Contáctenos

Diseño del sistema óptico

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

18mm-microscopio-objetivo-lente3


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; sistemas de aumento o distancia 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.

tercero Calidad de imagen
Requisitos de calidad de imagen relacionados con el uso de sistemas ópticos. Clasificados según 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 de visión central. Pero para la lente fotográfica, se necesita cumplir con el requisito de buena calidad 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 viabilidad de la realización de los aspectos tanto técnicos como físicos. Tal como el aumento biológico debe encajar en el rango de estar entre 500NA≤Г≤1000NA, cuando desarrollamos un sistema de telescopio, en términos de considerar el aumento visual del telescopio, se debe tener en cuenta el límite de resolución tanto del sistema telescópico como del ojo humano.

El proceso de diseño del sistema óptico
El diseño del sistema óptico es el proceso de determinar una variedad de datos sobre la base de las condiciones de uso y cumplir con los requisitos de uso de calidad de imagen de la aplicación, es decir, 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, debemos redactar el principio de diseño del sistema óptico, determinar las propiedades ópticas básicas que cumplirán con un requisito técnico dado, 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 rendimiento debe ser razonable, si es demasiado alto, los resultados del diseño se desperdiciarán, si es demasiado bajo, el diseño no cumplirá con los requisitos, por lo que este paso debe considerarse cuidadosamente.

II. El Cálculo y Selección de la Estructura Inicial
Los siguientes dos métodos se utilizan generalmente para determinar la estructura inicial:
1. Resuelva 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 utiliza para resolver la estructura inicial que cumple con los requisitos de calidad de imagen.
2.Resolver la estructura inicial a partir del documento existente
Este es un método práctico y fácil de lograr. Por lo que es ampliamente utilizado por muchos diseñadores ópticos. Pero requiere que los diseñadores tengan un conocimiento profundo de la teoría de la óptica y una gran 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 sea exitoso.

tercero La corrección de aberraciones 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 aberraciones y las curvas de aberración. Según el análisis de los datos de aberración, es posible averiguar qué aberración es la principal influencia en la calidad de imagen del sistema óptico. Y luego, podemos descubrir los métodos modificados y corregir la aberración. El análisis y el equilibrio de la diferencia de imagen es un proceso iterativo hasta que se cumplen los requisitos de calidad de imagen.

IV. 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 aberraciones residuales es inevitable. Por lo tanto, el diseñador óptico debe conocer el valor de tolerancia del residual del sistema óptico y la tolerancia de aberración, para juzgar la calidad de imagen del sistema óptico de acuerdo con la aberración residual. Hay muchos métodos para evaluar la calidad de imagen del sistema óptico. Presentaremos brevemente el método de evelación de aberraciones

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 adecuado para sistemas de aberraciones pequeñas, como telescopios, microobjetivos, 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 lo que se puede separar.

3. Diapunto
Cuando mucha luz emitida por un punto atraviesa 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 se formen gráficos dispersos dentro de un cierto rango, llamado diapunto. Suele utilizarse como un práctico y eficaz punto de dispersión con una concentración superior al 30% de puntos o un círculo de luz. El recíproco de su diámetro es el número que distingue el sistema. Generalmente se utiliza para evaluar el sistema de aberraciones grandes.

4. Función de transferencia óptica
Este método se basa en la teoría de que el objeto está compuesto por el espectroa con variedad de frecuencias, es decir, la función de distribución de 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, por lo que la imagen de un objeto a través de un sistema óptico se puede considerar 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 de 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 utiliza para evaluar los resultados del diseño óptico, sino también para controlar todos los aspectos del diseño del sistema óptico, la inspección de lentes ópticas y el proceso de diseño general.
ojo de pez doble

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 de la diagonal es 2D = 43,266. De la siguiente tabla podemos ver que existe 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 atravesar la luz, expresada en D/f'. Se define como la relación entre el diámetro de apertura de la lente (también conocido como diámetro de la pupila) D y la distancia focal de la lente F'. El recíproco de la apertura relativa se conoce como factor de apertura o apertura de la lente, también conocido como F, es decir, F=f'/D. Cuando se fija la distancia focal F', 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 lente. Por lo tanto, cuando el número de aberturas está en el valor más pequeño, el agujero está en su valor más grande, el flujo luminoso también es el más grande. Con el aumento del número de aberturas, el orificio de luz se vuelve más pequeño y el flujo luminoso disminuye. Si no considera el impacto de diferentes lentes con diferencias de transmitancia, no importa qué tan larga sea la distancia focal de la lente, independientemente de qué tan lejos sea el diámetro de apertura de la lente, 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 sea el valor F, más amplio será 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 clara y similar del plano del objeto en todo el plano de la imagen, es necesario corregir casi todos los siete tipos de aberraciones. . La resolución de la lente del objetivo fotográfico es un reflejo integral de la apertura relativa y el residuo de aberración. Una vez que se determina la apertura relativa, se desarrolla el esquema de corrección de errores óptimo, que puede cumplir con los requisitos y es fácil de realizar. Para mayor comodidad, el radio del punto disperso 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, el aumento de la lente de la cámara digital es similar a la lente de la cámara tradicional en los aspectos de evaluación del diseño y propiedades, la principal diferencia es:
1 apertura relativa es más grande que la cámara tradicional.
2 longitudes focales cortas hacen que aumente la profundidad de campo. De acuerdo con el tamaño del ángulo de campo, podemos calcular el equivalente del valor de distancia focal de la lente de cámara tradicional F '=43.266/ (2*tg).
3 alta resolución, según el tamaño del PÍXEL en el dispositivo fotoeléctrico, el diseño óptico de lente digital general alcanzará 1/ (línea) parejas.

II. La lente de proyección
La lente de proyección se refiere al objeto iluminado que 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 del objetivo lente de proyección.
El aumento de la lente de proyección es un parámetro importante de la precisión de la medición, el tamaño de la apertura, 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 un valor constante, cuanto mayor sea el aumento, mayor será la distancia conjugada, mayor será el tamaño del sistema de proyección. Según 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 de aumentar la apertura relativa se puede utilizar 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 camino Jinyuanxinlight.
3 largas distancias de trabajo.
4 de alta resolución.
5 requisitos de alta distorsión
Los puntos anteriores provocan que el objetivo de proyección utilizado para los proyectores LCD sea mucho más complejo que el tradicional, se trata de unas 10 lentes en comparación con las 3 lentes tradicionales.

tercero 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 más pequeño es el aumento es , cuanto más pequeño es el plano de la imagen de la lente, más corta es la distancia focal . Por lo tanto, la estructura del sistema de escaneo se puede hacer más pequeña, pero se requiere que la resolución de la lente sea más alta. La distancia conjugada se refiere a la longitud de la imagen objetivo. Para lentes, cuanto más largo es el lente y más corto el conjugado, más difícil es el diseño del lente. El diagrama esquemático, como un objetivo fotográfico, es un proceso de estrechamiento.

estructura-óptica-1

Características de diseño de las lentes F-theta:

Las lentes 1 F-theta pertenecen a un alcance de pequeña apertura y pequeña aberración. Tiene altos requisitos de resolución óptica .
2 debido al dispositivo fotoeléctrico, no solo corrige la aberración blanca (luz mixta), sino que también debe considerar la aberración de tres longitudes de onda independientes R, G, B.
3 aberración de distorsión estrictamente corregida.


Contenido relacionado
  • Beneficios adicionales de las lentes asféricas

    July 15, 2019Aunque existen muchas técnicas diferentes en el mercado para corregir las aberraciones causadas por las superficies esféricas, estas otras técnicas tienen mucho menos rendimiento de imagen y flexibilidad que aspher...view
  • Tecnología y aplicación de la lente MWIR

    April 8, 20211. El uso de lentes MWIRCon el desarrollo de la tecnología de detección de infrarrojos y los requisitos de aplicación, el uso de lentes MWIR también está aumentando. Debido al mecanismo de refrigeración que utiliza el medi...view