OSLO. Program pro návrh n. a analýzu optických soustav

Transkript

1 OSLO Program pro návrh n a analýzu optických soustav

2 Obsah přednp ednášky Co je optický návrh? n Optické CAD software Principy a možnosti analýzy optických CAD programů Parametry optických soustav Optické komponenty používan vané v OSLO Filozofie OSLO Grafický interface OSLO Obecná nastavení OSLO vzhledem k vstupním m datům Výstupy OSLO Optimalizace optických soustav v OSLO Příklady práce s OSLO

3 Optický design proces popisu elementů v optické soustavě za účelem získz skání požadovaných zobrazovacích ch vlastností systému Výstup - požadavek na materiál l a tvary potřebných použitých elementů

4 Jak funguje optický návrh? n číslicový optimalizační software prvotní návrh optické soustavy optimalizace - fináln lní podoba s požadovanými vlastnostmi požadovan adované vlastnosti a kvalita zobrazení dané soustavy je dána d chybovou funkcí změny proměnných parametrů soustavy - minimalizace chybové funkce nejpoužívan vanější je metoda nejmenší ších čtverců simulační software (komplexní a parciáln lní chybové funkce) broušen ené povrchy čoček, generující kulovou plochu - výskyt vad vyrovnání vad pomocí kombinace optických elementů (namísto odstranění) rozší šíření možnost ností designu nové materiály, asférick rické členy

5 Software pro návrh n optických ZEMAX CODE V OSLO soustav Proč OSLO objektově orientovaný vestavěný compiler s vysokým výkon na stolních PC možnosti výukové verze (dvě verze light a standard zakoupeny na katedře) e)

6 OSLO Optics Software for Layout and Optimization použit ití stanovení velikosti a tvaru použitých optických elementů v různých r oblastech (vesmírn rné, vojenské,, vědeckv decké aplikace apod.) simulace vlastností optického systému návrh nových utilit pro další optický design (testy, výroba)

7 OSLO Metoda monte carlo - založena na provádění náhodných experimentů s modelem systému a jejich vyhodnocení Kvalitní generátory pseudonáhodných čísel (netřeba eba skutečně náhodná čísla). Výsledkem provedení velkého množstv ství experimentů je obvykle pravděpodobnost podobnost určit itého jevu. Na základě získané pravděpodobnosti podobnosti a známých vztahů pak spočítáme potřebn ebné výsledky.

8 Možnosti OSLO design běžb ěžných čoček zoom funkce modelování Gaussova svazku(laser) vláknov knová optika osvětlovac tlovací systémy systémy s dělend lením m paprsku systémy citlivé na polarizaci systémy s vysokou rozlišovac ovací schopností

9 Standardní návrh

10 ZOOM funkce

11 Modelování Gaussova svazku(laser)

12 vláknov knová optika

13 osvětlovac tlovací systémy

14 systémy s dělend lením m paprsku

15 systémy citlivé na polarizaci

16 Parametry elementů optických soustav Index lomu mezní úhel (odrazivost) Reflektor Refraktor Poloměr r křivostik Tloušťka elementu

17

18

19 Používan vané optické elementy v OSLO Lámavé plochy čočky Odrazné plochy zrcadla Matnice obrazová rovina Předloha předmětová rovina Omezení paprsků clony (vstupní, výstupní)

20 Filozofie práce v OSLO

21 Základy práce v programu OSLO Surface data 1. Ovládání okna tato tlačítka umožňují zachovat nebo zrušit 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 r povrchu systému, které způsobuj sobují odraz, lom a ohyb. 4. NástrojovN strojové ikonky pomocí těchto ikonek lze vyjmout, kopírovat a opět vkládat data do jednotlivých buněk k a také vkládat prázdn zdné rádky do oblasti povrchových dat apod. 5. ZáloZ ložky přepínáním m lze otevřít t další okna, kde lze ovládat další parametry sytému.

22 Povrchová data Radius of Curvature (poloměr r křivosti) k - střed křivosti k je pro daný povrch umíst stěn n v ose z - pokud leží tento střed v kladné části osy z (tzn. vpravo), pak je poloměr r křivosti k kladný, v opačném m případp padě záporný - poloměr r křivosti k lze zadat přímo p nebo kliknutím m na tlačítko tko volby (viz obrázek 10) a zvolením m jiné možnosti - můžeme zvolit volbu Solve, pod kterou se schovává několik další ších možnost ností; ; zajímav mavá je např.. volba Axial Ray Angle, kdy se poloměr r křivosti k nastaví tak, aby paraxiáln lní osový paprsek opouštěl l povrch pod určitým úhlem; lze využít t u posledního povrchu pro udržov ování konstantní hodnoty EFL nebo clonového čísla, měnímem me-li ostatní data -volby Curvature PickUp a Minus Curvature PickUp se hodí pro nastavení poloměru křivostí stejných jako některn které z předchozp edchozích povrchu (se znaménkem nkem plus nebo minus) - volba Variable slouží k označen ení daného parametru jako proměnn nné,, tím t m pádem p jej lze využít t při p i optimalizaci Thickness (tlouštka) tka) - tlouštka tka povrchu je vzdálenost měřm ěřená podél l osy z k další šímu mu povrchu - pozitivní tlouštka tka je brána v kladném m směru osy z - konvence v OSLO je taková, že e světlo se šíří v kladném m směru osy z - podobně jako u poloměru křivosti k lze tloušťku zadat několika n způsoby - speciáln lní je povrch IMS (Image Surface), jelikož za ním n m již žádný další povrch není,, mám hodnota tloušťky u tohoto povrchu odlišný význam; pokud je nenulová,, bere se jako posun zaostřen ení roviny obrazu; volbou Autofocus nastavíme tloušťku IMS na hodnotu, která minimalizuje velikost bodu, který leží v ose soustavy

23 Povrchová data Aperture Radius (poloměr r otvoru - apertura) - je to poloměr r (kruhové) ) opticky efektivní oblasti povrchu - bežne používá OSLO tuto hodnotu pouze ke kreslení hran optických prvku - také aperturu lze zadat vícero v způsoby Glass (sklo - materiál) - tento parametr určuje uje materiál, který se nachází mezi aktuáln lním m a následujícím m povrchem - pojmem Glass se myslí jakýkoli optický přenosový p materiál - opět t existuje mnoho způsob sobů,, jak tento parametr zadat - často je používan vaná volba Catalog, která otevře e podmenu s několika n různými r katalogy; výběrem jednoho z nich (např.. Schott) se zobrazí nové okno, ve kterém m si můžm ůžeme vybrat požadovaný materiál Special Surface Data (speciáln lní data povrchu) - sem patří např.. poznámka k danému povrchu, nastavení parametru Fresnelova povrchu, natáčen ení jednotlivých elementu nebo změna středu soustavy elementu, nastavení asférick rického povrchu apod

24 Ovládání okna funguje jako OK tlačítko, tko, akceptuje provedené změny, data lze potvrdit také klávesou ENTER, k uzavřen ení aktivního listu je však v třeba t zmáčknout SHIFT+ENTER funguje jako tlačítko tko zrušit, OSLO neakceptuje provedené změny - lze provést také klávesou ESC, k uzavřen ení aktivního listu je však v třeba t zmáčknout SHIFT+ESC - tlačítko tko nápovn povědy, otevře e nápovn povědu programu OSLO, a to na místm stě odpovídaj dajícímu obsahu příkazové rádky

25 Systémov mová data Lens pole se stručným popisem cocky pro snadnou identifikaci, není to totéž jako název n souboru Zoom OSLO umí současn asně zpracovávat vat několik n systému, které se od původního liší pouze v několika n detailech, takovým se říká multikonfigurační systémy; v poli Zoom je zobrazeno aktuáln lní přiblížení a celkový počet přiblížení,, mezi kterými lze přepp epínat pomocí šipek a měnit m některn které detaily (například tloušťku povrchu) EFL Efective Focal Length je efektivní ohnisková vzdálenost, toto pole je pouze informativní,, nelze jej měnit; m slouží ke kontrole uživatelem, u který tak vidí,, jaký mám daná změna vliv na ohniskovou vzdálenost Entrance Beam Radius (EBR) poloměr r vstupního paprsku (apertura systému), pro cocky s předmp edmětem v nekonečnu nu používá OSLO standardní hodnotu 1E20; EBR je definován n jako poloměr r axiáln lního paprsku světla vstupujícího do cocky měřm ěřeného u povrchu jedna Field Angle prostorový úhel (zorné pole), pro čočky s předmp edmětem v nekonečnu nu odpovídá úhlu danému předmp edmětem na vstupní čočce; pro konečné systémy je zobrazena výška předmp edmětu, tj. vzdálenost od optické osy ke kraji předmp edmětu Primary Wavelength hlavní vlnová délka, je zadávána a zobrazována v μm, lze ji změnit vybráním m buňky a vložen ením m nové hodnoty, pomocí kliknutí do buňky lze vyvolat seznam běžb ěžně užívaných vlnových délekd

26

27 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.

28 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

29 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.

30 Spot Diagram

31 PSF

32 MTF

33 Možnosti optimalizace Katalogové čočky měníme me pohu a skladbu komponent podle podle zkušenosti Vytvářen ení nové soustavy možnost měnit m většinu parametrů (n,r,t ) potřeba výroby komponent

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

35 Triplet Příklad OLSO

36 Základní vlastnosti optických soustav Určen ení mezního úhlu Snellův zákon Základní zobrazovací rovnice jednoduchá soustava dvou tenkých čoček

37 Snellův zákon Matematicky je zákon z lomu vyjádřen vztahem (n1 je index lomu prostřed edí,, kterým paprsek prochází,, než dojde k lomu, n2 index lomu prostřed edí,, do kterého paprsek prochází) index lomu n je poměr r rychlosti světla ve vakuu a rychlosti světla v daném prostřed edí n = c/v

38 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 ho prostřed edí.. K úplnému odrazu dojde, když je úhel dopadu větší než mezní úhel. Mezní úhel každé látky je podle zákona lomu: Při přechodu z prostřed edí 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.

39 Zobrazovací rovnice f a f ' + = 1, a' D = 1 [ dpt ]. f '

40 1. Sv 2. Sv Světlo postupuje z prostřed edí o indexu lomu 1,7 do prostřed edí o indexu lomu 1,5. Při P i jakém úhlu dopadu nastane úplný odraz? Světelný paprsek prochází ze skla do vody. Jaký je největší možný úhel dopadu, je-li index lomu skla 1,533 a vody 1,333? 3. Nakreslete průchod paprsků světla vrstvami a) vzduch voda sklo, b) sklo vzduch voda. 4. Konfigurace: tenká spojka = 5D - tenká rozptylka =? vzájemn jemná vzdálenost 10 cm předmět t 20 cm od spojky, obraz = 20 cm od rozptylky

41 Děkuji za pozornost