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Diseño de sistema óptico

El uso de cualquier tipo de instrumentos ópticos y las condiciones de uso ciertamente exigirán su sistema óptico. Por lo tanto, debemos comprender sus requisitos para el sistema óptico antes de llevar a cabo el diseño óptico. Estos requisitos se resumen en los siguientes aspectos.

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I. La característica fundamental del sistema óptico
La característica fundamental del sistema óptico es: apertura numérica o apertura relativa; campo lineal o ángulo de campo; ampliación de sistemas o longitud focal. Además, hay algunas características relacionadas, como el tamaño y la ubicación de la pupila, la distancia de trabajo y la distancia conjugada.

II. La dimensión general de los sistemas
Las dimensiones generales del sistema, es decir, las dimensiones horizontal y vertical del sistema. En el diseño de sistemas ópticos complejos. Es imperativo que los diseñadores definan correctamente la compatibilidad de los grupos de elementos ópticos pupila.

III. Calidad de imagen
Requisitos de calidad de imagen relacionados con el uso de sistemas ópticos. Clasificado por el uso de las aplicaciones, existen diferentes requisitos de calidad de imagen en diferentes sistemas ópticos . Para el sistema de telescopio y el microscopio general, es necesario tener una buena calidad de imagen solo en el campo central de visión. Pero para la lente fotográfica, se necesita el requisito de buena calidad para cumplir en todo el campo de visión.

IV. Las condiciones de uso del instrumento
Cuando proponemos que la demanda del sistema óptico sea la función del, debemos considerar la posibilidad de la realización de aspectos tanto técnicos como físicos. Tal como el aumento biológico debe caber en el rango de estar entre 500NA≤≤≤000NA, cuando desarrollamos el sistema de telescopio, en términos de considerar la ampliación visual del telescopio, el límite de resolución de ambos sistemas telescópicos y los ojos humanos deben tomarse en consideración.

El proceso de diseño del sistema óptico
El diseño del sistema óptico es el proceso de determinar una variedad de datos en función de las condiciones de uso y cumple con los requisitos de uso de calidad de la imagen de la aplicación, que es determinar los parámetros de rendimiento del sistema óptico, las dimensiones generales y la estructura del grupo de elementos ópticos , etc. Por lo tanto, el proceso de diseño óptico se puede dividir en 4 etapas: el cálculo de la dimensión, el cálculo de la estructura inicial, la corrección y el equilibrio de la aberración y la evaluación de la calidad de la imagen.
I. El cálculo del tamaño total

En esta etapa, necesitamos diseñar el principio de diseño del sistema óptico, determinar las propiedades ópticas básicas, que cumplirán con un requisito técnico determinado, es decir, la ampliación o distancia focal, campo lineal o ángulo de campo, apertura numérica o apertura relativa , distancia conjugada, después de la distancia de trabajo de la posición del diafragma y la dimensión externa, etc. Por lo tanto, esta etapa a menudo se denomina cálculo de la dimensión general. En general, calculamos las dimensiones generales de acuerdo con la teoría del sistema óptico perfecto y la fórmula de cálculo. Y en el proceso, se debe considerar la estructura mecánica y el sistema eléctrico para evitar que ocurra una estructura inviable. La determinación de cada actuación debe ser razonable, si es demasiado alta, los resultados del diseño se desperdiciarán, si es demasiado baja, el diseño no cumplirá con los requisitos, por lo que este paso debe considerarse cuidadosamente.

II. El cálculo y la selección de la estructura inicial
Los siguientes dos métodos se usan generalmente para determinar la estructura inicial:
1. Resuelve la teoría de la aberración primaria según la estructura inicial.
El método para resolver la estructura inicial se basa en las características fundamentales calculadas a partir de las dimensiones generales, y la teoría de la aberración primaria se usa para resolver la estructura inicial que cumple con los requisitos de calidad de la imagen.
2. Resuelva la estructura inicial del documento existente
Este es un método práctico y fácil de lograr. Por lo tanto, es ampliamente utilizado por muchos diseñadores ópticos. Pero requiere que los diseñadores tengan una comprensión profunda de la teoría de la óptica y una amplia experiencia en diseño. Solo esto, puede elegir una estructura inicial simple y exigente de una amplia gama de estructuras. La elección de la estructura inicial es la base del diseño de la lente. Una mala estructura inicial, no importa cuán bueno sea el proceso de diseño automático y los diseñadores experimentados no pueden hacer que el diseño tenga éxito.

III. La corrección de la aberración y el equilibrio
Después de seleccionar la estructura inicial, la ruta óptica se calcula en la computadora con el programa de cálculo óptico y se calculan todas las curvas de aberración y aberración. De acuerdo con el análisis de los datos de aberración, es posible descubrir qué aberración es la principal influencia en la calidad de la imagen del sistema óptico. Y luego, podemos descubrir los métodos modificados y corregir la aberración. El análisis y balance de diferencia de imagen es un proceso iterativo hasta que se cumplan los requisitos de calidad de imagen.

IV. La evaluación de la calidad de la imagen
La calidad de imagen del sistema óptico está relacionada con el tamaño de la aberración. El propósito del diseño óptico es corregir la aberración del sistema óptico. Sin embargo, no es posible que ningún sistema óptico ajuste todas las aberraciones a cero, y la existencia de una aberración residual es inevitable. Por lo tanto, el diseñador óptico debe tener conocimiento del valor de tolerancia del residual del sistema óptico y la tolerancia a la aberración, a fin de juzgar la calidad de imagen del sistema óptico de acuerdo con la aberración residual. Existen muchos métodos para evaluar la calidad de la imagen del sistema óptico. Vamos a presentar brevemente el método de evelación de aberración

1. El juicio de Rayleigh
La aberración de onda más grande entre la superficie de onda real y la superficie de onda ideal no es más de 1/4 de longitud de onda. Es un método más riguroso para evaluar la calidad de la imagen, que es adecuada para un sistema de aberración pequeño, como telescopio, microobjetivo, etc.

2. Resolución
La resolución se refiere a la capacidad del sistema óptico en términos de distinguir los detalles del objeto. Cuando el centro de la imagen de difracción de un punto coincide con el primer anillo oscuro de otro punto, es precisamente el límite de los dos puntos que se puede separar.

3. Diabolo
Cuando una gran cantidad de luz emitida por un punto pasa por el sistema óptico, la aberración hará que la intersección entre la luz y el plano de la imagen no se enfoque en el mismo punto y forme gráficos dispersos dentro de un cierto rango, llamado diapo. Usualmente se usa como un lugar de dispersión práctico y efectivo con una concentración de más del 30% de puntos o un círculo de luz. El recíproco de su diámetro es el número que distingue el sistema. Generalmente se usa para evaluar el gran sistema de aberración.

4. Función de transferencia óptica
Este método se basa en la teoría de que el objeto está compuesto por el espectrograma con variedad de frecuencias, es decir, la función de distribución del brillo del objeto se expande como la serie de Fourier o la integral de Fourier. El sistema óptico se considera como un sistema lineal invariante, de modo que la imagen de un objeto a través de un sistema óptico puede considerarse como la transmisión de una serie de sistemas lineales con diferentes frecuencias. La transmisión se caracteriza por la misma frecuencia, pero el contraste decreciente, la fase de movimiento a una determinada frecuencia. La disminución del contraste y el cambio de fase varían con la frecuencia, y la relación entre ellos se denomina función de transferencia óptica. Debido a que la función de transferencia óptica está relacionada con la diferencia de imagen, se puede utilizar para evaluar la calidad de imagen del sistema óptico. Es objetivo, confiable y fácil de calcular y medir. No solo se usa para evaluar los resultados del diseño óptico, sino también para controlar todos los aspectos del diseño del sistema óptico, la inspección óptica del lente y el proceso de diseño general.
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La diferencia de diseño entre diferentes tipos de lentes

I. Lente de la cámara
Las propiedades ópticas de la lente de la cámara se pueden representar mediante tres parámetros: la distancia focal de la lente de la cámara F ', la apertura relativa D / f' y el ángulo de campo (2 Omega). De hecho, en términos de 135 cámaras, su marco estándar se ha determinado como 24 mm X 36 mm, la longitud diagonal es 2D = 43.266. De la siguiente tabla podemos ver que hay una relación entre la distancia focal de la lente de la cámara y el ángulo de campo f ': tgω' = D / f '
En esta fórmula: 2D: longitud diagonal del marco;
F'- distancia focal de la lente.

Otra característica óptica importante de la lente de la cámara es la apertura relativa. Representa la capacidad de la lente para pasar a través de la luz, expresada en D / f '. Se define como la relación entre el diámetro de apertura del objetivo (también conocido como diámetro de la pupila) D y la distancia focal del objetivo F '. El recíproco de la apertura relativa se conoce como el factor de apertura o apertura de la lente, también conocido como F, es decir, F = f '/ D. Cuando la longitud focal F'se fija, la F es inversamente proporcional al diámetro de la pupila D. Debido a que el área de la luz es proporcional al cuadrado de la D, cuanto mayor sea el área de la luz, mayor será el flujo luminoso de la pupila. lente. Por lo tanto, cuando el número de aperturas está en el valor más pequeño, el agujero está en su valor más grande, el flujo luminoso es también el más grande. Con el aumento del número de aperturas, el agujero de luz se reduce y el flujo luminoso disminuye. Si no considera el impacto de diferentes lentes con diferencias de transmitancia, independientemente de la longitud focal de la lente, independientemente de qué tan lejos esté el diámetro de la abertura del objetivo, siempre que los valores de apertura sean los mismos, tienen el mismo flujo luminoso. . En comparación con la lente de la cámara, F es un parámetro muy importante, cuanto menor es el valor de F, más amplio es el alcance de la lente.
En comparación con el sistema óptico visual, la lente de la cámara tiene una gran apertura relativa y un gran campo de visión, por lo tanto, para ver la imagen similar del plano claro y del objeto en todo el plano de la imagen, casi todos los siete tipos de aberración deben corregirse . La resolución de la lente objetivo fotográfica es un reflejo integral de la apertura relativa y el residuo de aberración. Después de determinar la apertura relativa, se desarrolla el esquema de corrección de errores óptimo, que puede cumplir los requisitos y es fácil de realizar. Para mayor comodidad, el radio de dispersión dispersa se usa a menudo para medir el tamaño de la aberración, y la función de transferencia óptica se usa para evaluar la calidad de la imagen.

En los últimos años, la lente de la cámara digital en aumento es similar a la lente de la cámara tradicional en los aspectos de la evaluación del diseño y las propiedades, la principal diferencia es:
1 apertura relativa es más grande que la cámara tradicional.
2 distancias focales cortas provocan que la profundidad de campo aumente. De acuerdo con el tamaño del ángulo de campo, podemos calcular el equivalente del valor de longitud focal del objetivo de la cámara tradicional F '= 43.266 / (2 * tg).
3 de alta resolución, de acuerdo con el tamaño del PIXEL en el dispositivo fotoeléctrico, el diseño óptico general de la lente digital logrará pares de 1 / (línea).

II. La lente de proyección
La lente de proyección se refiere a que el objeto iluminado formará una imagen brillante y clara en la pantalla. En términos generales, la distancia de la imagen es mucho mayor que la distancia focal, por lo que el plano del objeto está cerca del plano focal de la lente de proyección .
La ampliación de la lente de proyección es un parámetro importante de la precisión de la medición, el tamaño de la abertura, el rango de observación y el tamaño estructural.
Cuanto mayor sea el aumento, mayor será la precisión de la medición, mayor será la apertura de la lente. Cuando la distancia de trabajo es de valor constante, cuanto mayor sea el aumento, cuanto mayor sea la distancia conjugada, mayor será el tamaño del sistema de proyección. De acuerdo con el conocimiento de la óptica, la iluminación del centro de la imagen es proporcional al cuadrado de la apertura relativa. Por lo tanto, el método para aumentar la apertura relativa se puede usar para aumentar la iluminación de la superficie de la imagen.

La diferencia entre la lente de proyección utilizada en el proyector de cristal líquido y el objetivo de proyección tradicional:
1 apertura relativa más grande.
La distancia de 2 pupilas es más larga, debe diseñarse como la ruta Jinyuanxinlight.
3 larga distancia de trabajo.
4 de alta resolución.
5 requisitos de alta distorsión
Los puntos anteriores hacen que el objetivo de proyección utilizado para los proyectores LCD sea mucho más complejo que el tradicional. Se trata de 10 objetivos en comparación con los 3 objetivos tradicionales.

III. Lentes F-theta
Las lentes F-theta se pueden representar mediante tres propiedades ópticas, es decir, apertura relativa, aumento y distancia conjugada. La ampliación es un índice importante de las lentes F-theta , porque el tamaño del objeto es fijo, cuanto menor es la ampliación, cuanto más pequeño es el plano de la imagen del objetivo, más corta es la distancia focal. Entonces la estructura del sistema de escaneo puede hacerse más pequeña, pero la resolución de la lente requiere ser más alta. La distancia del conjugado se refiere a la longitud de la imagen del objetivo. Para la lente, cuanto más larga es la lente y más corto es el conjugado, más difícil es el diseño de la lente. El diagrama esquemático, como un objetivo fotográfico, es un proceso de estrechamiento.

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Características de diseño de las lentes F-theta:

1 lente F-theta pertenece a una pequeña abertura, alcance de aberración pequeño. Tiene altos requisitos de resolución óptica.
2 debido al dispositivo fotoeléctrico, no solo corrige la aberración blanca (luz mezclada), sino que también necesita considerar la R, G, B aberración de longitud de onda independiente.
3 aberraciones de distorsión estrictamente corregidas.


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