2021年5月26日,布鲁塞尔,比利时布鲁塞尔自由大学的布鲁塞尔光子学(B-PHOT)的研究人员开发了一种确定性直接光学设计方法,用于自由形式的成像系统。该方法基于源自费马原理的微分方程,并使用幂级数进行求解。研究人员说,这种方法为从头开始设计光学成像系统提供了一种方法,从而减少了对“试验和错误”方法的依赖。


费马光学原理指出在两点之间传播的光寻找一条路径,其中波数或两点之间的光学长度等于相邻路径中的波长。换句话说,光线在两点之间传播的路径需要最小或最大时间,这意味着从远处的物点发散并由透镜会聚到像点的两束光将具有相同的光路。


该方法特别使得能够计算光学表面系数,该光学表面系数对于每个单独的像差确保对图像的最小模糊。研究人员使用基于反射镜和透镜的设计来测试该方法,并通过折反射和折反射设计实例论证了该方法的系统性、确定性、可扩展性和整体性。


研究人员在一份发表的论文中说,自由形式光学系统的出现是在引入了超精密制造方法之后,这种制造方法使得能够制造出缺乏关于平面或轴的常见平移(或旋转)对称性的各种类型的透镜和反射镜。这些自由形式的光学元件可用于改善性能并减小作为其组成部分的光学成像系统的体积和重量。由于在采用新的超精密制造方法之前,成像系统通常包括球面和非球面折射透镜,反射镜或两者的结合,因此科学家和工程师能够使用像差理论来描述和量化光线与理想聚焦之间的偏差。在成像系统中。


研究人员开发了一种确定性直接光学设计方法,用于自由形式的成像系统

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尽管如此,许多当前的光学系统的设计仍依赖于光线追踪和优化算法。一个成功的(广泛使用的)基于优化的光学设计策略由一个著名的光学系统组成,并将其用作起点,以在整个设计过程中实现渐进式的改进。研究人员将这种方法称为“步进重复”方法,该方法需要猜测,有时也被称为“艺术与科学”,特别是在自由形式光学的设计中。


除了该方法中使用的微分方程和求解方案外,科学家还分两步总结了其方法的操作原理:求解非线性一阶情况,以及按升序求解线性方程组。


研究人员说:“最重要的是,对于所有(自由形式)光学设计,这两个步骤都是相同的。”


研究人员开发了一种确定性直接光学设计方法,用于自由形式的成像系统


他们补充说:“提出的方法可以高度系统地生成和评估直接计算的自由形式设计解决方案,这些解决方案可以轻松地用作进一步和最终优化的绝佳起点。因此,它可以直接生成'首次使用权'初始设计,当与可用的局部或全局优化算法结合使用时,可以在解决方案空间中进行严格,广泛且实时的评估。”


该研究发表在《光:科学与应用》上。



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