Az optikai tervezés az optikai tervezés olyan területe, amelynek célja optikai rendszerek létrehozása, optimalizálása és gyártása, mint célpontok , látnivalók , távcső , mikroszkóp stb.
Az optikai tervezés elsősorban a geometriai optika és a radiometria törvényein alapszik .
Az optikai tervezés, amely az optikai rendszer kifejlesztésének teljes folyamatát lefedi, ez az optikai terület, amely az első optikai rendszerek létrehozásával született. Egészen a XIX . Század végéig azonban kevésbé számítanak azokra a kísérleti megközelítésekre, amelyeket a Wollaston meniszkuszlencséjére teljesen empirikus megközelítéssel terveztek. Az aberrációk elméletének megjelenésével, amelyet Philipp Ludwig von Seidel fejlesztett ki , a tervezés fokozatosan a számítás felé fordult, miközben a kísérlet nagy része megmaradt. A XX . Század közepéig az optikai tervezés még mindig az aberrációelmélet, a sugárkövetés és a tapasztalat keveréke.
A mechanikus számológépeket alig használják: 1940-ig kényelmesebb és gyorsabb a számtalan logaritmus-tábla segítségével sugárkövetést végezni, amely géppel végez számításokat. A folyamat iteratív marad, egy első modellt Seidel elméletének figyelembe vételével készítenek, megmunkálnak egy prototípust, megmérik annak aberrációit, majd ennek megfelelően korrigálják a modellt, és elindítanak egy új prototípust. Hosszú ideig olcsóbb több prototípus megmunkálása, mint egy túlárazott számítógépbe való befektetés.
Az első számítógép, amelyet optikai számításokra használnak, 1949-re nyúlik vissza, amikor Charles Wynne Gorrie (in) sugárkövetést indított el a rendszertervezés kapcsán: az útvonal kiszámítása csak a rendszer leszállítása után fejeződött be. 1957-től Taylor, Taylor és Hobson megszerezték az Elliott Brothers számítógépet, amelyet a sugárkövetésnek szenteltek, de az elkövetkező évekig az egyetlen optikai vállalat volt ilyen típusú berendezéssel.
A számítógépek használata csak akkor demokratizálódott, ha kellően hatékonyak és gyorsak voltak ahhoz, hogy előnyt nyújtsanak a „kézi” számítással szemben; a Levenberg-Marquardt algoritmus (vagy Damped Least Squares , "Moindre Carrés Amortis") fejlesztése az 1960-as évek közepén valóban azt a pillanatot jelöli, amelytől kezdve az optikai tervezési munkát főleg számítógépen végzik.
Az optikai tervezés kiindulópontja a specifikációk teljesítéséhez szükséges jellemzők vagy az optikai szükséglet teljes meghatározása.
Optikai szempontból a specifikációk optikai korlátokat határoznak meg:
és gyakorlatok:
A rendszer rekesze, a gyújtótávolság és a mező határozza meg az alkalmazandó optikai rendszer típusát. Az optikával kapcsolatban a kívánt teljesítménytől függően különböző megoldásokat választunk.
A legegyszerűbb optika, az egyszerű lencse kromatizmust vezet be a felhasznált üvegtől függetlenül, valamint a geometriai eltéréseket, ezért ritka, hogy diffrakciós határban működik .
A dublett lehetővé teszi a kromatizmus jelentős csökkentését vagy kiküszöbölését, miközben új dioptriát ad hozzá (ragasztott dubletthez), amely lehetővé teszi a geometriai rendellenességek csökkentését. Különösen az akromatikus dublett teszi lehetővé a kromatikus rendellenességek megszüntetését két különböző konstrukciójú optikai üveg használatával. A hámozott dublett a geometriai aberrációk szempontjából jobb, mint a kötött dublett, de kevésbé robusztus a mechanikai elmozdulások és a hőtágulás szempontjából.
A hármas tovább csökkenti a geometriai rendellenességeket. Ezért széles körben használják fényképészeti optikai rendszerekben.
Ugyanazon konfigurációhoz, mint a területen végzett tanulmány, itt találhatók az említett optikai rendszerek PSF-i :
Példa OSLO-val szimulált PSF-re egyetlen lencséhez a terepen
Példa az OSLO-val szimulált PSF-re a mező dublettjéhez
Példa az OSLO-val szimulált PSF-re egy triplett számára a terepen
Az optikai rendszer optimalizálása úgy történik, hogy megoldást találunk, egyidejűleg minimalizálva a rendszer összes (súlyozott) rendellenességét . Az optimumnak ezt a keresését matematikailag lefordítja egy globális minimum keresése egy többdimenziós térben .
Ennek a kutatásnak az automatizálását James G. Baker és Feder, Wynne, Glatzel, Gray kezdeményezték az 1940-es években, a számítógépek demokratizálódása előtt a számítások nagy részét kézzel, logaritmikus táblázatok és trigonometrikus módszerrel hajtották végre.
Az optikai rendszer tűrése abból áll, hogy a rendszer tervezésénél figyelembe veszik azokat a hibákat, amelyek az ipari gyártáskor jelentkeznek. Kétféle hibát veszünk tehát figyelembe:
Az optikai üvegekkel és azok polírozásával kapcsolatos hibák:
A lencsék elhelyezésével kapcsolatos hibák:
Az optikai rendszert érintő összes fizikai hiba figyelembevétele lehetővé teszi egy elméleti modell megvalósíthatóságának és a rendszer robusztusságának érvényesítését. Általánosságban a tolerancia új megoldáskereséshez vezet, hogy az elméleti megoldás robusztusabb vagy jobban illeszkedjen a gyártási folyamatokhoz.
A módosítások robusztusságának ellenőrzése Monte-Carlo számítás formájában valósulhat meg, amely megfelel egy rendszerhalmaz véletlen hibakombinációra adott válaszának numerikus szimulációjának a tűréshatáron belül megadott határokon belül.
Az optikai tervezés főleg a meglévő rendszerek könyvtárakkal ellátott speciális szoftverek felhasználásával történik, amelyek lehetővé teszik a már jól optimalizált kezdő megoldások megtalálását.
Néhány technikát azonban alkalmaznak a rendszerek optikai tervezéséhez:
Néhány fő optikai tervező szoftver a következőket tartalmazza: