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Optisches Systemdesign

Die Verwendung von optischen Instrumenten jeglicher Art und die Nutzungsbedingungen werden sicherlich Anforderungen an das optische System stellen. Daher müssen wir seine Anforderungen an das optische System verstehen, bevor wir das optische Design durchführen. Diese Anforderungen sind in den folgenden Aspekten zusammengefasst.

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I. Die grundlegende Eigenschaft des optischen Systems
Die grundlegende Eigenschaft des optischen Systems ist: numerische Apertur oder relative Apertur; linearer Feld- oder Feldwinkel; Systemvergrößerung oder Brennweite. Zusätzlich gibt es einige verwandte Eigenschaften, wie die Größe und den Ort der Pupille, den Arbeitsabstand und die Konjugatentfernung.

II. Die Gesamtdimension der Systeme
Die Gesamtabmessungen des Systems, dh die horizontalen und vertikalen Abmessungen des Systems. Bei der Gestaltung komplexer optischer Systeme. Es ist unbedingt erforderlich, dass Designer die Kompatibilität der Pupillen der optischen Elementgruppen korrekt definieren.

III. Bildqualität
Bildqualitätsanforderungen in Bezug auf die Verwendung optischer Systeme. Aufgrund der Anwendungsnutzung sind unterschiedliche Anforderungen an die Bildqualität bei verschiedenen optischen Systemen zu erfüllen. Für das Teleskopsystem und das allgemeine Mikroskop ist nur im zentralen Sichtfeld eine gute Bildqualität erforderlich. Aber für das fotografische Objektiv wird die gute Qualitätsanforderung benötigt, um sich im gesamten Sichtfeld zu treffen.

IV. Die Nutzungsbedingungen des Instruments
Wenn wir vorschlagen, die Nachfrage nach dem optischen System die Funktion des zu machen, müssen wir die Möglichkeit der Realisierbarkeit sowohl technischer als auch physikalischer Aspekte in Betracht ziehen. Wie biologische Vergrößerung sollte in den Bereich von 500NA≤≤≤000NA passen, wenn wir Teleskop-System entwickeln, im Hinblick auf die Teleskop-visuelle Vergrößerung zu berücksichtigen, Auflösung Grenze von Teleskop-System und das menschliche Auge muss berücksichtigt werden.

Der Designprozess des optischen Systems
Optisches Systemdesign ist der Prozess des Bestimmens einer Vielzahl von Daten auf der Grundlage von Verwendungsbedingungen und erfüllt die Anwendungsanwendungsabbildungsqualitätsnutzungsanforderungen, das heißt, Bestimmen der Leistungsparameter des optischen Systems, der Gesamtabmessungen und der Struktur der optischen Elementgruppe usw. Der optische Entwurfsprozess kann daher in 4 Stufen unterteilt werden: die Dimensionsberechnung, die Anfangsstrukturberechnung, die Aberrationskorrektur und -balance und die Bildqualitätsprüfung.
I. Die Gesamtgrößenberechnung

In diesem Stadium müssen wir das Konstruktionsprinzip des optischen Systems aufstellen, um die grundlegenden optischen Eigenschaften zu bestimmen, die eine gegebene technische Anforderung erfüllen, dh die Vergrößerung oder Brennweite, das lineare Feld oder der Feldwinkel, die numerische Apertur oder die relative Apertur , konjugierter Abstand, nach dem Arbeitsabstand der Blendenposition und der externen Dimension usw. Daher wird diese Phase oft als Gesamtdimensionsberechnung bezeichnet. In der Regel berechnen wir die Gesamtabmessungen nach perfekter optischer Systemtheorie und Berechnungsformel. Und dabei muss der mechanische Aufbau und das elektrische System berücksichtigt werden, um das Auftreten einer unmöglichen Struktur zu verhindern. Die Bestimmung jeder Leistung muss vernünftig sein, wenn sie zu hoch ist, werden die Konstruktionsergebnisse verschwendet, wenn sie zu niedrig ist, wird das Design die Anforderungen nicht erfüllen, daher muss dieser Schritt sorgfältig betrachtet werden.

II. Die Berechnung und Auswahl der Anfangsstruktur
Die folgenden zwei Methoden werden normalerweise verwendet, um die Anfangsstruktur zu bestimmen:
1. Lösen Sie die primäre Aberrationstheorie gemäß der ursprünglichen Struktur.
Das Verfahren zum Lösen der Anfangsstruktur basiert auf den fundamentalen Eigenschaften, die aus den Gesamtdimensionen berechnet werden, und die primäre Aberrationstheorie wird verwendet, um die Anfangsstruktur zu lösen, die die Anforderungen an die Bildqualität erfüllt.
2.Lösen Sie die Anfangsstruktur aus dem vorhandenen Dokument
Dies ist eine praktische und leicht zu erreichende Methode. So wird es von vielen optischen Designern häufig verwendet. Es erfordert jedoch, dass Designer ein tiefes Verständnis für die Theorie der Optik haben und eine Fülle von Erfahrung im Design haben. Nur so kann er eine einfache und anspruchsvolle Anfangsstruktur aus einer Vielzahl von Strukturen herausgreifen. Die Wahl der Ausgangsstruktur ist die Grundlage des Linsendesigns. Eine schlechte Anfangsstruktur, egal wie gut der automatische Entwurfsprozess ist und erfahrene Designer können das Design nicht erfolgreich machen.

III. Die Aberrationskorrektur und Balance
Nachdem die anfängliche Struktur ausgewählt ist, wird der optische Weg auf dem Computer mit dem optischen Berechnungsprogramm berechnet, und alle Aberrations- und Aberrationskurven werden berechnet. Gemäß der Analyse von Aberrationsdaten ist es möglich, herauszufinden, welche Aberration den Haupteinfluss auf die Abbildungsqualität des optischen Systems hat. Und dann können wir die modifizierten Methoden herausfinden und die Aberration korrigieren. Bilddifferenzanalyse und -balance ist ein iterativer Prozess, bis die Anforderungen an die Bildqualität erfüllt sind.

IV. Die Bildqualität Bewertung
Die Abbildungsqualität des optischen Systems hängt von der Größe der Aberration ab. Der Zweck des optischen Designs besteht darin, die Aberration des optischen Systems zu korrigieren. Es ist jedoch für kein optisches System möglich, alle Aberrationen auf Null einzustellen, und das Vorhandensein von Restaberrationen ist unvermeidbar. Daher muss der optische Designer Kenntnis über den Toleranzwert der Rest- und Aberrationstoleranz des optischen Systems haben, um die Abbildungsqualität des optischen Systems gemäß der Restaberration zu beurteilen. Es gibt viele Verfahren, um die Abbildungsqualität des optischen Systems zu bewerten. Wir werden kurz die Aberration-Evelations-Methode vorstellen

1. Rayleighs Urteil
Die größte Wellenaberration zwischen der tatsächlichen Wellenoberfläche und der idealen Wellenoberfläche beträgt nicht mehr als 1/4 Wellenlänge. Es ist eine strengere Methode, um die Bildqualität zu bewerten, die für kleine Aberration System, wie Teleskop, Mikro-Objektiv und so weiter geeignet ist.

2. Auflösung
Auflösung bezieht sich auf die Fähigkeit des optischen Systems, die Objektdetails zu unterscheiden. Wenn das Zentrum des Beugungsbildes eines Punktes mit dem ersten dunklen Ring eines anderen Punktes übereinstimmt, ist es genau die Grenze der beiden Punkte, die getrennt werden können.

3. Diapoint
Wenn viel von einem Punkt emittiertes Licht durch das optische System läuft, wird die Aberration bewirken, dass der Schnittpunkt zwischen dem Licht und der Bildebene nicht auf den gleichen Punkt fokussiert wird und eine verteilte Grafik in einem bestimmten Bereich, dem Diapunkt, erzeugt. Es wird normalerweise als praktischer und effektiver Dispersionsfleck mit einer Konzentration von mehr als 30% Punkten oder einem Lichtkreis verwendet. Der Kehrwert seines Durchmessers ist die Zahl, die vom System unterschieden wird. Es wird im Allgemeinen verwendet, um das System mit großer Aberration zu bewerten.

4. Optische Übertragungsfunktion
Diese Methode basiert auf der Theorie, dass das Objekt aus dem Spektrum mit einer Vielzahl von Frequenzen besteht, das heißt, die Helligkeitsverteilungsfunktion des Objekts erweitert sich wie die Fourier-Reihe oder das Fourier-Integral. Das optische System wird als lineares invariantes System betrachtet, so dass das Bild eines Objekts durch ein optisches System als die Übertragung einer Reihe von linearen Systemen mit unterschiedlichen Frequenzen angesehen werden kann. Die Übertragung ist gekennzeichnet durch die gleiche Frequenz, aber abnehmender Kontrast, die bewegte Phase auf eine bestimmte Frequenz. Die Abnahme des Kontrastes und die Änderung der Phase variieren mit der Frequenz, und die Beziehung zwischen ihnen wird optische Übertragungsfunktion genannt. Da die optische Übertragungsfunktion auf die Bilddifferenz bezogen ist, kann sie zur Bewertung der Abbildungsqualität des optischen Systems verwendet werden. Es ist objektiv, zuverlässig und einfach zu berechnen und zu messen. Es wird nicht nur zur Auswertung der Ergebnisse des optischen Designs verwendet, sondern auch zur Kontrolle aller Aspekte des optischen Systemdesigns, der optischen Linseninspektion und des Prozesses des allgemeinen Designs.
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Der Entwurfsunterschied zwischen verschiedenen Arten von Objektiv

I. Kameraobjektiv
Die optischen Eigenschaften des Kameraobjektivs können durch drei Parameter dargestellt werden: die Brennweite des Kameraobjektivs F ', die relative Apertur D / f' und der Bildfeldwinkel (2 Omega). In der Tat, in Bezug auf 135 Kameras wurde sein Standardrahmen als 24mm X 36mm bestimmt, die diagonale Länge ist 2D = 43,266. Aus der folgenden Tabelle können wir sehen, dass es eine Beziehung zwischen der Brennweite der Kameralinse und dem Bildfeldwinkel f 'gibt: tgω' = D / f '
In dieser Formel: 2D - diagonale Länge des Rahmens;
F'-Brennweite der Linse.

Ein weiteres wichtiges optisches Merkmal des Kameraobjektivs ist die relative Blende. Es stellt die Fähigkeit der Linse dar, durch das Licht zu gehen, ausgedrückt in D / f '. Sie ist definiert als das Verhältnis des Linsenöffnungsdurchmessers (auch als Pupillendurchmesser bekannt) D und der Linsenbrennweite F '. Der Kehrwert der relativen Apertur ist bekannt als der Aperturfaktor oder die Apertur der Linse, auch bekannt als F, das heißt F = f '/ D. Wenn die Brennweite F 'fest ist, ist F umgekehrt proportional zum Pupillendurchmesser D. Da die Fläche des Lichts proportional zum Quadrat von D ist, ist die Lichtfläche umso größer, je größer die Fläche des Lichts ist Linse. Wenn die Anzahl der Öffnungen im kleinsten Wert ist, ist das Loch daher in seinem größten Wert, der Lichtstrom ist auch der größte. Mit der Zunahme der Anzahl der Öffnungen wird das Lichtloch kleiner und der Lichtstrom nimmt ab. Wenn Sie nicht den Einfluss von verschiedenen Objektiven mit Transmissionsdifferenzen berücksichtigen, egal wie lang die Objektivbrennweite ist, unabhängig davon, wie weit der Blendenöffnungsdurchmesser ist, so lange die Blendenwerte gleich sind, haben sie den gleichen Lichtstrom . Verglichen mit dem Kameraobjektiv ist F ein sehr wichtiger Parameter, je kleiner der F-Wert, desto größer ist der Umfang des Objektivs.
Verglichen mit dem visuellen optischen System haben Kameralinsen eine große relative Apertur und ein großes Sichtfeld, so dass fast alle sieben Arten von Aberration korrigiert werden müssen, um das klare und Objektebenen-ähnliche Bild auf der gesamten Bildebene zu sehen . Die Auflösung der fotografischen Objektivlinse ist eine umfassende Reflexion der relativen Apertur- und Aberrationsrückstände. Nachdem die relative Apertur bestimmt ist, wird das optimale Fehlerkorrekturschema entwickelt, das die Anforderungen erfüllen kann und leicht zu realisieren ist. Aus praktischen Gründen wird der Streu-Radius häufig verwendet, um die Größe der Aberration zu messen, und die optische Übertragungsfunktion wird verwendet, um die Bildqualität zu bewerten.

In den letzten Jahren ist das aufsteigende Digitalkameraobjektiv in Bezug auf Designbewertung und Eigenschaften ähnlich dem traditionellen Kameralinsen, der Hauptunterschied ist:
1 relative Öffnung ist größer als herkömmliche Kamera.
2 kurze Brennweite bewirkt, dass die Schärfentiefe zunimmt. Entsprechend der Größe des Feldwinkels können wir das Äquivalent des herkömmlichen Brennweitenwerts der Kameralinse F '= 43,266 / (2 * tg) berechnen.
3 hohe Auflösung, entsprechend der Größe des PIXEL in der photoelektrischen Vorrichtung, erreicht das allgemeine digitale optische Objektivdesign 1 / (Linie) Paare.

II. Das Projektionsobjektiv
Die Projektionslinse bezieht sich auf das beleuchtete Objekt, das ein helles und klares Bild auf dem Bildschirm bildet. Im Allgemeinen ist der Bildabstand viel größer als die Brennweite, so dass die Objektebene nahe der Brennebene der Projektionslinse ist .
Die Vergrößerung der Projektionslinse ist ein wichtiger Parameter der Messgenauigkeit, der Aperturgröße, des Beobachtungsbereichs und der Strukturgröße.
Je größer die Vergrößerung, desto höher die Genauigkeit der Messung, desto größer die Apertur des Objektivs. Wenn der Arbeitsabstand ein konstanter Wert ist, ist die Größe des Projektionssystems um so größer, je größer die Vergrößerung ist. Nach der Kenntnis der Optik ist die Beleuchtung des Bildzentrums proportional zum Quadrat der relativen Apertur. So kann das Verfahren zum Erhöhen der relativen Apertur verwendet werden, um die Beleuchtung der Bildoberfläche zu erhöhen.

Der Unterschied zwischen dem Projektionsobjektiv im Flüssigkristallprojektor und dem herkömmlichen Projektionsobjektiv:
1 größere relative Öffnung.
2 Pupille Abstand ist länger, muss als Jinyuanxinlight Weg ausgelegt werden.
3 langer Arbeitsabstand.
4 hohe Auflösung.
5 hohe Verzerrungsanforderungen
Die oben genannten Punkte bewirken, dass das Projektionsobjektiv, das für LCD-Projektoren verwendet wird, viel komplexer ist als das herkömmliche, es sind ungefähr 10 Objektive im Vergleich zu den herkömmlichen 3 Objektiven.

III. F-Theta-Objektive
F-Theta-Linsen können durch drei optische Eigenschaften dargestellt werden, dh relative Apertur, Vergrößerung und konjugierte Distanz. Die Vergrößerung ist ein wichtiger Index für F-Theta-Objektive . Da die Objektgröße fest ist, gilt: Je kleiner die Vergrößerung ist, desto kleiner ist die Bildebene, desto kürzer ist die Brennweite. So kann die Struktur des Abtastsystems kleiner gemacht werden, aber die Auflösung der Linse muss höher sein. Der Konjugatabstand bezieht sich auf die Länge des Objektivbildes. Je länger die Linse und je kürzer das Konjugat ist, desto schwieriger ist das Design der Linse. Das schematische Diagramm ist wie ein fotografisches Objektiv ein Verengungsprozess.

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Designmerkmale von F-Theta Objektiven:

1 F-Theta-Objektive gehören zu einer kleinen Blende, kleiner Aberrationsumfang. Es hat hohe Anforderungen an die optische Auflösung.
2 aufgrund der photoelektrischen Gerät, korrigiert es nicht nur die weiße (Mischlicht) Aberration, sondern müssen auch die R, G, B drei unabhängige Wellenlängenaberration zu berücksichtigen.
3 strikt korrigierte Verzerrungsaberration.


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