Optisches Systemdesign

Der Einsatz jeglicher Art von optischen Instrumenten und die Einsatzbedingungen stellen sicherlich Anforderungen an sein optisches System. Daher müssen wir seine Anforderungen an das optische System verstehen, bevor wir das optische Design durchführen. Diese Anforderungen sind in den folgenden Aspekten zusammengefasst.

I. Die grundlegende Eigenschaft des optischen Systems
Das grundlegende Merkmal des optischen Systems ist: Numerische Apertur oder relative Apertur; lineares Feld oder Feldwinkel; Systemvergrößerung oder Brennweite. Darüber hinaus gibt es einige verwandte Merkmale, wie z. B. die Größe und Position der Pupille, den Arbeitsabstand und den konjugierten Abstand.

II. Die Gesamtdimension der Systeme
Die Gesamtabmessungen des Systems, d. h. die horizontalen und vertikalen Abmessungen des Systems. Beim Design komplexer optischer Systeme. Es ist zwingend erforderlich, dass Designer die Kompatibilität von Schülergruppen optischer Elemente korrekt definieren.

III. Bildqualität
Anforderungen an die Bildqualität in Bezug auf die Verwendung optischer Systeme. Klassifiziert nach Verwendung der Anwendungen gibt es unterschiedliche Anforderungen an die Abbildungsqualität auf verschiedenen optischen Systemen. Für das Teleskopsystem und das allgemeine Mikroskop ist es erforderlich, nur im zentralen Gesichtsfeld eine gute Bildqualität zu haben. Aber für das fotografische Objektiv muss die Anforderung an eine gute Qualität im gesamten Sichtfeld erfüllt werden.

IV. Die Nutzungsbedingungen des Instruments
Wenn wir vorschlagen, die Anforderung an das optische System zur Funktion des zu machen, müssen wir die Möglichkeit der Realisierbarkeit sowohl technischer als auch physikalischer Aspekte der Realisierung berücksichtigen. Eine solche biologische Vergrößerung sollte in den Bereich von 500 NA ≤ 1000 NA passen. Wenn wir ein Teleskopsystem entwickeln, müssen im Hinblick auf die visuelle Vergrößerung des Teleskops die Auflösungsgrenzen sowohl des Teleskopsystems als auch des menschlichen Auges berücksichtigt werden.

Der Designprozess des optischen Systems
Das Design optischer Systeme ist der Prozess der Bestimmung einer Vielzahl von Daten auf der Grundlage der Nutzungsbedingungen und erfüllt die Anforderungen an die Anwendungsbildqualität, dh die Bestimmung der Leistungsparameter des optischen Systems, der Gesamtabmessungen und der Struktur der Gruppe optischer Elemente usw. Daher kann der optische Designprozess in 4 Phasen unterteilt werden: die Dimensionsberechnung, die anfängliche Strukturberechnung, die Aberrationskorrektur und -balance sowie die Bewertung der Bildqualität.
I. Berechnung der Gesamtgröße

In dieser Phase müssen wir das Konstruktionsprinzip des optischen Systems aufstellen, die grundlegenden optischen Eigenschaften bestimmen, die eine bestimmte technische Anforderung erfüllen, dh die Vergrößerung oder Brennweite, das lineare Feld oder den Feldwinkel, die numerische Apertur oder die relative Apertur , konjugierter Abstand, nach Arbeitsabstand aus Blendenlage und Außenmaß etc.. Daher wird diese Stufe auch oft als Gesamtmaßberechnung bezeichnet. Im Allgemeinen berechnen wir die Gesamtabmessungen gemäß der Theorie des perfekten optischen Systems und der Berechnungsformel. Dabei müssen die mechanische Struktur und das elektrische System berücksichtigt werden, um das Auftreten von nicht realisierbaren Strukturen zu verhindern. Die Bestimmung jeder Leistung muss angemessen sein, ist sie zu hoch, werden die Designergebnisse verschwendet, ist sie zu niedrig, wird das Design nicht den Anforderungen entsprechen, daher muss dieser Schritt sorgfältig abgewogen werden.

II. Die Berechnung und Auswahl der Ausgangsstruktur
Zur Bestimmung der Ausgangsstruktur werden üblicherweise die beiden folgenden Methoden verwendet:
1． Lösen Sie die primäre Aberrationstheorie nach der Ausgangsstruktur.
Das Verfahren zum Lösen der Anfangsstruktur basiert auf den grundlegenden Eigenschaften, die aus den Gesamtabmessungen berechnet werden, und die primäre Aberrationstheorie wird verwendet, um die Anfangsstruktur zu lösen, die die Anforderungen an die Bildqualität erfüllt.
2．Löse die Anfangsstruktur aus dem bestehenden Dokument
Dies ist eine praktische und einfach zu erreichende Methode. Daher wird es von vielen optischen Designern häufig verwendet. Aber es erfordert, dass Designer ein tiefes Verständnis der Theorie der Optik haben und über einen reichen Erfahrungsschatz im Design verfügen. Nur so kann er aus einer Vielzahl von Strukturen eine einfache und anspruchsvolle Ausgangsstruktur herausgreifen. Die Wahl der Ausgangsstruktur ist die Basis des Linsendesigns. Eine schlechte Anfangsstruktur, egal wie gut der automatische Designprozess und erfahrene Designer können das Design nicht erfolgreich machen.

III. Die Aberrationskorrektur und Balance
Nachdem die Anfangsstruktur ausgewählt ist, wird der optische Weg auf dem Computer mit dem optischen Berechnungsprogramm berechnet und die gesamte Aberration und die Aberrationskurven werden berechnet. Anhand der Analyse der 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 -ausgleich ist ein iterativer Prozess, bis die Anforderungen an die Bildqualität erfüllt sind.

IV. Die Bildqualitätsbewertung
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 keinem optischen System möglich, alle Aberrationen auf Null einzustellen, und das Vorhandensein einer Rest-Aberration ist unvermeidlich. Daher muss der Optikdesigner den Toleranzwert des Rests des optischen Systems und die Aberrationstoleranz kennen, um die Abbildungsqualität des optischen Systems gemäß der Restaberration zu beurteilen. Es gibt viele Methoden, um die Abbildungsqualität des optischen Systems zu bewerten. Wir stellen kurz die Aberrationsevelationsmethode vor

1. Rayleighs Urteil
Die größte Wellenabweichung zwischen der tatsächlichen Wellenoberfläche und der idealen Wellenoberfläche beträgt nicht mehr als 1/4 Wellenlänge. Es ist eine strengere Methode zur Bewertung der Bildqualität, die für kleine Aberrationssysteme wie Teleskope, Mikroobjektive usw. geeignet ist.

2. Auflösung
Die Auflösung bezieht sich auf die Fähigkeit des optischen Systems, die Details des Objekts zu unterscheiden . Wenn der Mittelpunkt des Beugungsbildes eines Punktes mit dem ersten dunklen Ring eines anderen Punktes zusammenfällt, ist es genau die Grenze der beiden Punkte, die getrennt werden kann.

3. Diapunkt
Wenn viel von einem Punkt emittiertes Licht durch das optische System geht, führt die Aberration dazu, dass der Schnittpunkt zwischen dem Licht und der Bildebene nicht auf denselben Punkt fokussiert wird und innerhalb eines bestimmten Bereichs eine zerstreute Grafik entsteht, die als Diapunkt bezeichnet wird. Es wird normalerweise als praktischer und effektiver Streuspot mit einer Konzentration von mehr als 30% Punkten oder einem Lichtkreis verwendet. Der Kehrwert seines Durchmessers ist die vom System unterschiedene Zahl. Es wird im Allgemeinen verwendet, um das große Aberrationssystem zu bewerten.

4.  Optische Übertragungsfunktion
Dieses Verfahren basiert auf der Theorie, dass das Objekt aus den Spektren mit verschiedenen Frequenzen zusammengesetzt ist, das heißt, dass sich die Helligkeitsverteilungsfunktion des Objekts als die Fourier-Reihe oder das Fourier-Integral ausdehnt. Das optische System wird als lineares invariantes System betrachtet, sodass die Abbildung eines Objekts durch ein optisches System als Übertragung einer Reihe von linearen Systemen mit unterschiedlichen Frequenzen angesehen werden kann. Die Übertragung zeichnet sich durch gleiche Frequenz, aber abnehmenden Kontrast aus, die sich um eine bestimmte Frequenz bewegende Phase. Die Abnahme des Kontrasts und die Phasenänderung variieren mit der Frequenz, und die Beziehung zwischen ihnen wird als optische Übertragungsfunktion bezeichnet. Da die optische Übertragungsfunktion mit der Bilddifferenz zusammenhängt, kann sie zur Bewertung der Abbildungsqualität des optischen Systems verwendet werden. Es ist objektiv, zuverlässig und leicht zu berechnen und zu messen. Es dient nicht nur zur Auswertung der Ergebnisse des Optikdesigns, sondern auch zur Kontrolle aller Aspekte des Optiksystemdesigns, der Inspektion optischer Linsen und des allgemeinen Designprozesses.

Der Designunterschied zwischen verschiedenen Arten von Objektiven

I. Kameraobjektiv
Die optischen Eigenschaften des Kameraobjektivs lassen sich durch drei Parameter darstellen: die Brennweite des Kameraobjektivs F', die relative Apertur D/f' und den Feldwinkel (2 Omega). Tatsächlich wurde bei 135 Kameras sein Standardrahmen auf 24 mm x 36 mm festgelegt, die diagonale Länge beträgt 2 D = 43,266. Aus der folgenden Tabelle können wir entnehmen, dass zwischen der Brennweite des Kameraobjektivs und dem Bildfeldwinkel f' ein Zusammenhang besteht: tgω'=D/f'
In dieser Formel: 2D - diagonale Rahmenlänge;
F'- Brennweite des Objektivs.

Ein weiteres wichtiges optisches Merkmal des Kameraobjektivs ist die relative Öffnung. Es stellt die Fähigkeit der Linse dar, das Licht durchzulassen, ausgedrückt in D/f'. Sie ist definiert als das Verhältnis des Blendendurchmessers (auch bekannt als Pupillendurchmesser) D und der Brennweite F' der Linse. Der Kehrwert der relativen Öffnung ist als Öffnungsfaktor oder Blende des Objektivs bekannt, auch bekannt als F, d. h. F = f'/D. Wenn die Brennweite F' festgelegt ist, ist F umgekehrt proportional zum Pupillendurchmesser D. Da die Fläche des Lichts proportional zum Quadrat von D ist, ist der Lichtstrom umso größer, je größer die Fläche des Lichts ist Linse. Wenn daher die Anzahl der Öffnungen den kleinsten Wert hat, hat das Loch seinen größten Wert, und der Lichtstrom ist auch am größten. Mit zunehmender Anzahl von Öffnungen wird das Lichtloch kleiner und der Lichtstrom nimmt ab. Wenn Sie die Auswirkungen verschiedener Objektive mit Transmissionsunterschieden nicht berücksichtigen, haben sie unabhängig von der Brennweite des Objektivs und dem Öffnungsdurchmesser des Objektivs den gleichen Lichtstrom, solange die Blendenwerte gleich sind . Verglichen mit dem Kameraobjektiv ist F ein sehr wichtiger Parameter, je kleiner der F-Wert, desto größer der Umfang des Objektivs.
Verglichen mit dem visuellen optischen System hat das Kameraobjektiv eine große relative Apertur und ein großes Sichtfeld, daher müssen fast alle sieben Arten von Aberration korrigiert werden, um ein klares und der Objektebene ähnliches Bild auf der gesamten Bildebene zu sehen . Die Auflösung des fotografischen Objektivs ist ein umfassendes Spiegelbild der relativen Apertur und des Aberrationsrests. Nachdem die relative Apertur bestimmt ist, wird das optimale Fehlerkorrekturschema entwickelt, das die Anforderungen erfüllen kann und einfach zu realisieren ist. Der Einfachheit halber wird häufig der Streufleckradius 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 aufstrebende Digitalkameraobjektiv dem traditionellen Kameraobjektiv in Bezug auf Designbewertung und Eigenschaften ähnlich, der Hauptunterschied ist:
1 relative Blende ist größer als herkömmliche Kameras.
2 kurze Brennweite bewirkt, dass die Schärfentiefe zunimmt. Je nach Größe des Feldwinkels können wir das Äquivalent des traditionellen Kameraobjektiv-Brennweitenwerts F '=43,266/ (2*tg) berechnen.
3 hohe Auflösung, entsprechend der Größe des PIXELS im photoelektrischen Gerät erreicht das allgemeine digitale optische Linsendesign 1/ (Zeile) Paare.

II. Das Projektionsobjektiv
Das Projektionsobjektiv bezieht sich auf das beleuchtete Objekt, das ein helles und klares Bild auf der Leinwand erzeugt. Im Allgemeinen ist der Bildabstand viel größer als die Brennweite, sodass sich die Objektebene in der Nähe der Brennebene des Ziels Projektionsobjektiv.
Die Vergrößerung des Projektionsobjektivs ist ein wichtiger Parameter für die Messgenauigkeit, Blendengröße, Beobachtungsreichweite und Baugröße.
Je größer die Vergrößerung, desto höher die Genauigkeit der Messung, desto größer die Apertur des Objektivs. Wenn der Arbeitsabstand ein konstanter Wert ist, je größer die Vergrößerung ist, desto größer ist der konjugierte Abstand, desto größer ist die Größe des Projektionssystems. Nach den Erkenntnissen der Optik ist die Ausleuchtung des Bildzentrums proportional zum Quadrat der relativen Apertur. So kann die Methode der Vergrößerung der relativen Apertur dazu verwendet werden, die Ausleuchtung der Bildfläche zu erhöhen.

Der Unterschied zwischen der in Flüssigkristallprojektoren verwendeten Projektionslinse und dem herkömmlichen Projektionsobjektiv:
1 größere relative Apertur.
2 Pupillenabstand ist länger, muss als Jinyuanxinlight-Pfad ausgelegt werden.
3 langer Arbeitsabstand.
4 hohe Auflösung.
5 hohe Verzerrungsanforderungen
Die oben genannten Punkte führen dazu, dass das für LCD-Projektoren verwendete Projektionsobjektiv viel komplexer ist als das herkömmliche. Es sind etwa 10 Linsen im Vergleich zu den herkömmlichen 3 Linsen.

III. F-Theta-Objektive
F-Theta-Linsen können durch drei optische Eigenschaften dargestellt werden, d. h. relative Apertur, Vergrößerung und konjugierter Abstand. Die Vergrößerung ist ein wichtiges Maß für F-theta-Objektive, denn die Objektgröße ist fester, je kleiner die Vergrößerung ist , je kleiner die Bildebene des Objektivs ist, desto kürzer ist die Brennweite . Daher kann die Struktur des Scansystems kleiner gemacht werden, aber die Auflösung des Objektivs muss höher sein. Der konjugierte Abstand bezieht sich auf die Länge des objektiven Bildes. Je länger das Objektiv und je kürzer das Konjugat, desto schwieriger ist das Design des Objektivs. Das schematische Diagramm ist wie ein fotografisches Objektiv ein Verengungsprozess.

Konstruktionsmerkmale von F-Theta-Objektiven:

1 F-Theta-Objektive gehören zu einem Bereich mit kleiner Blende und kleiner Aberration. Es stellt hohe Anforderungen an die optische Auflösung.
2 wegen des photoelektrischen Geräts korrigiert es nicht nur die Weißaberration (Mischlicht), sondern muss auch die unabhängige Wellenlängenaberration von R, G, B drei berücksichtigen.
3 streng korrigierte Verzerrung Aberration.