten. Die Entwicklung des Levenberg-Marquardt-Algorithmus (oder Damped Least Squares , "Moindre Carrés Amortis") Mitte der 1960er Jahre markiert wirklich den Moment, ab dem optische Entwurfsarbeiten hauptsächlich an einem Computer ausgeführt werden.
Der Ausgangspunkt des optischen Entwurfs ist die vollständige Bestimmung der Eigenschaften, die erforderlich sind, um die Spezifikationen oder den Bedarf an der Optik zu erfüllen.
Aus optischer Sicht legen die Spezifikationen optische Einschränkungen fest:
und Praktiken:
Die Apertur des Systems, die Brennweite und das Feld bestimmen den Typ des zu verwendenden optischen Systems. In Bezug auf die Optik wählen wir je nach gewünschter Leistung unterschiedliche Lösungen.
Die einfachste Optik, die einfache Linse, führt unabhängig vom verwendeten Glas einen Chromatismus sowie geometrische Aberrationen ein. Daher ist es selten, dass sie in der Beugungsgrenze arbeiten .
Das Dublett ermöglicht es, den Chromatismus stark zu reduzieren oder zu eliminieren, während eine neue Dioptrie (für ein geklebtes Dublett) hinzugefügt wird, die es ermöglicht, geometrische Aberrationen zu reduzieren. Insbesondere ermöglicht ein achromatisches Dublett das Aufheben chromatischer Aberrationen durch Verwendung von zwei optischen Gläsern unterschiedlicher Konstringenz. Ein geschältes Dublett ist unter dem Gesichtspunkt geometrischer Aberrationen besser als ein gebundenes Dublett, aber es ist weniger robust gegenüber mechanischen Verschiebungen sowie gegenüber Wärmeausdehnung.
Das Triplett reduziert geometrische Aberrationen weiter. Es ist daher in fotografischen optischen Systemen weit verbreitet.
Für die gleiche Konfiguration mit einer Studie auf dem Gebiet sind hier die PSFs der verschiedenen genannten optischen Systeme aufgeführt:
Beispiel einer mit OSLO simulierten PSF für eine einzelne Linse im Feld
Beispiel einer mit OSLO simulierten PSF für ein Dublett im Feld
Beispiel einer mit OSLO simulierten PSF für ein Triplett im Feld
Die Optimierung eines optischen Systems erfolgt durch Finden einer Lösung, die gleichzeitig alle (gewichteten) Aberrationen des Systems minimiert . Diese Suche nach dem Optimum wird mathematisch durch die Suche nach einem globalen Minimum in einem mehrdimensionalen Raum übersetzt .
Die Automatisierung dieser Forschung wurde in den 1940er Jahren von James G. Baker und Feder, Wynne, Glatzel, Gray initiiert . Vor der Demokratisierung von Computern wurden die meisten Berechnungen von Hand unter Verwendung logarithmischer Tabellen und trigonometrischer Tabellen durchgeführt.
Die Toleranz eines optischen Systems besteht darin, bei der Auslegung des Systems die Mängel zu berücksichtigen, die zum Zeitpunkt der industriellen Herstellung auftreten werden. Dabei werden zwei Arten von Fehlern berücksichtigt:
Mängel an optischen Gläsern und deren Polieren:
Fehler bei der Positionierung der Linsen:
Die Berücksichtigung aller physikalischen Defekte, die ein optisches System beeinflussen können, ermöglicht es, die Machbarkeit eines theoretischen Modells und die Robustheit des Systems zu validieren. Im Allgemeinen führt Toleranzen zu einer neuen Suche nach einer Lösung, um die theoretische Lösung robuster oder besser für die Herstellungsprozesse geeignet zu machen.
Die Überprüfung der Robustheit gegenüber Änderungen kann in Form einer Monte-Carlo- Berechnung erfolgen, die einer numerischen Simulation der Reaktion eines Satzes von Systemen auf eine zufällige Kombination von Fehlern innerhalb der für die Toleranz festgelegten Grenzen entspricht.
Das optische Design wird hauptsächlich mit einer speziellen Software erstellt, die mit Bibliotheken vorhandener Systeme ausgestattet ist, die es ermöglichen, bereits gut optimierte Startlösungen zu finden.
Einige Techniken werden jedoch für das optische Design von Systemen verwendet:
Einige der wichtigsten Software für das optische Design umfassen: