Как обойти ограничения, возникающие при производстве недорогих, компактных систем визуализации, с помощью ПО Zemax OpticStudio
Программное обеспечение Zemax OpticStudio содержит набор инструментов для анализа производительности любой оптической системы, который обеспечит полный анализ аберрации для улучшения конструкции произвольной формы. ПО OpticStudio помогает оптическим конструкторам наилучшим образом проверять модели и применять лучшие технологии для снятия ограничений при разработке и производстве компактных оптических систем.
Сегодня существует большая потребность в промышленном производстве компактных оптических систем по более низкой цене, так как такие системы как AR / VR-гарнитуры дополненной и виртуальной реальности, проекционные дисплеи, лидарные системы, медицинские системы визуализации и т. д. требуют миниатюрных и легких решений. Однако существуют определенные ограничения, связанные с изготовлением недорогих, компактных систем визуализации. Рассмотрим данные ограничения, а также имеющиеся технологии, которые могут помочь инженерам обойти их.
Ограничения
В прошлом году руководитель отдела разработки оптических изделий компании LightPath Джереми Хаддлстон рассказал об ограничениях в компактных и недорогих системах визуализации. Компания LightPath, использующая программные решения Zemax при оптических расчетах, является мировым лидером в области оптических технологий и предлагает решения в области оптики и фотоники для промышленности, обороны, телекоммуникаций, испытаний и измерений, а также для медицинской промышленности и обладает значительным опытом в этой области. Ниже приведены три момента из презентации Хаддлстона, на которые стоит обратить внимание:
1. Выбор материала влияет на стоимость оптической системы. Быть ограниченным в бюджете означает выбирать для оптической системы менее дорогие материалы. Но для недорогих материалов, которые масштабируются для большого объема производства, важно иметь в виду, что пластиковые и оксидные стекла становятся непрозрачными в ИК диапазоне. Таким образом нужно найти баланс между желаемой стоимостью и непрозрачностью оптической системы.
2. Стремление к меньшим размерам изделия диктует форму конструкции оптической системы. Малое эффективное фокусное расстояние (EFL) создает широкое поле зрения (FOV). Ограничение пространства может не позволить расположить линзу достаточно далеко от фокальной плоскости, поэтому количество элементов и поверхностей ограничено, также и апертурная диафрагма подвергаются воздействию. Может произойти непреднамеренное виньетирование и отсутствие яркости.
3. Диафрагменное число (F-number) будет низким. Стремление к уменьшению размера матриц для получения изображения также снизило размеры пикселей детектора. Для этого требуется оптика с низким диафрагменным числом (F-number), чтобы скомпенсировать ограничения детекторов с малым размером пикселя.
Технологии для снятия данных ограничений
Существует несколько технологий, которые помогают инженерам обойти ограничения при разработке недорогих компактных оптических систем получения изображений. Они включают:
- Прецизионное литье стекла, позволяющее производить недорогие асферические линзы с меньшим размером оптического элемента. Компания LightPath предлагает уделить дополнительное время и внимание выбору инструментов и пресс-формы для литья, что позволит добиться высокой повторяемости формы оптической линзы при низкой стоимости производства.
- Обработка алмазным инструментом, также предлагаемая компанией LightPath, использует сверхточный инструмент для обработки пресс-форм для крупносерийного производства и позволяет использовать материалы дифракционного качества для достижения коррекции хроматизма.
- Халькогенидные материалы для применений в ИК области, еще одна технология, предлагаемая компанией LightPath, которая представляет собой использование аморфных (изготавливаемых методом формовки) материалов для применений в инфракрасной области спектра и широком диапазоне длин волн. Эти материалы имеют низкую стоимость по сравнению с большинством ИК материалов.
- Оптические элементы, изготавливаемые на пластинах — это большие массивы линз, изготовленных одновременно на «пластинах». Этого можно достичь с помощью процессов формовки или травления.
Анализ оптической системы для оценки производительности
Программное обеспечение Zemax OpticStudio включает в себя набор инструментов для анализа производительности любой оптической системы. В дополнение к классическим функциям анализа, OpticStudio предлагает полный анализ аберрации для улучшения конструкции произвольной формы, контрастный анализ для оптимизации MTF и имитацию изображения для создания фотореалистичных изображений сцен объекта.
Инженеры-оптики также могут настроить OpticStudio в соответствии со своими потребностями с помощью программных библиотек ZOS-API. Они могут создавать автономные приложения, собственные методы анализа и управлять OpticStudio извне, используя программные коды C#, C++, MATLAB и Python. Язык программирования Zemax (ZPL) позволяет им писать собственные макросы для автоматизации повторяющихся процессов.
Хаддлстон из компани LightPath утверждает: «Компактные, недорогие системы визуализации имеют высокий риск нарушения стандартных допущений и приближений, обычно используемых при проектировании оптических систем. Даже некоторые определенные стимулирующие технологии, такие как асферические линзы и материалы дифракционного качества, увеличивают риск того, что эти предположения будут нарушены. Оптические конструкторы должны знать об этих рисках и использовать всесторонние возможности документирования и анализа в Zemax OpticStudio для правильной оценки проектов и представления точных показателей. Оптическим конструкторам наилучшим образом помогают проверять модели и применять лучшие практики инструменты, предоставляемые Zemax OpticStudio».
Оптимизация для встроенной производительности
Новая функция под названием высокопроизводительная оптимизация (High-Yield Optimization) в Zemax OpticStudio облегчает инженерам проектирование недорогих, компактных оптических систем и систем обработки изображений для визуализации. Традиционный подход к оптическому проектированию приводит к проектам, которые очень чувствительны к ошибкам изготовления и юстировки, что означает, что оптическую деталь будет трудно многократно успешно производить. Метод оптимизации с высокой производительностью позволяет создавать проекты, отвечающие строгим требованиям производительности.
Инженеры могут использовать Zemax OpticStudio для:
- Оптимизации производительности оптического изделия при проектировании, а не только номинальной производительности;
- Учет общих производственных дефектов в процессе проектирования оптического изделия;
- Поиск решения для оптической конструкции, которая имеет как хорошее качество изображения, так и малое входное поле, что снижает чувствительность к допускам полученной оптической конструкции при изготовлении;
Компания АЗИМУТ ФОТОНИКС является официальным представителем компании Zemax в России и оказывает полную техническую поддержку своим клиентам. По вопросам приобретении лицензии, пожалуйста, обращайтесь к нашим менеджерам.
