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Conception de système optique

L'utilisation de tout type d'instruments optiques et les conditions d'utilisation exigeront certainement des exigences sur son système optique. Par conséquent, nous devons comprendre ses exigences pour le système optique avant d'effectuer la conception optique. Ces exigences sont résumées dans les aspects suivants.

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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; grossissement des systèmes ou 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 groupes d'éléments optiques pupille.

III. Qualité d'imagerie
Exigences de qualité en imagerie liées à l'utilisation de systèmes optiques. Classé par l'utilisation des applications, 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 seulement dans le champ de vision central. Mais pour la lentille photographique, l'exigence de bonne qualité est nécessaire pour se rencontrer dans tout le champ de vision.

IV. Les conditions d'utilisation de l'instrument
Lorsque nous proposons de rendre la demande sur le système optique la fonction de la, nous devons considérer la possibilité de la faisabilité de la réalisation des aspects techniques et physiques. Tels que le grossissement biologique devrait entrer dans la gamme de 500NA≤≤1000NA, lorsque nous développons un système de télescope, en termes de considérer le grossissement visuel du télescope, la limite de résolution du système télescopique et les yeux humains doivent être pris en considération.

Le processus de conception du système optique
La conception de système optique consiste à déterminer une variété de données sur la base des conditions d'utilisation et à répondre aux exigences d'utilisation de qualité d'image d'application, à savoir déterminer les paramètres de performance du système optique, les dimensions globales et la structure du groupe d'éléments optiques Par conséquent, le processus de conception optique peut être divisé en 4 étapes: le calcul de la dimension, le calcul de la structure initiale, la correction de l'aberration et la balance, et l'évaluation de la qualité de l'image.
I. Le calcul de la taille globale

À ce stade, nous devons établir le principe de conception du système optique, déterminer les propriétés optiques de base, qui répondent à une exigence technique donnée, soit le grossissement ou la distance focale, champ linéaire ou angle de champ, ouverture numérique ou ouverture relative , distance de conjugaison, après la distance de travail de la position du diaphragme et de la dimension externe etc .. Par conséquent, cette étape est souvent appelée le calcul de la dimension globale. Généralement, nous calculons les dimensions globales selon la théorie du système optique et la formule de calcul parfaites. Et dans le processus, la structure mécanique et le système électrique doivent être considérés afin d'empêcher la survenue de la structure infaisable. 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, donc cette étape doit être considérée avec soin.

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 en fonction de 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. Résolvez la structure initiale du document existant
C'est une méthode pratique et facile à réaliser. Donc, il est largement utilisé par de nombreux concepteurs d'optique. Mais il faut des concepteurs pour avoir une compréhension profonde de la théorie de l'optique, et possède une riche expérience dans la conception. Seulement cela, peut-il choisir une structure initiale simple et exigeante à partir d'un large éventail de structures. Le choix de la structure initiale est la base de la conception de la lentille. Une mauvaise structure initiale, peu importe à quel point le processus de conception automatique et les concepteurs expérimentés ne peuvent pas rendre le design réussi.

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

IV. L'évaluation de la qualité de l'image
La qualité d'image 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 un système optique de régler toutes les aberrations à zéro, et l'existence d'une aberration résiduelle est inévitable. Par conséquent, le concepteur optique doit avoir la connaissance de la valeur de tolérance du résidu du système optique et de 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'image du système optique. Nous présenterons brièvement la méthode d'analyse de l'aberration

1. Le jugement de Rayleigh
La plus grande aberration d'onde entre la surface d'onde réelle et la surface d'onde idéale ne dépasse pas 1/4 de longueur d'onde. C'est une méthode plus rigoureuse pour évaluer la qualité de l'image, ce qui est approprié pour les 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
Quand une grande quantité de lumière émise par un point traverse le système optique, l'aberration provoquera l'intersection de la lumière et du plan de l'image sur le même point et la formation d'un graphique dispersé dans une certaine plage, appelée diaparte. Il est généralement utilisé comme un 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 grand système d'aberration.

4. Fonction de transfert optique
Cette méthode est basée sur la théorie selon laquelle l'objet est composé du spectre 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 invariant linéaire, 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 la même fréquence, mais le contraste diminue, la phase mobile 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. Parce que la fonction de transfert optique est liée à la différence d'image, il peut être utilisé pour évaluer la qualité d'image 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 aussi pour contrôler tous les aspects de la conception du système optique, l'inspection des lentilles optiques et le processus de conception générale.
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La différence de conception entre différents types de lentilles

I. Objectif de la caméra
Les propriétés optiques de la lentille de la caméra peuvent être représentées par trois paramètres: la distance focale de la lentille de la caméra F ', l'ouverture relative D / f' et l'angle de champ (2 Omega). 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 la lentille de la caméra et l'angle de champ f ': tgω' = D / f '
Dans cette formule: 2D - longueur diagonale de l'image;
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 entre le diamètre de l'ouverture de la lentille (également appelé diamètre de la pupille) D et la distance focale F '. L'inverse de l'ouverture relative est connu comme le facteur d'ouverture ou l'ouverture de l'objectif, également connu sous le nom de 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. Par conséquent, lorsque le nombre d'ouvertures est dans la plus petite valeur, le trou est dans sa plus grande valeur, le flux lumineux est également le plus grand. Avec l'augmentation du nombre d'ouvertures, le trou de lumière devient plus petit et le flux lumineux diminue. Si vous ne tenez pas compte de l'impact des différentes lentilles sur les différences de transmission, quelle que soit la longueur de la focale, quel que soit le diamètre d'ouverture de l'objectif, tant que les valeurs d'ouverture sont les mêmes, elles ont le même flux lumineux . Par rapport à l'objectif de la caméra, F est un paramètre très important, plus la valeur F est petite, plus la portée de l'objectif est large.
Comparé au système optique visuel, l'objectif de la caméra a une grande ouverture relative et un grand champ de vision, donc, pour voir l'image claire et le plan d'objet similaire sur l'image entière, presque tous les sept types d'aberration doivent être corrigés . La résolution de l'objectif photographique est une réflexion complète de l'ouverture relative et du résidu d'aberration. Une fois l'ouverture relative déterminée, le système de correction d'erreur optimal est développé, qui peut répondre aux exigences et est facile à réaliser. Pour plus de commodité, le rayon ponctuel du Disperse 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.

Au cours des dernières années, la lentille montante de l'appareil photo numérique est similaire à l'objectif de la caméra traditionnelle dans les aspects de l'évaluation de la conception et des propriétés, la principale différence est la suivante:
1 ouverture relative est plus grande que la caméra traditionnelle.
2 courte focale provoque l'augmentation de la profondeur de champ. En fonction de la taille de l'angle de champ, on peut calculer l'équivalent de la valeur de focale de l'objectif de caméra traditionnelle F '= 43.266 / (2 * tg).
3 haute résolution, en fonction de la taille du PIXEL dans le dispositif photoélectrique, la conception optique générale de l' objectif numérique atteindra 1 / (ligne) paires.

II. L'objectif de projection
La lentille de projection se réfère à l'objet éclairé va former 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 de l'objet est proche du plan focal de l' objectif de projection .
Le grossissement de la lentille de projection est un paramètre important de la précision de la mesure, de la taille de l'ouverture, de la plage d'observation et de la taille de la structure.
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 constante, plus le grossissement est grand, plus la distance conjuguée est grande, plus la taille du système de projection est grande. Selon la connaissance de l'optique, l'illumination du centre de l'image est proportionnelle au carré de l'ouverture relative. Ainsi, la méthode d'augmentation de l'ouverture relative peut être utilisée pour augmenter l'illumination 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 élèves est plus longue, doit être conçue comme chemin Jinyuanxinlight.
3 longue distance de travail.
4 haute résolution.
5 exigences élevées de distorsion
Les points ci-dessus font que l'objectif de projection utilisé pour les projecteurs LCD est beaucoup plus complexe que le traditionnel, c'est 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 lentilles F-thêta , car la taille de l'objet est fixe, plus le grossissement est faible, plus le plan de l'image de la lentille est petit, plus la distance focale est courte. Ainsi, la structure du système de balayage 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 les lentilles, plus la lentille est longue et plus le conjugué est court, plus la conception de la lentille est difficile. Le diagramme schématique, comme un objectif photographique, est un processus de rétrécissement.

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Caractéristiques de conception des lentilles F-thêta:

1 lentilles F-thêta appartient à une petite ouverture, petite portée de l'aberration. Il a des exigences élevées sur la résolution optique.
2 en raison de l'appareil photoélectrique, non seulement corriger l'aberration blanche (lumière mixte), mais aussi besoin de considérer le R, G, B trois aberration de longueur d'onde indépendante.
3 aberration de distorsion strictement corrigée.


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