OSLO. Program pro návrh n. a analýzu optických soustav

OSLO Program pro návrh a analýzu optických soustav

Obsah přednášky „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „

Co je optický návrh? Optické CAD software Principy a možnosti analýzy optických CAD programů Parametry optických soustav Optické komponenty používané v OSLO Filozofie OSLO Grafický interface OSLO Obecná nastavení OSLO vzhledem k vstupním datům Výstupy OSLO Optimalizace optických soustav v OSLO Příklady práce s OSLO

Optický design „

„

proces popisu elementů v optické soustavě za účelem získání požadovaných zobrazovacích vlastností systému Výstup - požadavek na materiál a tvary potřebných použitých elementů

Jak funguje optický návrh? „ „ „ „ „ „ „ „ „

číslicový optimalizační software prvotní návrh optické soustavy – optimalizace - finální podoba s požadovanými vlastnostmi požadované vlastnosti a kvalita zobrazení dané soustavy je dána chybovou funkcí změny proměnných parametrů soustavy - minimalizace chybové funkce nejpoužívanější je metoda nejmenších čtverců simulační software (komplexní a parciální chybové funkce) broušené povrchy čoček, generující kulovou plochu - výskyt vad vyrovnání vad pomocí kombinace optických elementů (namísto odstranění) rozšíření možností designu – nové materiály, asférické členy

Software pro návrh optických soustav „

ZEMAX „

„

CODE V „

„

„

„

http://www.opticalres.com/

OSLO „

„

http://www.zemax.com/

http://www.sinopt.com/, http://www.lambdares.com/ http://www.sinopt.com/software1/downloads1/dloads_lt.htm

http://www.optenso.de/links/links.html Proč OSLO „ „ „

objektově orientovaný vestavěný compiler s vysokým výkon na stolních PC možnosti výukové verze (dvě verze light a standard zakoupeny na katedře)

OSLO „

„

Optics Software for Layout and Optimization použití stanovení velikosti a tvaru použitých optických elementů v různých oblastech (vesmírné, vojenské, vědecké aplikace apod.) „ simulace vlastností optického systému „ návrh nových utilit pro další optický design (testy, výroba) „

OSLO „

„

Metoda monte carlo - založena na provádění náhodných experimentů s modelem systému a jejich vyhodnocení Kvalitní generátory pseudonáhodných čísel (netřeba skutečně náhodná čísla). Výsledkem provedení velkého množství experimentů je obvykle pravděpodobnost určitého jevu. Na základě získané pravděpodobnosti a známých vztahů pak spočítáme potřebné výsledky.

Možnosti OSLO „ „ „ „ „ „ „ „

design běžných čoček zoom funkce modelování Gaussova svazku(laser) vláknová optika osvětlovací systémy systémy s dělením paprsku systémy citlivé na polarizaci systémy s vysokou rozlišovací schopností

Standardní návrh

ZOOM funkce

Modelování Gaussova svazku(laser)

vláknová optika

osvětlovací systémy

systémy s dělením paprsku

systémy citlivé na polarizaci

Parametry elementů optických soustav „

Index lomu – mezní úhel (odrazivost) „ „

„ „

Reflektor Refraktor

Poloměr křivosti Tloušťka elementu

Používané optické elementy v OSLO „ „ „ „ „

Lámavé plochy – čočky Odrazné plochy – zrcadla Matnice – obrazová rovina Předloha – předmětová rovina Omezení paprsků – clony (vstupní, výstupní)

Filozofie práce v OSLO

Základy práce v programu OSLO 1. Ovládání okna – tato tlačítka umožňují zachovat nebo zrušit Surface data změny provedené v oblasti zadávání dat. 2. Systémová data – v těchto buňkách se nacházejí všechny optické parametry systému, které jsou třeba k úplnému modelování dané čočky. Mezi tato data patří například vlnové délky, zvetšení, clonové číslo, apod.

3. Povrchová data – jednotlivé rádky popisují tvar a orientaci různých povrchu systému, které způsobují odraz, lom a ohyb. 4. Nástrojové ikonky – pomocí těchto ikonek lze vyjmout, kopírovat a opět vkládat data do jednotlivých buněk a také vkládat prázdné rádky do oblasti povrchových dat apod. 5. Záložky – přepínáním lze otevřít další okna, kde lze ovládat další parametry sytému.

Povrchová data Radius of Curvature (poloměr křivosti) - střed křivosti je pro daný povrch umístěn v ose z - pokud leží tento střed v kladné části osy z (tzn. vpravo), pak je poloměr křivosti kladný, v opačném případě záporný - poloměr křivosti lze zadat přímo nebo kliknutím na tlačítko volby (viz obrázek 10) a zvolením jiné možnosti - můžeme zvolit volbu Solve, pod kterou se schovává několik dalších možností; zajímavá je např.. volba Axial Ray Angle, kdy se poloměr křivosti nastaví tak, aby paraxiální osový paprsek opouštěl povrch pod určitým úhlem; lze využít u posledního povrchu pro udržování konstantní hodnoty EFL nebo clonového čísla, měníme-li ostatní data -volby Curvature PickUp a Minus Curvature PickUp se hodí pro nastavení poloměru křivostí stejných jako některé z předchozích povrchu (se znaménkem plus nebo minus) volba Variable slouží k označení daného parametru jako proměnné, tím pádem jej lze využít při optimalizaci Thickness (tlouštka) - tlouštka povrchu je vzdálenost měřená podél osy z k dalšímu povrchu - pozitivní tlouštka je brána v kladném směru osy z - konvence v OSLO je taková, že světlo se šíří v kladném směru osy z - podobně jako u poloměru křivosti lze tloušťku zadat několika způsoby - speciální je povrch IMS (Image Surface), jelikož za ním již žádný další povrch není, má hodnota tloušťky u tohoto povrchu odlišný význam; pokud je nenulová, bere se jako posun zaostření roviny obrazu; volbou Autofocus nastavíme tloušťku IMS na hodnotu, která minimalizuje velikost bodu, který leží v ose soustavy

Povrchová data Aperture Radius (poloměr otvoru - apertura) - je to poloměr (kruhové) opticky efektivní oblasti povrchu - bežne používá OSLO tuto hodnotu pouze ke kreslení hran optických prvku také aperturu lze zadat vícero způsoby Glass (sklo - materiál) - tento parametr určuje materiál, který se nachází mezi aktuálním a následujícím povrchem - pojmem Glass se myslí jakýkoli optický přenosový materiál - opět existuje mnoho způsobů, jak tento parametr zadat často je používaná volba Catalog, která otevře podmenu s několika různými katalogy; výběrem jednoho z nich (např.. Schott) se zobrazí nové okno, ve kterém si můžeme vybrat požadovaný materiál Special Surface Data (speciální data povrchu) - sem patří např.. poznámka k danému povrchu, nastavení parametru Fresnelova povrchu, natáčení jednotlivých elementu nebo změna středu soustavy elementu, nastavení asférického povrchu apod

Ovládání okna „

„

„

funguje jako OK tlačítko, akceptuje provedené změny, data lze potvrdit také klávesou ENTER, k uzavření aktivního listu je však třeba zmáčknout SHIFT+ENTER funguje jako tlačítko zrušit, OSLO neakceptuje provedené změny - lze provést také klávesou ESC, k uzavření aktivního listu je však třeba zmáčknout SHIFT+ESC - tlačítko nápovědy, otevře nápovědu programu OSLO, a to na místě odpovídajícímu obsahu příkazové rádky

Systémová data Lens – pole se stručným popisem cocky pro snadnou identifikaci, není to totéž jako název souboru Zoom – OSLO umí současně zpracovávat několik systému, které se od původního liší pouze v několika detailech, takovým se říká multikonfigurační systémy; v poli Zoom je zobrazeno aktuální přiblížení a celkový počet přiblížení, mezi kterými lze přepínat pomocí šipek a měnit některé detaily (například tloušťku povrchu) EFL – Efective Focal Length je efektivní ohnisková vzdálenost, toto pole je pouze informativní, nelze jej měnit; slouží ke kontrole uživatelem, který tak vidí, jaký má daná změna vliv na ohniskovou vzdálenost Entrance Beam Radius (EBR) – poloměr vstupního paprsku (apertura systému), pro cocky s předmětem v nekonečnu používá OSLO standardní hodnotu 1E20; EBR je definován jako poloměr axiálního paprsku světla vstupujícího do cocky měřeného u povrchu jedna Field Angle – prostorový úhel (zorné pole), pro čočky s předmětem v nekonečnu odpovídá úhlu danému předmětem na vstupní čočce; pro konečné systémy je zobrazena výška předmětu, tj. vzdálenost od optické osy ke kraji předmětu Primary Wavelength – hlavní vlnová délka, je zadávána a zobrazována v μm, lze ji změnit vybráním buňky a vložením nové hodnoty, pomocí kliknutí do buňky lze vyvolat seznam běžně užívaných vlnových délek

Některé parametry okna Surface data P - hodnota byla prevzata z nekterého z predchozích povrchu, tzv. Pickup (napr. Minus Curvature Pickup). K u nekterých povrchu ve sloupci Aperture Radius signalizuje, že se velikost apertury (otvoru) kontroluje behem „stopováníÿ paprsku (Ray Tracing). Paprsky, které padnou mimo tento otvor, nebudou dále brány v potaz. Písmeno A u prvního povrchu oznacuje tento povrch jako Aperture Stop (vstupní pupila). U povrchu IMS - Autofocus - Minimum RMS Spot Size - on Axis (Monochromatic) – jednotlivé body se nezobrazují na bod, ale vlivem ruzných aberací se zobrazí napr. jako malý kroužek nebo elipsa ci kometka, touto volbou zajistíme, aby body v blízkosti osy optické soustavy zabíraly v obrazové rovine co nejmenší plošku.

Grafická okna V programu OSLO jsou grafická okna dvojího druhu. Statická se značí GW a dynamická UW. Standardně je v programu OSLO otevřeno jedno datové, jedno textové a jedno grafické okno. Při návrhu cocky lze ještě využít jednoho speciálního grafického okna Autodraw, které se zapíná v datovém okně zmačknutím tlačítka Draw OFF. Menu grafického okna se zobrazí po kliknutí na ikonku okna s červenými rámy

Grafická okna Můžete otevřít nové grafické okno (až 32) pomocí NEW Graphic Window. Tile Windows zarovná všechna okna na stránce. Volbou Set Window Title lze měnit nadpis okna. Invert Background změní barvu pozadí na černou a Right-click Actions zobrazí možnosti okna, ke kterým se dá dostat také pomocí pravého tlačítka myši. Pod čarou jsou volby, které zobrazí vedle ikonky okna sadu ikonek týkajících se různých charakteristik. Standard Tools obsahuje osm ikonek, které představuji nejdůležitější možnosti z jednotlivých voleb.

Spot Diagram

PSF

MTF

Možnosti optimalizace „

„

Katalogové čočky – měníme pohu a skladbu komponent…podle zkušenosti Vytváření nové soustavy – možnost měnit většinu parametrů (n,R,t…) – potřeba výroby komponent

Optimalizace • Slider-Wheel Design • Aberration Operands • GENII Ray Aberration • OSLO Spot Size / Wavefront

Příklad OLSO „

Triplet…

Základní vlastnosti optických soustav „ „ „

Určení mezního úhlu Snellův zákon Základní zobrazovací rovnice – jednoduchá soustava dvou tenkých čoček

Snellův zákon „

Matematicky je zákon lomu vyjádřen vztahem (n1 je index lomu prostředí, kterým paprsek prochází, než dojde k lomu, n2 index lomu prostředí, do kterého paprsek prochází)

„

index lomu n je poměr rychlosti světla ve vakuu a rychlosti světla v daném prostředí n = c/v

Mezní úhel „

Při lomu od kolmice může dojít k tzv. úplnému odrazu. Při úhlu dopadu am (mezní úhel) je úhel lomu 90° „

„

Světlo pak neprochází do druhého prostředí. K úplnému odrazu dojde, když je úhel dopadu větší než mezní úhel. Mezní úhel každé látky je podle zákona lomu:

Při přechodu z prostředí do vzduchu platí

Úplného odrazu se využívá u odrazných hranolů (jsou v triedru), protože při rozhraní sklo-vzduch je αm = 42° a pro úhel 45° už je lze použít. Na tomto principu jsou také založena optická vlákna (optické kabely) pro přenos informací.

Zobrazovací rovnice f f' + =1 , a a'

D=

1 [dpt ]. f'

1.

2.

3.

Světlo postupuje z prostředí o indexu lomu 1,7 do prostředí o indexu lomu 1,5. Při jakém úhlu dopadu nastane úplný odraz? 61°56′ Světelný paprsek prochází ze skla do vody. Jaký je největší možný úhel dopadu, je-li index lomu skla 1,533 a vody 1,333? Nakreslete průchod paprsků světla vrstvami a) vzduch – voda – sklo, b) sklo – vzduch – voda.

Konfigurace: tenká spojka = 5D - tenká rozptylka = ? vzájemná vzdálenost 10 cm předmět 20 cm od spojky, obraz = 20 cm od rozptylky

4.

Děkuji za pozornost