Einführung in die optische Konstruktion und Linsenkonstruktion

Was ist optisches Design? Wie hängt es mit anderen Bereichen der Optik, optischen Systemen und der optischen Technik zusammen? Wie geht man dabei vor?

Dies sind die Themen dieser kurzen Einführung. Wir möchten Ihnen einen Einblick in die Thematik geben und Sie bei Interesse an weiterführenden Informationen auf andere Quellen hinweisen. Unser Geschäft basiert im Wesentlichen auf dem, was gemeinhin als Linsendesign oder (korrekter) optisches Design bezeichnet wird. Dieser Artikel richtet sich an alle Leser, die sich für dieses Gebiet der angewandten Optik interessieren.

Die Optik ist ein Teilgebiet der Physik: die Wissenschaft vom Licht. Sie befasst sich mit allen Aspekten des Verhaltens von Licht und umfasst daher ein sehr weites Feld. Fragen wie „ Warum ist der Himmel blau?“ , „Warum vergrößert eine Lupe Dinge?“ oder „Wie funktioniert ein Laser?“ fallen alle in den Bereich der Optik.

Eine interessante Eigenschaft des Lichts ist, dass es sich manchmal wie eine Welle, manchmal aber eher wie ein Strom sehr schneller Teilchen oder Quanten, sogenannter Photonen, verhält. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus zählt nach wie vor zu den Geheimnissen der Natur, doch in der Praxis konzentrieren wir uns auf den Aspekt, der unsere Berechnungen vereinfacht. Bei Lasern und Detektoren spielen Quanteneffekte eine besonders wichtige Rolle, während in der optischen Konstruktion meist die Wellen- oder „physikalische“ Optik dominiert.

Optikingenieure nutzen optische Verfahren, um Probleme zu lösen und Geräte zu entwickeln und zu bauen, die Licht nutzbar machen. Dazu müssen sie die optische Wissenschaft im Detail verstehen und anwenden können, um zu wissen, welche Lösungen physikalisch möglich sind. Sie müssen außerdem wissen, was im Hinblick auf verfügbare Technologien, Materialien, Kosten, Konstruktionsmethoden usw. praktikabel ist.

Optische Ingenieure arbeiten in allen Bereichen der Optik und nutzen verschiedene Techniken, um Laser zu entwerfen, Teleskope zu bauen, Glasfaser-Kommunikationssysteme zu entwickeln und vieles mehr.

Wie in anderen Ingenieurdisziplinen sind Computer auch für die meisten Optikingenieure unverzichtbar. Sie nutzen sie zusammen mit Messgeräten, für Simulationen, im Designprozess und für viele weitere Anwendungen. Ingenieure verwenden häufig gängige Computerprogramme wie Tabellenkalkulationen und Programmiersprachen, aber auch spezialisierte Software, die speziell für ihr Fachgebiet entwickelt wurde.

Was ist eine Linse? Man könnte meinen, das sei eine einfache Frage – einfach ein gebogenes Stück klares Glas oder Kunststoff, richtig?

Nun ja, das ist eine Art von Linse, und zwar die gebräuchlichste (die meisten Brillen und Kontaktlinsen sind von dieser Art).

Für einen Linsenkonstrukteur ist eine Linse jedoch ein allgemeineres Bauteil. Es handelt sich um jedes System, das versucht, Licht auf eine bestimmte, gewünschte Weise zu sammeln und zu verteilen.

Das kommt dem schon näher, was wir uns unter Wechselobjektiven für eine 35-mm-Spiegelreflexkamera vorstellen (z. B. Normal-, Weitwinkel-, Tele- und Zoomobjektiv). Schneidet man so ein Objektiv auf (bitte nicht nachmachen!), findet man darin mehrere einzelne Linsen unterschiedlicher Form und Größe. Diese bezeichnen wir als Linsenelemente , und das gesamte Objektiv nennen wir optisches System.

Heutzutage wird der Linsenkonstrukteur häufiger als Optikdesigner bezeichnet, obwohl die ältere Bezeichnung neben teils klangvollen, beschreibenden Namen wie „Strahlenlenker “ weiterhin weit verbreitet ist. Es ist zunehmend üblich, dass „Linsenkonstrukteur“ nur eine von vielen Berufsbezeichnungen für Optikingenieure ist. Darüber hinaus verfügen Linsenkonstrukteure nicht zwangsläufig über einen spezifischen optischen Hintergrund – viele Linsenkonstrukteure sind ursprünglich Physiker oder Ingenieure.

Moderne Objektivdesigner arbeiten mitunter an „Linsen“, die weit entfernt sind von typischen Gleitsichtbrillen oder 35-mm-Kompaktkameras (wobei die Kompaktobjektive von Kompaktkameras durchaus cleveres Design und kostengünstige Technik widerspiegeln können). Wenn ein System in irgendeiner Form Licht nutzt (einschließlich Lasersysteme), ist die Linsenkonstruktion nahezu immer involviert.

Das Hubble-Weltraumteleskop ist wohl das bekannteste optische System im Weltraum, und mehrere Ingenieure von Optical Research Associates (ORA®, heute Keysight Optical Design Engineering) arbeiteten an der Konstruktion und anderen Aspekten der Reparaturoptik. ORA wurde für diese und weitere Arbeiten im Weltraumbereich sogar mit einem NASA-Preis ausgezeichnet.

Nachdem Sie nun wissen, was eine Linse ist, wie entwirft man eine? Die vollständigen Details gehen etwas über den Rahmen dieser „sanften Einführung“ hinaus, aber wir können die typischen Schritte skizzieren.

• Problemdefinition: Andere Ingenieure oder Fachbereiche definieren möglicherweise die Anforderungen und Grenzen des Konstruktionsproblems. Anschließend ist es Aufgabe des Objektivkonstrukteurs, diese in detaillierte optische Spezifikationen wie Bildwinkel und Brennweite zu übersetzen. Sie sollten außerdem die Leistungsspezifikation definieren, die detailliert beschreibt, wie gut das Objektiv ein Bild erzeugen muss. Hierfür werden verschiedene optische Bewertungsverfahren eingesetzt. Es können zahlreiche Anforderungen erfüllt werden müssen, von denen einige hinsichtlich des Konstruktionsansatzes widersprüchlich sind (z. B. sind große Blendenöffnung und geringes Gewicht in der Regel gegensätzliche Anforderungen, die zu Kompromissen führen).
• Vorentwurf: Sobald die grundlegenden Faktoren festgelegt sind, müssen Entscheidungen getroffen werden, z. B. ob das Licht reflektiert oder gebrochen werden soll, die Anzahl der Linsenelemente und die Gesamtgröße. Der Vorentwurf umfasst oft Skizzen auf Papier und Bleistift, einschließlich grober grafischer Strahlverfolgungen mit dünnen Linsen als Ersatz für reale Linsen. Grafische Software-Tools können in dieser Phase sehr hilfreich sein, insbesondere wenn Vorentwurfs-Abwägungen („Was-wäre-wenn-Szenarien“) getroffen werden müssen, was häufig der Fall sein wird.

• Optimierung: Bevor Sie eine Linse optimieren können, müssen Sie verschiedene Variablen definieren (Parameter wie Krümmung, Dicke, Brechungsindex usw., die das Programm zur Leistungsverbesserung anpassen kann), eine Fehlerfunktion (ein Maß für die optische Qualität, wobei Null typischerweise „Perfektion“ bedeutet) und Randbedingungen (Grenzwerte, die mögliche Konfigurationen einschränken). Anschließend können Sie numerische Methoden verwenden, um die Variablen systematisch zu verändern und so die Fehlerfunktion unter Einhaltung aller Randbedingungen zu minimieren. Manchmal gelingt dies reibungslos, häufiger jedoch nicht. Manche Software ist für viele Arten von Optimierungsproblemen recht intelligent, aber kein Programm arbeitet bisher vollautomatisch, schon allein deshalb, weil manche Anforderungen und ästhetische Beurteilungen im Kopf des Designers verbleiben und nicht in der Fehlerfunktion berücksichtigt werden. In solchen Fällen ist die Expertise des Linsendesigners wichtig, um Konflikte zu lösen.
• Abschließende Analyse: Nach der Optimierung der Linse muss überprüft werden, ob sie die in der ursprünglichen Spezifikation festgelegten Anforderungen erfüllt. Optimierungsfehlerfunktionen korrelieren möglicherweise nicht perfekt mit Spezifikationen wie der Modulationsübertragungsfunktion (MTF) oder der eingeschlossenen Energie. Falls die Anforderungen noch nicht vollständig erfüllt sind, muss die Optimierung gegebenenfalls wiederholt werden (z. B. durch Hinzufügen von Variablen oder Ändern von Randbedingungen). In manchen Fällen ist es sogar erforderlich, einen anderen Ausgangspunkt zu wählen.
• Vorbereitung der Fertigung: Selbst wenn das Linsendesign den Anforderungen entspricht, sind noch weitere Vorbereitungsarbeiten für die Fertigung erforderlich. Mehr dazu finden Sie im Abschnitt „Der Rest der Geschichte“ (unten).

Was fehlt dabei? Tatsächlich viele der „schwierigen Aspekte“ des Designprozesses. Unvollständige oder sich ändernde Spezifikationen. Widersprüchliche Anforderungen. Sackgassen bei Lösungsansätzen. Unrealistische Zeitpläne. Computerabstürze. Niemand hat behauptet, es sei einfach!

Für Optiker lassen sich anhand der Form und Größe der entstehenden Muster Rückschlüsse auf Ausmaß und Art der vorhandenen Abbildungsfehler ziehen. Mit diesen Informationen können Korrektur- oder Reduzierungsmaßnahmen geplant werden. Die Aberrationstheorie zerlegt Abbildungsfehler in ihre Komponenten (genauer gesagt in Polynome) und kann sogar bestimmte Oberflächen der Linse als Ursache für die Fehler identifizieren. Eine stark gekrümmte oder schlecht gefertigte Oberfläche kann einen erheblichen Anteil der Abbildungsfehler verursachen; die Informationen über den Oberflächenbeitrag geben aber zumindest einen Anhaltspunkt für das weitere Vorgehen.

Die sphärische Aberration (SA) ist vielleicht am einfachsten zu verstehen, da sie nur vom Abstand zur optischen Achse abhängt. Die meisten optischen Oberflächen sind Kugelabschnitte, da diese Oberflächenformen am einfachsten herzustellen sind. Eine einfache sphärische Linse oder ein Spiegel bricht Lichtstrahlen in unterschiedlichen Höhen auf der Oberfläche nicht im gleichen Maße, sodass sie in leicht unterschiedlichen Abständen entlang der Achse fokussiert werden; dies ist die sphärische Aberration.

Bei einfachen Linsen lässt sich die sphärische Aberration (SA) durch die Wahl der richtigen Linsenform reduzieren (im Fachjargon „Linsenbiegung“ genannt). Bei Spiegeln (wie im HST) kann die SA korrigiert werden, indem der Spiegel einen leicht nicht-sphärischen Kegelschnitt aufweist (allerdings muss die korrekte Kegelform erzeugt werden, was beim HST das Problem war – sie hatten ihn perfekt nach dem falschen Prüfstandard konstruiert!).

Natürlich gibt es auch andere Abbildungsfehler , deren Wechselwirkungen die gewünschte Korrektur verhindern können. Das ist der altbekannte „Beulen-im-Teppich“-Effekt: Korrigiert man an einer Stelle, taucht der Fehler an einer anderen wieder auf. Das kann die Objektivkonstruktion etwas knifflig machen (und führt zum nächsten Thema der Optimierung).

Das HST verdeutlicht auch den Vorteil von Abbildungsfehlern: Kennt man ihre genaue Natur, lassen sie sich oft korrigieren (vor allem mit ausreichend Budget!). Brecht die Optik das Licht in die falsche Richtung, kann man sie umformen oder Elemente hinzufügen, um den Abbildungsfehler auszugleichen – ähnlich wie eine Brille Kurzsichtigkeit korrigiert. (Kurzsichtigkeit selbst ist jedoch kein Abbildungsfehler im eigentlichen Sinne – das kurzsichtige Auge hat die falsche Brennweite und benötigt daher eine zusätzliche Linse, um auf der Netzhaut scharfzustellen.)

Die Optimierung ist ein so wichtiges Thema im optischen Design, dass wir es hier ausführlicher behandeln müssen, obwohl es im Abschnitt „Wie man eine Linse entwirft“ bereits kurz erwähnt wurde. Ziel der Optimierung ist es, eine Ausgangslinse so zu verändern, dass ihre Leistung verbessert wird. Die Ausgangslinse sollte eine geeignete Anzahl optischer Oberflächen geeigneter Art aufweisen, da die Optimierung nur die Werte der Parameter, nicht aber die Anzahl oder Art der Oberflächen verändern kann. Optik ist sehr präzise (Abstände im Mikrometerbereich können einen großen Unterschied ausmachen), daher müssen Sie die Werte aller Variablen in jedem Optimierungsschritt genau bestimmen.

Betrachten wir zunächst die lokale Optimierung. Was bedeutet „lokal“? Bei einem Linsenmodell korreliert die Fehlerfunktion mit der Bildqualität, beispielsweise mit der Spotgröße oder dem RMS-Wellenfrontfehler – je kleiner, desto besser. Ändert man Variablen, ändert sich die Linse, die Strahlverfolgungswerte und die Fehlerfunktion nimmt neue Werte an. Stellt man diese Werte grafisch dar, erhält man eine Karte der Maxima und Minima im Fehlerfunktionsraum (in ein bis 99 oder mehr Dimensionen, abhängig von den Variablen). In der zugegebenermaßen etwas vereinfachten Skizze oben repräsentiert der vertikale Abstand den Wert der Fehlerfunktion (je niedriger, desto besser), und die horizontale Position eine der Variablen der Linse. Dies könnte beispielsweise die Krümmung der Frontfläche sein.

Da kleiner besser ist, besteht Ihr Ziel darin, den tiefstmöglichen Punkt auf dieser Karte zu finden – das Tal des Todes im Fehlerfunktionsland (EFL). Die lokale Optimierung findet die niedrigste nahegelegene Region im EFL. Wenn Sie also Glück (oder Geschick) bei der Wahl Ihres Startpunkts haben, werden Sie gute Ergebnisse erzielen. Analog dazu könnten Sie mit lokaler Optimierung das Tal des Todes erreichen, wenn Sie in Los Angeles starten, aber nicht in New York – Sie würden wahrscheinlich irgendwo in New Jersey landen. Hilft Ihnen diese Analogie weiter? Vielleicht nicht, aber der Punkt ist: Bei der lokalen Optimierung ist die Wahl des Startpunkts sehr wichtig. (In unserem Beispiel führt die lokale Optimierung Sie nicht zum tiefsten Punkt – sie befördert Sie in eines der Täler rechts oder links vom Startpunkt „Sie sind hier“.)

Betrachten wir nun die globale Optimierung. Dieser Algorithmus durchsucht die gesamte Fehlerfunktionslandschaft und findet (letztendlich) den tiefsten Punkt, unabhängig vom Startpunkt. Selbst wenn man in Florida beginnt, führt die globale Optimierung einen schließlich ins Death Valley. Je nach Methode kann dies sehr lange dauern, und man erhält möglicherweise unterwegs viele weitere Tiefpunkte, von denen einige für die eigenen Zwecke ausreichend tief sein könnten.

Eine etwas alberne Analogie? Vielleicht, aber wichtig ist hierbei, dass die globale Optimierung den gesamten „Fehlerfunktionsraum“ berücksichtigt, sodass Ihr tatsächlicher Startpunkt viel weniger kritisch ist. (In unserem Beispiel sollte die globale Optimierung Sie zum gewünschten Minimum führen.)

Dies wäre keine so sanfte (und kurze) Einleitung, wenn wir Ihnen hier tatsächlich den Rest der Geschichte erzählen würden. Es gibt zwangsläufig vieles, was wir ausgelassen haben:

• Beleuchtungsanalyse
• Vorbereitung für die Fertigung
• Integration mit optischen Tests
• Analyse der Auswirkungen von Fertigungsfehlern (dies wird als Tolerierung bezeichnet)
• Umwelteinflüsse (insbesondere thermische)
• Halterungen und Schalldämpfer
• Streulicht

Software kann bei fast allen diesen Problemen helfen, doch der Entwickler bleibt unerlässlich, um Probleme und Prioritäten zu erkennen. Trotzdem ist es nach wie vor eine Herausforderung, das Gelernte in die Praxis umzusetzen und Linsen herzustellen, die alle Anforderungen im praktischen Einsatz erfüllen. Keysight bietet verschiedene Softwarelösungen für die optische Konstruktion, die Sie bei der Erreichung Ihrer Ziele unterstützen. Kontaktieren Sie uns, um die optimale Software für Ihre Anwendung zu finden .

Es gibt einige hervorragende Informationsquellen zur Optik, die meisten davon in gedruckter Form in Büchern und Zeitschriften. Diese Liste ist nur ein Ausgangspunkt – wir werden sie im Laufe der Zeit ergänzen und freuen uns über Vorschläge.

Grundlagen

• Molecular Expressions' „Einführung in die optische Mikroskopie“ zu Licht und Farbe

Diese Website bietet eine Fülle faszinierender Informationen zur Mikroskopie – von den Grundlagen der Mikroskopoptik bis hin zu fortgeschrittenen Anwendungen und Beispielbildern. Ein Besuch lohnt sich aufgrund der hervorragenden Erklärungen, Grafiken und interaktiven Java-Tutorials zu Brechung, Reflexion und anderen optischen Themen. Sie behandelt viele hier nur kurz erwähnte Aspekte wie Beugung, Polarisation und Interferenz. Eine fantastische Website!

• Eyewitness: Light von David Burnie (Dorling Kindersley, 1992)

Teil der Reihe „Eyewitness Science“, die sich vordergründig an Kinder richtet, wunderschön illustriert mit hervorragenden Erklärungen.

• Optik von E. Hecht und A. Zajac (Addison-Wesley, 1974)

Ein gutes Lehrbuch für Physikstudenten im Grundstudium.

Optische Konstruktion und Design

• Optikdesign mit CODE V® von Donald C. O'Shea und Julie L. Bentley
• Moderne Optikzeichnungen: Der ISO 10110-Begleiter von Eric Herman, David M. Aikens und Richard N. Youngworth
• Modellierung der Bildgebungskette digitaler Kameras von Robert D. Fiete
• Fertigungsmethoden für Präzisionsoptiken von Hank H. Karow
• Eine Geschichte der fotografischen Linse von Rudolph Kingslake
• Geformte Optiken: Konstruktion und Fertigung (Reihe Optik und Optoelektronik) von Michael Schaub et al.
• Grundlagen der optischen Konstruktion von Michael J. Kidger
• Handbuch der optischen Systeme von Herbert Gross
• Aberrationen optischer Systeme von W. T. Welford
• Grundlagen der Linsenkonstruktion von Rudolf Kingslake und R. Barry Johnson (Academic Press, 2010)

Beinhaltet die Grundlagen, die professionelle Designer benötigen.

• Elemente des modernen optischen Designs von Donald O'Shea (Wiley-Interscience, 1985)

Ausgezeichnetes Lehrbuch auf Hochschulniveau mit guten Erklärungen und einer praxisorientierten Ausrichtung.

• Moderne optische Technik von Warren Smith (Zweite Auflage, McGraw-Hill, 1990)

Das Standardwerk und Lernwerkzeug für die optische Technik.

Zeitschriften

• Optics and Photonics News (monatlich, Abonnement erforderlich, Optica , Washington, DC)

Nachrichten und technische Artikel (die monatliche Kolumne „Light Touch“ behandelt „Alltagsoptik“ für den Laien).

• Photonikspektren

Weitere Ressourcen

• Wie Objektive hergestellt werden (Canon)

Besuchen Sie die Canon-Website und erfahren Sie, wie Objektive hergestellt werden und wie sie funktionieren. Lernen Sie verschiedene Objektivtypen kennen (z. B. Brechungslinsen für das blaue Lichtspektrum, Fluoridlinsen, EF-Objektive und moderne Linsenvergütungen). Mit freundlicher Genehmigung von Canon. Es gibt auch einen Wissenschaftsbereich für Kinder .

• Die International Society for Optical Engineering (SPIE) und Optica (ehemals OSA) sind Fachgesellschaften, die Homepages mit nützlichen Informationen und Links zu anderen Organisationen pflegen.
• Optics4birding.com ist eine Website für Vogelbeobachter, bei der hochwertige Optik für Beobachtung und Fotografie unerlässlich ist. Die Seiten zum Thema „Optik kennenlernen“ erläutern viele optische Grundlagen und legen dabei den Fokus auf die praktische Anwendung der Optik.
• Weitere Keysight-Ressourcen finden Sie auf unserer Seite „Optics for Kids“ mit pädagogischen Inhalten, Ressourcen und auf unserem Pinterest-Board mit Lehrmaterialien und Projekten.