Den optiske designen er et felt innen optisk konstruksjon som tar sikte på å skape, optimalisere og produsere optiske systemer som mål , severdighetene , teleskopet , mikroskopet , etc.
Optisk design er hovedsakelig basert på lovene til geometrisk optikk og radiometri .
Den optiske designen som dekker hele prosessen med å utvikle et optisk system, er et optikkfelt som ble født fra etableringen av de første optiske systemene. Inntil veldig sent på XIX - tallet , er det imidlertid mindre beregninger at eksperimentelle tilnærminger brukes, og menisk linse Wollaston ble designet med en helt empirisk tilnærming. Med fremveksten av avviksteorien utviklet av Philipp Ludwig von Seidel, vendte designen gradvis mot beregning mens den beholdt en stor del av eksperimenteringen. Frem til midten av XX th -tallet , er den optiske konstruksjonen fortsatt en blanding av avvik teori, ray tracing og erfaring.
De mekaniske kalkulatorene brukes knapt: frem til 1940 er det mer praktisk og raskere å bruke de utallige tabellene med logaritmer til å utføre strålesporing som utfører beregninger med en maskin. Prosessen forblir iterativ, en første modell er laget ved å vurdere Seidels teori, en prototype bearbeides, dens aberrasjoner måles, deretter korrigeres modellen deretter og en ny prototype lanseres. I lang tid koster det mindre å maskinere flere prototyper enn å investere i en overpriset datamaskin.
Den første datamaskinen som ble brukt til optisk databehandling, dateres tilbake til 1949 da Charles Wynne Gorrie (in) lanserer en strålesporing i sammenheng med systemdesignet: beregning av ruten ble ikke fullført før etter at systemet ble levert. Fra 1957 kjøpte Taylor, Taylor og Hobson en Elliott Brothers- datamaskin dedikert til strålesporing, men forble i mange år fremover, det eneste optiske selskapet med denne typen utstyr.
Bruken av datamaskiner ble ikke virkelig demokratisert før de var tilstrekkelig effektive og raske til å gi en fordel i forhold til "manuell" beregning; utviklingen av Levenberg-Marquardt-algoritmen (eller Damped Least Squares , "Moindre Carrés Amortis") i midten av 1960-årene, markerer virkelig øyeblikket som optisk designarbeid hovedsakelig utføres på en datamaskin.
Utgangspunktet for optisk design er fullstendig bestemmelse av egenskapene som kreves for å møte spesifikasjonene eller behovet til optikken.
Fra et optisk synspunkt setter spesifikasjonene optiske begrensninger:
og praksis:
Systemets blenderåpning, brennvidde og felt bestemmer hvilken type optisk system som skal brukes. Når det gjelder optikken, velges forskjellige løsninger avhengig av ønsket ytelse.
Den enkleste optikken, den enkle linsen introduserer en kromatisme uansett hvilket glass som brukes, så vel som geometriske avvik, det er derfor sjelden at den fungerer i diffraksjonsgrense .
Den dublett gjør det mulig å i stor grad redusere eller eliminere den chromatism samtidig legge en ny diopter (for en limt dublett) som gjør det mulig å redusere geometriske aberrasjoner. Spesielt gjør en akromatisk dublett det mulig å avbryte kromatiske aberrasjoner ved å bruke to optiske briller med forskjellig trang. En skrelt dublett er bedre enn en bundet dublett sett fra geometriske avvik, men den er mindre robust for mekaniske forskyvninger så vel som termisk ekspansjon.
Den lett reduserer ytterligere geometriske aberrasjoner. Det er derfor mye brukt i fotografiske optiske systemer.
For den samme konfigurasjonen med en studie i feltet, her er PSF-ene til de forskjellige optiske systemene som er nevnt:
Eksempel på PSF simulert med OSLO for en enkelt linse i felten
Eksempel på PSF simulert med OSLO for en dublett i feltet
Eksempel på PSF simulert med OSLO for en triplett i feltet
Optimaliseringen av et optisk system gjøres ved å finne en løsning som samtidig minimerer alle (vektede) avvik i systemet. Dette søket etter det optimale oversettes matematisk ved å søke etter et globalt minimum i et flerdimensjonalt rom .
Automatiseringen av denne forskningen ble initiert av James G. Baker og Feder, Wynne, Glatzel, Gray på 1940-tallet. Før demokratiseringen av datamaskiner ble de fleste beregningene utført for hånd ved hjelp av logaritmiske tabeller og trigonometrisk.
Toleransen av et optisk system består i å ta hensyn til ved utformingen av systemet de feil som vil oppstå på tidspunktet for industriell produksjon. To typer feil tas således i betraktning:
Mangler knyttet til optiske briller og polering av dem:
Mangler knyttet til linsene:
Å ta hensyn til alle de fysiske feilene som kan påvirke et optisk system gjør det mulig å validere muligheten for en teoretisk modell og systemets robusthet. Generelt fører toleranse til et nytt søk etter en løsning for å gjøre den teoretiske løsningen mer robust eller bedre egnet til produksjonsprosessene.
Verifiseringen av robustheten overfor modifikasjoner kan ha form av en Monte-Carlo- beregning som tilsvarer en numerisk simulering av responsen til et sett av systemer til en tilfeldig kombinasjon av feil innenfor grensene som er satt for toleransen.
Den optiske utformingen gjøres hovedsakelig ved hjelp av spesialprogramvare levert med biblioteker av eksisterende systemer som gjør det mulig å finne allerede godt optimaliserte startløsninger.
Noen teknikker brukes imidlertid for optisk design av systemer:
Noen av de viktigste programvarene for optisk design inkluderer: