광학 렌즈 설계

Optical lens design

광학렌즈 설계는 비용 및 제조제한을 포함한 일련의 성능요건 및 제약조건을 충족하도록 렌즈를 설계하는 과정입니다.파라미터에는 표면 프로파일 타입(구면, 비구면, 홀로그래픽, 회절 등)뿐만 아니라 곡률 반경, 다음 표면과의 거리, 재료 유형 및 선택적으로 틸트 및 디플렉터가 포함된다.이 과정은 광선 추적 또는 다른 기술을 사용하여 렌즈가 렌즈를 통과하는 빛에 어떻게 영향을 미치는지 모델링하는 계산 집약적입니다.

설계 요건

퍼포먼스 요건은 다음과 같습니다.

  1. 광학 퍼포먼스(화질):이는 동그라미된 에너지, 변조 전달 기능, Strehl 비율, 고스트 반사 제어, 동공 성능(크기, 위치 및 수차 제어)을 포함한 다양한 메트릭으로 수량화됩니다. 영상 품질 메트릭의 선택은 애플리케이션에 [1][2][citation needed]따라 달라집니다.
  2. 중량, 정적 볼륨, 동적 볼륨, 무게 중심 및 전체 구성 요건과 같은 물리적 요건.
  3. 환경 요건: 온도, 압력, 진동 및 전자파 차폐 범위.

설계 제약에는 사실적인 렌즈 요소 중심과 가장자리 두께, 렌즈 사이의 최소 및 최대 공극, 입구와 출구 각도에 대한 최대 제약, 물리적으로 실현 가능한 유리 굴절률 및 분산 특성이 포함될 수 있습니다.

제조 비용과 배송 일정도 광학 설계의 주요 부분입니다.주어진 치수의 광학 유리 블랭크 가격은 크기, 유리 유형, 지수 균질성 품질 및 가용성에 따라 50배 이상 차이가 날 수 있으며, 일반적으로 BK7이 가장 저렴합니다.주어진 재료의 100–150 mm및/또는 진한 광학적 빈 칸, 가격은 보통 빠르게 물리적 볼륨에 비해 빈 annealing 시간 빈 속에서 허용되는 지수 동질성과 내부 응력 복굴절 수준을 달성해야 하는 때문에 증가한다.유리 빈 칸의 유효성을 얼마나 자주 특정한 유리형 주어진 제조 업체이며 심각하게 제조 비용과 일정에 영향을 미칠 수 있고 있다.

과정

렌즈는 먼저 근축 이론을 사용하여 이미지와 동공의 위치를 지정한 후 실제 표면을 삽입하고 최적화할 수 있습니다.근축 이론은 단순한 경우 생략할 수 있으며 실제 표면을 사용하여 렌즈가 직접 최적화됩니다.렌즈는 먼저 유리 제조업체 카탈로그에 게재된 평균 굴절률 및 분산률(Abe 번호 참조) 특성과 유리 모델 계산을 사용하여 설계됩니다.그러나 실제 유리 블랭크 특성은 이 이상과 다를 수 있습니다. 굴절률은 카탈로그 값과 0.0003 이상 차이가 날 수 있으며 분산은 약간 다를 수 있습니다.이러한 지수 및 분산의 변화는 수정 시스템의 렌즈 초점 위치 및 이미징 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

렌즈 블랭크 제조 공정은 다음과 같습니다.

  1. 원하는 유리 타입의 유리 배치 성분을 분말 상태로 혼합하여
  2. 분말 혼합물을 용광로에서 함께 녹인다.
  3. 배지 균질성을 최대화하기 위해 용융 중에 유체를 추가로 혼합한다.
  4. 렌즈 블랭크에 붓고
  5. 경험적으로 결정된 시간-온도 일정에 따라 소둔됩니다.

유리 블랭크 혈통 또는 "멜트 데이터"는 배치의 다양한 위치에서 작은 정밀 프리즘을 만들고 일반적으로 5개 이상의 파장에서 분광계의 굴절률을 측정하여 주어진 유리 배치에 대해 결정할 수 있습니다.렌즈 설계 프로그램은 선택된 분산 곡선에 용융 데이터를 적합시킬 수 있는 곡선 피팅 루틴을 가지고 있으며, 여기에서 적합 파장 범위 내의 임의의 파장에서의 굴절률을 계산할 수 있다.그런 다음 가능한 경우 측정된 굴절률 데이터를 사용하여 렌즈 설계에서 재최적화 또는 "용융 재합성"을 수행할 수 있습니다.제조될 때, 결과 렌즈 성능은 굴절률에 대한 평균 유리 카탈로그 값을 가정했을 때보다 원하는 요구 조건과 더 밀접하게 일치합니다.

납품 일정은 유리 및 미러 블랭크 가용성과 확보 리드 타임, 프로젝트 시작 전에 정비소에서 제작해야 하는 공구 수, 부품의 제조 공차(더 긴 공차는 더 긴 팹 시간을 의미), 완성된 부품에 도포해야 하는 광학 코팅의 복잡성 등에 의해 영향을 받습니다.렌즈 요소를 셀 및 렌즈 시스템 어셈블리 전체에 장착 또는 접합하는 복잡성, 조립 후 정렬 및 품질 관리 테스트 및 공구 작업.툴링 비용과 배송 일정은 가능한 모든 작업장에서 기존 툴링을 사용하고 제조 공차를 가능한 한 최대화함으로써 줄일 수 있습니다.

렌즈 최적화

단순한 2원소 공기 간격 렌즈는 9개의 변수(곡률 반지름 4개, 두께 2개, 공역 두께 1개, 유리 유형 2개)가 있습니다.넓은 스펙트럼 대역 및 시야에 걸쳐 초점거리 범위 및 현실적인 온도 범위에 걸쳐 보정된 다중 구성 렌즈는 100차원 이상의 복잡한 설계 부피를 가질 수 있다.

이 다차원 공간을 탐색하고 국소 최소값으로 진행할 수 있는 렌즈 최적화 기술은 1940년대부터 제임스 G. 베이커의 초기 작업을 시작으로,[3] 이후 Feder, Wynne,[4] Glatzel,[5] Grey[6] 등에 의해 연구되어 왔다.디지털 컴퓨터가 개발되기 전에 렌즈 최적화는 삼각법과 로그 표를 사용하여 다차원 공간을 통해 2-D 컷을 플롯하는 수동 계산 작업이었다.컴퓨터화된 광선 추적을 통해 렌즈의 성능을 신속하게 모델링할 수 있으므로 디자인 공간을 빠르게 검색할 수 있습니다.이를 통해 디자인 컨셉을 신속하게 개선할 수 있습니다.인기 있는 광학 디자인 소프트웨어로는 Zemax의 Optical Studio, Synopsys의 Code V, Lambda Research의 OSLO 등이 있습니다.대부분의 경우 설계자는 먼저 광학계를 위한 실행 가능한 설계를 선택한 후 수치 모델링을 사용하여 [7]이를 개선해야 합니다.설계자는 시스템에서 최적화된 설계가 모든 요구 사항을 충족하는지 확인하고, 그렇지 않은 경우 프로세스를 조정하거나 재시작합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

메모들

  1. ^ Fischer, Robert E.; Tadic-Galeb, Biljana; Yoder, Paul R. (2008). Optical System Design (2nd ed.). New York: McGraw-Hill. pp. 8, 179–198. ISBN 978-0-07-147248-7.
  2. ^ "Modulation Transfer Function".
  3. ^ D.P. Feder, "자동 광학 설계" 응용 프로그램옵션 2, 1209–1226(1963)
  4. ^ C. G. 윈과 P.Wormell, "Lens Design by Computer", Appl.옵션 2:1223~1238(1963)
  5. ^ "Dr. Erhardt Glatzel (Biography)". The Zeiss Historica Society. Archived from the original on January 27, 2013. Retrieved July 21, 2013.
  6. ^ 그레이, D.S., "렌즈 최적화를 위한 메리트 함수에 공차 감도의 포함", SPIE Vol. 147, 페이지 63-65, 1978.
  7. ^ 피셔(2008), 페이지 171-5.

참고 문헌

  • Smith, Warren J., McGraw-Hill, Inc, 1992, ISBN 0-07-059178-4, 모던 렌즈 디자인
  • Kingslake, Rudolph, 렌즈 디자인 기초, 학술 출판사, 1978
  • 섀넌, 로버트 R., The Art and Science of Optical Design, 캠브리지 대학 출판부, 1997.

외부 링크