Conception de système optique

L'utilisation de tout type d'instruments optiques et les conditions d'utilisation imposeront certainement des exigences à son système optique. Par conséquent, nous devons comprendre ses exigences vis-à-vis du système optique avant de procéder à la conception optique. Ces exigences sont résumées dans les aspects suivants.

I. La caractéristique fondamentale du système optique
La caractéristique fondamentale du système optique est : Ouverture numérique ou ouverture relative ; champ linéaire ou angle de champ ; système de grossissement ou de distance focale. En outre, il existe certaines caractéristiques connexes, telles que la taille et l'emplacement de la pupille, la distance de travail et la distance conjuguée.

II. La dimension globale des systèmes
Les dimensions globales du système, c'est-à-dire les dimensions horizontales et verticales du système. Dans la conception de systèmes optiques complexes. Il est impératif que les concepteurs définissent correctement la compatibilité des élèves des groupes d'éléments optiques.

III. Qualité d'image
Exigences de qualité d'imagerie liées à l'utilisation de systèmes optiques. Classées selon les applications utilisées, il existe différentes exigences de qualité d'imagerie sur différents systèmes optiques. Pour le système de télescope et le microscope général, il est nécessaire d'avoir une bonne qualité d'image uniquement dans le champ de vision central. Mais pour l'objectif photographique, l'exigence de bonne qualité est nécessaire pour répondre dans tout le champ de vision.

IV. Les conditions d'utilisation de l'instrument
Lorsque nous proposons de faire de la demande sur le système optique la fonction du, nous devons considérer la possibilité de faisabilité des aspects techniques et physiques de la réalisation. Comme le grossissement biologique devrait s'inscrire dans la plage de 500NA≤Г≤1000NA, lorsque nous développons un système de télescope, en termes de grossissement visuel du télescope, la limite de résolution du système télescopique et des yeux humains doit être prise en considération.

Le processus de conception du système optique
La conception du système optique est le processus de détermination d'une variété de données sur la base des conditions d'utilisation et répond aux exigences d'utilisation de la qualité d'imagerie de l'application, c'est-à-dire la détermination des paramètres de performance du système optique, des dimensions globales et de la structure du groupe d'éléments optiques. , etc. Par conséquent, le processus de conception optique peut être divisé en 4 étapes : le calcul des dimensions, le calcul de la structure initiale, la correction et l'équilibre des aberrations et l'évaluation de la qualité de l'image.
I. Le calcul de la taille globale

A ce stade, nous devons élaborer le principe de conception du système optique, déterminer les propriétés optiques de base, qui répondront à une exigence technique donnée, c'est-à-dire le grossissement ou la distance focale, le champ linéaire ou l'angle de champ, l'ouverture numérique ou l'ouverture relative , distance conjuguée, après distance de travail de la position du diaphragme et de la dimension externe, etc. Par conséquent, cette étape est souvent appelée calcul de la dimension globale. Généralement, nous calculons les dimensions globales selon la théorie du système optique parfait et la formule de calcul. Et dans le processus, la structure mécanique et le système électrique doivent être pris en compte afin d'éviter l'apparition d'une structure irréalisable. La détermination de chaque performance doit être raisonnable, si elle est trop élevée, les résultats de conception seront gaspillés, si elle est trop faible, la conception ne répondra pas aux exigences, cette étape doit donc être considérée avec attention.

II. Le calcul et la sélection de la structure initiale
Les deux méthodes suivantes sont généralement utilisées pour déterminer la structure initiale :
1. Résoudre la théorie de l'aberration primaire selon la structure initiale.
La méthode de résolution de la structure initiale est basée sur les caractéristiques fondamentales calculées à partir des dimensions globales, et la théorie de l'aberration primaire est utilisée pour résoudre la structure initiale qui répond aux exigences de qualité d'image.
2．Résoudre la structure initiale à partir du document existant
Il s'agit d'une méthode pratique et facile à réaliser. Il est donc largement utilisé par de nombreux concepteurs optiques. Mais cela nécessite que les concepteurs aient une compréhension approfondie de la théorie de l'optique et une vaste expérience en matière de conception. Seulement cela, peut-il choisir une structure initiale simple et exigeante parmi un large éventail de structures. Le choix de la structure initiale est à la base de la conception de la lentille. Une mauvaise structure initiale, quelle que soit la qualité du processus de conception automatique, et des concepteurs expérimentés ne peuvent pas réussir la conception.

III. La correction et l'équilibre des aberrations
Une fois la structure initiale sélectionnée, le chemin optique est calculé sur l'ordinateur avec le programme de calcul optique, et toutes les aberrations et les courbes d'aberration sont calculées. Selon l'analyse des données d'aberration, il est possible de déterminer quelle aberration est la principale influence sur la qualité d'imagerie du système optique. Et puis, nous pouvons découvrir les méthodes modifiées et corriger l'aberration. L'analyse et l'équilibrage des différences d'image est un processus itératif jusqu'à ce que les exigences de qualité d'image soient satisfaites.

IV. L'évaluation de la qualité d'image
La qualité d'imagerie du système optique est liée à la taille de l'aberration. Le but de la conception optique est de corriger l'aberration du système optique. Cependant, il n'est pas possible pour n'importe quel système optique d'ajuster toutes les aberrations à zéro, et l'existence d'une aberration résiduelle est inévitable. Par conséquent, le concepteur optique doit connaître la valeur de tolérance du résidu du système optique et la tolérance d'aberration, afin de juger de la qualité d'imagerie du système optique en fonction de l'aberration résiduelle. Il existe de nombreuses méthodes pour évaluer la qualité d'imagerie du système optique. Nous présenterons brièvement la méthode d'évélation d'aberration

1. Le jugement de Rayleigh
La plus grande aberration d'onde entre la surface d'onde réelle et la surface d'onde idéale n'est pas supérieure à 1/4 de longueur d'onde. C'est une méthode plus rigoureuse pour évaluer la qualité de l'image, qui convient aux petits systèmes d'aberration, tels que les télescopes, les micro-objectifs, etc.

2. Résolution
La résolution fait référence à la capacité du système optique à distinguer les détails de l'objet. Lorsque le centre de l'image de diffraction d'un point coïncide avec le premier anneau sombre d'un autre point, c'est précisément la limite des deux points qui peut être séparée.

3. Diapoint
Lorsqu'une grande quantité de lumière émise par un point traverse le système optique, l'aberration fait que l'intersection entre la lumière et le plan image ne se concentre pas sur le même point, et forme un graphique dispersé dans une certaine plage, appelée diapoint. Il est généralement utilisé comme spot de dispersion pratique et efficace avec une concentration de plus de 30% de points ou un cercle de lumière. L'inverse de son diamètre est le nombre distingué par le système. Il est généralement utilisé pour évaluer le système des grandes aberrations.

4.  Fonction de transfert optique
Cette méthode est basée sur la théorie selon laquelle l'objet est composé de spectres avec une variété de fréquences, c'est-à-dire que la fonction de distribution de la luminosité de l'objet se développe comme la série de Fourier ou l'intégrale de Fourier. Le système optique est considéré comme un système linéaire invariant, de sorte que l'image d'un objet à travers un système optique peut être considérée comme la transmission d'une série de systèmes linéaires avec des fréquences différentes. La transmission est caractérisée par une même fréquence, mais un contraste décroissant, la phase passant à une certaine fréquence. La diminution du contraste et le changement de phase varient avec la fréquence, et la relation entre eux est appelée fonction de transfert optique. Étant donné que la fonction de transfert optique est liée à la différence d'image, elle peut être utilisée pour évaluer la qualité d'imagerie du système optique. Il est objectif, fiable et facile à calculer et à mesurer. Il n'est pas seulement utilisé pour évaluer les résultats de la conception optique, mais également pour contrôler tous les aspects de la conception du système optique, de l'inspection des lentilles optiques et du processus de conception générale.

La différence de conception entre les différents types de lentilles

I. Objectif de la caméra
Les propriétés optiques de l'objectif de la caméra peuvent être représentées par trois paramètres : la distance focale de l'objectif de la caméra F', l'ouverture relative D/f' et l'angle de champ (2 Oméga). En fait, en termes de 135 caméras, son cadre standard a été déterminé comme 24mm X 36mm, la longueur diagonale est 2D=43.266. Dans le tableau suivant, nous pouvons voir qu'il existe une relation entre la distance focale de l'objectif de la caméra et l'angle de champ f' : tgω'=D/f'
Dans cette formule : 2D - longueur diagonale du cadre ;
F'- distance focale de l'objectif.

Une autre caractéristique optique importante de l'objectif de la caméra est l'ouverture relative. Il représente la capacité de la lentille à traverser la lumière, exprimée en D/f'. Il est défini comme le rapport du diamètre d'ouverture de l'objectif (également appelé diamètre de la pupille) D et de la distance focale de l'objectif F'. L'inverse de l'ouverture relative est appelé facteur d'ouverture ou ouverture de l'objectif, également appelé F, c'est-à-dire F=f'/D. Lorsque la distance focale F'est fixe, le F est inversement proportionnel au diamètre de la pupille D. Parce que la surface de la lumière est proportionnelle au carré du D, plus la surface de la lumière est grande, plus le flux lumineux du lentille. Ainsi, lorsque le nombre d'ouvertures est à la plus petite valeur, le trou est à sa plus grande valeur, le flux lumineux est également le plus grand. Avec l'augmentation du nombre d'ouvertures, le trou lumineux devient plus petit et le flux lumineux diminue. Si vous ne tenez pas compte de l'impact de différents objectifs avec des différences de transmission, quelle que soit la longueur focale de l'objectif, quel que soit le diamètre d'ouverture de l'objectif, tant que les valeurs d'ouverture sont les mêmes, ils ont le même flux lumineux . Par rapport à l'objectif de l'appareil photo, F est un paramètre très important, plus la valeur F est petite, plus la portée de l'objectif est large.
Par rapport au système optique visuel, l'objectif de la caméra a une grande ouverture relative et un grand champ de vision, par conséquent, afin de voir l'image claire et similaire au plan objet sur tout le plan de l'image, presque tous les sept types d'aberration doivent être corrigés . La résolution de l'objectif photographique est un reflet complet de l'ouverture relative et du résidu d'aberration. Une fois l'ouverture relative déterminée, le schéma de correction d'erreur optimal est développé, qui peut répondre aux exigences et est facile à réaliser. Pour plus de commodité, le rayon du point de dispersion est souvent utilisé pour mesurer la taille de l'aberration, et la fonction de transfert optique est utilisée pour évaluer la qualité de l'image.

Ces dernières années, l'objectif d'appareil photo numérique en hausse est similaire à l'objectif d'appareil photo traditionnel dans les aspects de l'évaluation de la conception et des propriétés, la principale différence est :
1 ouverture relative est plus grande qu'un appareil photo traditionnel.
2 focales courtes entraînent une augmentation de la profondeur de champ. Selon la taille de l'angle de champ, nous pouvons calculer l'équivalent de la valeur de distance focale de l'objectif de l'appareil photo traditionnel F '=43,266/ (2*tg).
3 haute résolution, selon la taille du PIXEL dans le dispositif photoélectrique, la conception optique de la lentille numérique générale atteindra 1/ (ligne) paires.

II. L'objectif de projection
L'objectif de projection fait référence à l'objet éclairé qui formera une image claire et lumineuse sur l'écran. En règle générale, la distance de l'image est beaucoup plus grande que la distance focale, de sorte que le plan objet est proche du plan focal de la cible objectif de projection.
Le grossissement de l'objectif de projection est un paramètre important de la précision de mesure, de la taille de l'ouverture, de la plage d'observation et de la taille structurelle.
Plus le grossissement est grand, plus la précision de la mesure est élevée, plus l'ouverture de l'objectif est grande. Lorsque la distance de travail est de valeur constante, plus le grossissement est grand, plus la distance conjuguée est grande, plus la taille du système de projection est grande. Selon les connaissances de l'optique, l'éclairement du centre de l'image est proportionnel au carré de l'ouverture relative. Ainsi, la méthode d'augmentation de l'ouverture relative peut être utilisée pour augmenter l'éclairage de la surface de l'image.

La différence entre l'objectif de projection utilisé dans le projecteur à cristaux liquides et l'objectif de projection traditionnel :
1 ouverture relative plus grande.
La distance de 2 pupilles est plus longue, doit être conçue comme un chemin Jinyuanxinlight.
3 longue distance de travail.
4 haute résolution.
5 exigences de distorsion élevées
Les points ci-dessus font que l'objectif de projection utilisé pour les projecteurs LCD est beaucoup plus complexe que le traditionnel, il s'agit d'environ 10 lentilles par rapport aux 3 lentilles traditionnelles.

III. Lentilles F-thêta
Les lentilles F-thêta peuvent être représentées par trois propriétés optiques, à savoir l'ouverture relative, le grossissement et la distance conjuguée. Le grossissement est un indice important des objectifs F-thêta, car plus la taille de l'objet est fixe, plus le le grossissement est , plus le plan image de l'objectif est petit, plus la distance focale est courte. Ainsi, la structure du système de numérisation peut être réduite, mais la résolution de l'objectif doit être plus élevée. La distance conjuguée fait référence à la longueur de l'image objective. Pour l'objectif, plus l'objectif est long et plus le conjugué est court, plus la conception de l'objectif est difficile. Le schéma de principe, comme un objectif photographique, est un processus de rétrécissement.

Caractéristiques de conception des lentilles F-thêta :

1 objectifs F-thêta appartiennent à une lunette à petite ouverture et à petite aberration. Il a des exigences élevées en matière de résolution optique .
2 en raison du dispositif photoélectrique, il corrige non seulement l'aberration blanche (lumière mixte), mais doit également tenir compte de l'aberration de longueur d'onde indépendante R, G, B.
3 aberration de distorsion strictement corrigée.