Il design ottico è un campo di ingegneria ottica che mira a creare, ottimizzare e produrre sistemi ottici come obiettivi , i luoghi , il telescopio , il microscopio , ecc
Il design ottico si basa principalmente sulle leggi dell'ottica geometrica e della radiometria .
Il design ottico che copre l'intero processo di sviluppo di un sistema ottico, è un campo dell'ottica che nasce dalla creazione dei primi sistemi ottici. Fino a molto tardi nel XIX ° secolo , tuttavia, sono meno calcoli che approcci sperimentali che vengono utilizzati e il menisco Wollaston è stato progettato da un approccio completamente empirica. Con l'emergere della teoria delle aberrazioni sviluppata da Philipp Ludwig von Seidel, il progetto si è gradualmente orientato verso il calcolo pur conservando gran parte della sperimentazione. Fino alla metà del XX ° secolo , il design ottico è ancora un mix di teoria aberrazioni, ray tracing ed esperienza.
Le calcolatrici meccaniche sono poco utilizzate: fino al 1940, è più comodo e veloce utilizzare le innumerevoli tabelle dei logaritmi per eseguire il ray tracing che esegue calcoli con una macchina. Il processo rimane iterativo, viene realizzato un primo modello considerando la teoria di Seidel, viene lavorato un prototipo, misurate le sue aberrazioni, quindi il modello viene corretto di conseguenza e viene lanciato un nuovo prototipo. Per molto tempo, la lavorazione di più prototipi costa meno che investire in un computer troppo costoso.
Il primo computer da utilizzare per il calcolo ottico risale al 1949 quando Charles Wynne Gorrie (in) lancia un ray tracing nel contesto della progettazione del sistema: il calcolo del percorso non è stato completato fino a quando il sistema non è stato consegnato. Dal 1957, la Taylor, la Taylor e la Hobson acquistarono un computer della Elliott Brothers dedicato al ray tracing, ma rimase per anni a venire l'unica azienda ottica con questo tipo di apparecchiature.
L'uso dei computer non si è veramente democratizzato fino a quando non sono stati sufficientemente efficienti e veloci da presentare un vantaggio rispetto al calcolo "manuale"; lo sviluppo dell'algoritmo Levenberg-Marquardt (o Damped Least Squares , "Moindre Carrés Amortis") a metà degli anni '60 segna davvero il momento a partire dal quale il lavoro di progettazione ottica viene svolto principalmente su un computer.
Il punto di partenza della progettazione ottica è la determinazione completa delle caratteristiche richieste per soddisfare le specifiche o necessità dell'ottica.
Da un punto di vista ottico, le specifiche fissano vincoli ottici:
e pratiche:
L'apertura del sistema, la lunghezza focale e il campo determinano il tipo di sistema ottico da utilizzare. Per quanto riguarda le ottiche si scelgono diverse soluzioni a seconda delle prestazioni desiderate.
L'ottica più semplice, la lente semplice, introduce un cromatismo qualunque sia il vetro utilizzato, oltre ad aberrazioni geometriche, è quindi raro che funzioni nel limite di diffrazione .
Il doppietto permette di ridurre notevolmente o eliminare il cromatismo aggiungendo una nuova diottria (per un doppietto incollato) che permette di ridurre le aberrazioni geometriche. In particolare, un doppietto acromatico consente di annullare le aberrazioni cromatiche utilizzando due vetri ottici di diversa costruzione. Un doppietto pelato è migliore di un doppietto incollato dal punto di vista delle aberrazioni geometriche, ma è meno robusto agli spostamenti meccanici e all'espansione termica.
La tripletta riduce ulteriormente le aberrazioni geometriche. È quindi ampiamente utilizzato nei sistemi ottici fotografici.
Per la stessa configurazione con uno studio sul campo, ecco le PSF dei vari sistemi ottici citati:
Esempio di PSF simulato con OSLO per una singola lente sul campo
Esempio di PSF simulato con OSLO per un doppietto in campo
Esempio di PSF simulato con OSLO per una tripletta in campo
L'ottimizzazione di un sistema ottico avviene trovando una soluzione che minimizzi simultaneamente tutte le aberrazioni (ponderate) del sistema. Questa ricerca dell'ottimo è tradotta matematicamente dalla ricerca di un minimo globale in uno spazio multidimensionale .
L'automazione di questa ricerca è stata avviata da James G. Baker e Feder, Wynne, Glatzel, Gray negli anni 40. Prima della democratizzazione dei computer , la maggior parte dei calcoli erano eseguiti a mano, utilizzando tabelle logaritmiche e trigonometriche.
La tolleranza di un sistema ottico consiste nel tenere conto nella progettazione del sistema dei difetti che si presenteranno al momento della fabbricazione industriale. Vengono quindi presi in considerazione due tipi di guasto:
Difetti relativi ai vetri ottici e alla loro lucidatura:
Difetti relativi al posizionamento delle lenti:
La presa in considerazione di tutti i difetti fisici che possono interessare un sistema ottico consente di validare la fattibilità di un modello teorico e la robustezza del sistema. In generale, la tolleranza porta a una nuova ricerca di una soluzione per rendere la soluzione teorica più robusta o più adatta ai processi di produzione.
La verifica della robustezza alle modifiche può assumere la forma di un calcolo Monte-Carlo che corrisponde ad una simulazione numerica della risposta di un insieme di sistemi ad una combinazione casuale di difetti entro i limiti fissati per le tolleranze.
La progettazione ottica viene eseguita principalmente utilizzando software specializzati provvisti di librerie di sistemi esistenti che consentono di trovare soluzioni di partenza già ben ottimizzate.
Tuttavia, alcune tecniche vengono utilizzate per la progettazione ottica dei sistemi:
Alcuni dei principali software di progettazione ottica includono: