Diseño de lente óptica - Optical lens design

El diseño de lentes ópticas es el proceso de diseñar una lente para cumplir con un conjunto de requisitos y restricciones de rendimiento, incluidos los costos y las limitaciones de fabricación. Los parámetros incluyen tipos de perfiles de superficie ( esféricos , asféricos , holográficos , difractivos , etc.), así como el radio de curvatura , la distancia a la siguiente superficie, el tipo de material y, opcionalmente, inclinación y descentramiento. El proceso es computacionalmente intensivo, utilizando trazado de rayos u otras técnicas para modelar cómo la lente afecta la luz que pasa a través de ella.

Requerimientos de diseño

Los requisitos de desempeño pueden incluir:

  1. Rendimiento óptico (calidad de imagen): se cuantifica mediante varias métricas, incluida la energía rodeada , la función de transferencia de modulación , la relación de Strehl , el control de reflexión fantasma y el rendimiento de la pupila (control de tamaño, ubicación y aberraciones); la elección de la métrica de calidad de imagen es específica de la aplicación.
  2. Requisitos físicos como peso , volumen estático, volumen dinámico, centro de gravedad y requisitos generales de configuración.
  3. Requisitos ambientales: rangos de temperatura , presión , vibración y blindaje electromagnético .

Las restricciones de diseño pueden incluir espesores realistas del centro y del borde del elemento de la lente, espacios de aire mínimos y máximos entre las lentes, restricciones máximas en los ángulos de entrada y salida, índice de refracción y dispersión del vidrio físicamente realizable .

Los costos de fabricación y los plazos de entrega también son una parte importante del diseño óptico. El precio de una pieza en bruto de vidrio óptico de dimensiones determinadas puede variar en un factor de cincuenta o más, según el tamaño, el tipo de vidrio, el índice de homogeneidad de calidad y la disponibilidad, siendo BK7 el más barato. Los costos de los espacios en blanco ópticos más grandes y / o más gruesos de un material dado, por encima de 100-150 mm, generalmente aumentan más rápido que el volumen físico debido al mayor tiempo de recocido del blanco requerido para lograr una homogeneidad de índice aceptable y niveles de birrefringencia de tensión interna en todo el volumen del blanco. La disponibilidad de los espacios en blanco de vidrio depende de la frecuencia con la que un fabricante determinado fabrica un tipo de vidrio en particular, y puede afectar seriamente el costo y el cronograma de fabricación.

Proceso

Las lentes se pueden diseñar primero utilizando la teoría paraxial para posicionar imágenes y pupilas , luego se pueden insertar y optimizar superficies reales. La teoría paraxial se puede omitir en casos más simples y la lente se puede optimizar directamente utilizando superficies reales. Las lentes se diseñan primero usando el índice promedio de refracción y dispersión (ver el número de Abbe ) publicadas en el catálogo del fabricante de vidrio y mediante cálculos del modelo de vidrio . Sin embargo, las propiedades de los espacios en blanco de vidrio reales variarán de este ideal; Los valores del índice de refracción pueden variar hasta en 0,0003 o más de los valores del catálogo, y la dispersión puede variar ligeramente. Estos cambios en el índice y la dispersión a veces pueden ser suficientes para afectar la ubicación del enfoque de la lente y el rendimiento de la imagen en sistemas altamente corregidos.

El proceso de fabricación de lentes en blanco es el siguiente:

  1. Los ingredientes del lote de vidrio para un tipo de vidrio deseado se mezclan en forma de polvo,
  2. la mezcla en polvo se funde en un horno,
  3. el fluido se mezcla más mientras está fundido para maximizar la homogeneidad del lote,
  4. vertido en espacios en blanco para lentes y
  5. recocido de acuerdo con programas de tiempo-temperatura determinados empíricamente.

El árbol genealógico del blanco de vidrio, o "datos de fusión", se puede determinar para un lote de vidrio dado haciendo pequeños prismas de precisión en varios lugares del lote y midiendo su índice de refracción en un espectrómetro , típicamente a cinco o más longitudes de onda . Los programas de diseño de lentes tienen rutinas de ajuste de curvas que pueden ajustar los datos de fusión a una curva de dispersión seleccionada , a partir de la cual se puede calcular el índice de refracción en cualquier longitud de onda dentro del rango de longitud de onda ajustado. A continuación, se puede realizar una re-optimización, o "recomposición de fusión", en el diseño de la lente utilizando el índice medido de datos de refracción cuando estén disponibles. Cuando se fabrica, el rendimiento de la lente resultante coincidirá más estrechamente con los requisitos deseados que si se asumieran los valores promedio del catálogo de vidrio para el índice de refracción.

Los plazos de entrega se ven afectados por la disponibilidad de piezas en blanco de vidrio y espejo y los tiempos de entrega para adquirir, la cantidad de herramientas que un taller debe fabricar antes de comenzar un proyecto, las tolerancias de fabricación de las piezas (tolerancias más estrictas significan tiempos de fabricación más largos), la complejidad de recubrimientos ópticos que deben aplicarse a las piezas terminadas, más complejidades en el montaje o la unión de los elementos de la lente en las celdas y en el conjunto del sistema de lentes en general, y cualquier alineación posterior al ensamblaje y pruebas de control de calidad y herramientas necesarias. Los costos de herramientas y los programas de entrega se pueden reducir utilizando herramientas existentes en cualquier taller siempre que sea posible y maximizando las tolerancias de fabricación en la medida de lo posible.

Optimización de lentes

Una lente simple de dos elementos con espacio de aire tiene nueve variables (cuatro radios de curvatura, dos espesores, un espesor de espacio aéreo y dos tipos de vidrio). Una lente de configuración múltiple corregida en una amplia banda espectral y un campo de visión en un rango de distancias focales y en un rango de temperatura realista puede tener un volumen de diseño complejo que tiene más de cien dimensiones.

Las técnicas de optimización de lentes que pueden navegar por este espacio multidimensional y proceder a mínimos locales se han estudiado desde la década de 1940, comenzando con los primeros trabajos de James G. Baker , y más tarde de Feder, Wynne, Glatzel, Gray y otros. Antes del desarrollo de las computadoras digitales , la optimización de lentes era una tarea de cálculo manual que usaba tablas trigonométricas y logarítmicas para trazar cortes en 2-D a través del espacio multidimensional. El trazado de rayos computarizado permite modelar rápidamente el rendimiento de una lente, de modo que el espacio de diseño se puede buscar rápidamente. Esto permite refinar rápidamente los conceptos de diseño. El popular software de diseño óptico incluye OpticStudio de Zemax, Code V de Synopsys y OSLO de Lambda Research . En la mayoría de los casos, el diseñador debe elegir primero un diseño viable para el sistema óptico y luego se utiliza el modelado numérico para refinarlo. El diseñador se asegura de que los diseños optimizados por la computadora cumplan con todos los requisitos y realiza ajustes o reinicia el proceso cuando no es así.

Ver también

Referencias

  • Smith, Warren J., Diseño de lentes modernos , McGraw-Hill, Inc., 1992, ISBN   0-07-059178-4
  • Kingslake, Rudolph, Fundamentos del diseño de lentes , Academic Press, 1978
  • Shannon, Robert R., El arte y la ciencia del diseño óptico , Cambridge University Press, 1997.

enlaces externos