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Intégration de Systèmes Optiques
Edmund Optics Ltd

Intégration de Systèmes Optiques

Ces notes d'applications sont en rapport avec des intégrations personalisées d'imagerie, aussi bien que pour des systèmes de non-imagerie. Sentez-vous libre de discuter l'ensemble de ces notes ou pour toute autre intégration avec nos Ingénieurs d'Applications à [email protected].

DEFINIR L'APPLICATION

La première étape pour résoudre tout problème optique est de définir ce que l'application souhaite accomplir. Par exemple, déterminer si le système est d'imagerie ou non, puisque la performance varie en accordance.

Système d'Imagerie

Les systèmes d'imagerie transfèrent une représentation de l'objet à un détecteur, tel qu'un CCD ou votre oeil. Exemples d'imagerie sont les suivants : imagerie électronique pour inspection, systèmes de projection image, et systèmes de relai. Un système d'imagerie doit procurer suffisamment de qualité d'image pour permettre l'extraction de l'information désirée sur l'objet de l'image. La qualité d'image nécéssaire peut varier d'une application à une autre. Elle est mesurée par la résolution, le contraste d'image, les erreurs de perspective, erreurs géométriques (telle que la distorsion) et la profondeur de champ.

Système de Non Imagerie

Les systèmes de non-imagerie collectent, dispersent, reforment, focalisent, ou collimatent la lumière. Exemples sont les suivants : projection d'illumination, couplage de fibre, et projection laser. La performance d'un système de non-imagerie est mesurée par l'éfficacité de champ, taille du spot (systèmes focalisant) et résolution angulaire. L'énergie transmise est mesurée en sortie à travers le système de lentilles. L'éfficacité de champ est la capacité du système d'accommoder une large aire du détecteur ou taille de la source. La résolution angulaire est la séparation minimale angulaire nécéssaire entre deux objets dans le but que le système de lentille puisse les distinguer. La taille du spot est utilisée pour évaluer la performance de focalisation.

La prochaine étape est de déterminer les paramètres primaires de votre système. Vous pouvez ensuite commencer la conception. Les paramètres primaires sont définis ci-dessous.

Distances Conjuguées

Distances de la lentille à l'objet/source (distance objet) et la distance de la lentille à l'image/détecteur (distance image). Par exemple, dans une conception infinie conjuguée l'une de ces distances approchent l'infini.

Tailles Conjuguées

Tailles de l'objet/source (taille objet) et la taille de l'image/plan détecteur (taille image). Par exemple, dans des systèmes conjugué infini, la taille conjuguée peut être exprimée comme un angle.

Ouverture Numérique (NA) et Nombre f (f/#)

Une mesure du cône lumineux accepté ou émis par le système de lentille.

Résolution et Taille de Spot

Se réfèrent au paramètre le plus petit qu'un système d'imagerie peut distinguer dans un objet. (Cette valeur peut être grossissement limité ou diffraction limitée). Dans des systèmes de non-imagerie, la taille du spot est une façon de caractériser la performance nécessaire. Les systèmes conjugués infinis sont souvent définis en termes de résolution angulaire.

FORMES DE SOLUTIONS

La Inplupart des solutions d'applications peuvent être divisées en trois types: Fini/Conjugué Fini, Infini/Conjugué Infini, ou Infini/Conjugué Fini. Une conception fini/conjugué fini focalise la lumière d'une source (non à l'infini) à un simple point. La plupart des objectifs vidéo, prennant l'image d'un objet à une distance finie la focalise sur une CCD travaille de cette façon. Une application infini/conjugué infini collecte la lumière entrante collimatée (parallèle), change le diamètre du faisceau en accordance avec le grossissement, et émet la lumière collimatée. Une conception infini/conjugué fini combine ces deux procédés en focalisant une source placée à l'infini jusqu'à la taille d'un point.

Application Solution Designs

Il est préférable de commencer une conception avec la 'solution paraxiale' pour laquelle un conceveur fait une approximation des propriétés de l'ordre premier tels que la distance conjuguée, hauteurs d'image et objet, grossissement, etc. Les calculs paraxiaux utilisent les éléments paraxiaux-théoriquement les lentilles parfaites n'introduisant pas d'abérrations à travers l'épaisseur de lentille, rayon de courbure, type de verre, et effets de dispersion. Note: les seules spécifications pour une lentille paraxiale sont en position relative aux plans image et objet, diamètre lentille, et distance focale. Après avoir trouvé la solution paraxiale vous pouvez chercher la meilleure solution de 'lentille réelle' vous permettant de paramètrer l'épaisseur lentille, effets de dispersion, etc. Nous avons crée un logiciel de conception optique, Olive-Optical Layout, prévu pour aider les ingénieurs non-opticiens de réaliser les calculs difficiles nécessaires lors d'une application. Veuillez noter s'il vous plaît que vous n'êtes pas limité(e) à ces combinaisons.

Description des Variables

 
Hi , Ho Hauteur de l'image et de l'objet, respectivement. Ceci représente la Moitié de la taille image et objet actuelle. En systèmes afocaux, ceci représente la moitié de la taille du faisceau complet.
I , O Distances image et objet mesurées de la lentille au plus proche de l'image et de l'objet respectivement.
Fi , Fo Distances focales de la lentille la plus proche de l'image et de l'objet respectivement.
F Distance focale effective du système global.
M Grossissement est la capacité du système de produire une image élargie/réduite ou projection d'un objet.
d Distance entre deux élements.
θ Angle COMPLET du cône lumineux accepté ou émis par un système de lentille.
αi , αo DEMI champ de vision angulaire en systèmes conjugués infini.
TP Capcaité de transférer la lumière.
f/#
D
f/# est la capacité de la lentille de focaliser/collecter la lumière.
Diamètre de la lentille.

 

Convention de Signe

Valeurs Positives: Les quantités suivantes sont exprimées en valeurs positives : hauteurs au dessus de l'axe optique, distances mesurées à la droite du point référence, distance focale de lentille focalisant, et angles qui sont mesurés dans le sens des aiguilles d'une montre de l'axe optique.

Valeurs Négatives: Les opposés des quantités ci-dessus sont exprimées en valeurs négatives (c'est à dire hauteur mesurée au-dessus de l'axe optique est exprimé comme quantité positive, hauteur mesurée en-dessous de l'axe optique est exprimée en quantité négative).

Point Référence pour Equation Donnée: Position Lentille

Légende

Le critére utilisé pour évaluer chaque type de lentilles sous différents configurations est comme ce qui suit :

• = Pauvre ••••• = excellent

FAIBLE f/#:

Capacité de la lentille de travailler à faible f/# (c'est à dire, large diamètre de lumière entrante ou NA élevé). Des applications à faible f/ # devraient utiliser des lentilles ayant un taux (•••••)

POLYCHROMATIQUE: Capacité de la lentille de maintenir la performance avec une illumination de lumière blanche (opposé à des sources monochromatiques telles que des lasers ou des DELs. Les applications avec une illumination à large bande et sans filtrage devraient utiliser des lentilles ayant un taux (•••••)

EFFICACITÉ DE CHAMP: Capacité de la lentille d'accommoder un large capteur (image), source (objet), ou champ de vision angulaire (en systèmes afocaux). Les applications avec larges images/objets devraient utiliser des lentilles ayant un taux (•••••)

Coût: C'est une comparaison de prix de chaque type de configuration (c'est à dire, prend en considération le nombre d'éléments dans cette configuration). Faible Coût – €, Coût Élevé – € € € € €

 

CAS 1: CONJUGUES FINI/INFINI

Applications Usuelles: Imagerie Electronique, Systèmes de Relai et Projection Image: Le système conjugué fini/fini le plus simple est celui avec un simple élément dans lequel la distance focale effective est égale à la distance focale d'une simple lentille dans le système. Certains des avantages de cette conception sont le prix coûtant et sa simplicité de conception. Les équations à droite déterminent les propriétes optiques du premier ordre d'une lentille simple.

Deux Eléments: Vous pouvez combiner des éléments pour acquérir différentes distances focales effectives tout en augmentant la performance image. La conception est un peu plus complexe, une méthode de la simplifier est de placer l'objet au point focal de la lentille objet et l'image au point focal de la lentille image.

Solutions de Lentilles Réelles: Pour des applications d'imagerie, les doublets sont généralement utilisés dans le but d'améliorer la qualité d'image. Singulets (PCX ou DCX) sont généralement utilisés sur relais ne nécessitant pas une haute résolution.

Elément Unique | Deux Eléments

Finite/Finite Conjugates
 
Type de LentilleFaible f/#PolychromatiqueEfficacité de ChampCoûtApplications
Plano-Convexe (PCX) •• $$ utilisez en paires
Bi-Convexe (DCX) •• ••• $ élément unique
Achromat •••• •••• •••• $$$$ utilisez en paires
Hastings •••• ••••• •••• $$$$$ utilisez en paires
Steinheil ••••• ••••• ••••• $$$ élément unique

 

CAS 2: CONJUGUES INIFNIS/INFINIS

Applications Usuelles: Télescopes et Expanseurs de Faisceaux

Deux Eléments Positifs: L'utilisation de deux éléments positifs procurent une image intermédiaire qui est utile pour des applications nécessitant l'utilisation d'un réticule croisé ou autre. L'utilisation de deux éléments positifs résulteront en un grossissement négatif où un prisme ou objectif relai intermédiaire sera nécessaire pour le visionnement de l'image.

Un Elément Positif et un Elément Négatif: La plupart des applications de laser à haute puissance utilisent cette forme pour l'expansion de faisceaux. Un avantage de celle-ci est que la longueur du système est grandement réduite alors que l'image est maintenue.

Solutions de Lentilles Réelles: Les doublets sont généralement utilisés pour améliorer l'efficacité. Note: conception oculaire peut être utilisée comme lentille d'imagerie pour améliorer la performance.

Une Positive, Une Négative, Deux Positives

Infinite/Infinite Conjugates
 
Type de LentilleFaible f/#PolychromatiqueEfficacité de ChampCoûtApplications
Plano-Convexe (PCX) •• •• $$ imagerie, illumination
Bi-Convexe (DCX) •• $$ -
Achromat •••• •••• •••• $$$$ imagerie, illumination
Hastings •••• ••••• ••••• $$$$$ imagerie, illumination
Steinheil ••• ••••• •• $$$$$ -

 

CAS 3: CONJUGUES INFINIS/FINIS

Applications Usuelles: Auto-collimateurs, Détection Lumineuse et Objectifs Corrigés à L'infini

Element Unique: Excepté dans le cas d'objectifs infini-corrigés, cette solution ne nécessite généralement pas l'utilisation de plus d'un élément et l'image peut se trouver au point focal de la lentille. Une fonction importante d'un système conjugué infini/fini est la sortie (flux par unité radiante ou lumineuse) vue par le détecteur. Les équations paraxiales à droite peuvent être utilisées pour estimer l'intensité (TP) générée par le système.

Solution de Lentille Réelle: Un singulet procurera des résultats suffisants pour la plupart des applications focalisant une source lumineuse étendue sous un détecteur.

Infinite/Finite Conjugates
 
Type de LentilleFaible f/#PolychromatiqueEfficacité de ChampCoûtApplications
Plano-Convex (PCX) •• •• $ détecteur, illumination
Double-Convex (DCX) •• $
Achromat •••• •••• •••• $$ imagerie
Hastings ••••• ••••• ••••• $$$ imagerie
Steinheil ••• ••••• ••• $$$

 

EXEMPLE D'APPLICATION: CONJUGUE FINI/FINI

Une application typique ou OLIVE peut être utilisé est en inspection de lentilles. Premièrement nous définirons les paramètres nécessaires. Champ de vision (taille objet) nécessaire est 5mm. Le capteur imagerie est un format Z\x" CCD avec une distance de capteur horizontale de 6.4mm. Malheureusement, du fait de la taille des sondes, la distance objet doit être 50mm ou plus. Ni l'image ni la distance objet est à l'infini, donc la conception conjugué Fini/Fini peut être utilisée pour résoudre ce problème.

Application Example 1 Equations

La prochaine étape est de trouver un réel objectif résolvant les besoins d'applications. Basé sur notre solution ci-dessus nous avons besoin d'un objectif avec une distance focale de 28.07mm. Puisque ceci est une application d'imagerie, les achromats peuvent être utilisés pour améliorer la qualité d'image. Le choix d'un bon objectif serait d'utiliser un achromat de diamètre 25mm avec une distance focale de 30mm (#45-211), sachant qu'une distance focale de 28.07mm n'est pas disponible. Insérant cet objectif sur OLIVE, nous pouvons facilement trouvé la distance actuelle objet et image (c'est à dire la solution réelle objectif) ou nous devons positionner l'objectif. Figures 1 et 2 sont des prises d'écran qu'Olive indique. Le tableau ci-dessous résume les différences entre les solutions paraxiales et réelles objectif pour cet exemple. Les équations paraxiales nous dirige dans la bonne direction et nous aide dans la restriction d'objectifs, tout en insérant l'objectif réel donnant les réponses précises pour la distance image et objet.

Application Example 1 Drawing
 
ParamètreSolution ParaxialeSolution RéelleSolution Réelle
Système de Lentille Unique Achromat Unique Achromat Paire Achromatique
Distance Focale Effective 30mm 30mm 75 / 100mm
Grossissement 1.28X 1.28X 1.28X
Distance Objet 53.44mm 56.2mm 74.81mm
Distance Image Paraxiale 68.4mm 60.460mm 96.08mm
Localisation Meilleure Focalisation inconnue 44.404mm 88.28mm

 

Du fait d'abérrations associées avec de réels objectifs, le logiciel OLIVE donne une taille minimale de point de 0.9mm (voir figure 3 sur la gauche) pour le simple achromat de diamètre 25mm et de distance focale 30mm dans la configuration donnée. L'insertion d'une paire d'achromats réduit la taille du point à 0.3mm assimilé à une augmentation en résolution.

OLIVE Software

INTEGRATION MECANIQUE

Lorsque le besoin optique est défini il est nécessaire de l'intégrer dans un logement mécanique. En réalisant ceci, l'espace lentille doit être maintenu malgré les effets sag. Lorsque le sag de de chaque surface est déterminé , les espaceurs peuvent être conçus pour amner l'espace approprié centre à centre.

Sag

Sag est la distance entre le bord d'une monture et le vertex d'une surface (voir illustration ci-dessous). Sag existe uniquement lorsque les surfaces ont une courbure, puisque le diamètre interne de l'espaceur détermine la localisation du vertex.

SAG Equation

Anneau de Retient vs. Espaceur

Les trois techniques de montage les plus usuelles pour les lentilles sont: anneau de retient, espaceurs et une combinaison des deux. Les anneaux de retient offrent généralement un contrôle de fixation plus important sur la position des éléments, l'inclinaison et le centrage. Les anneaux de retient peuvent être chers et de temps à autre impraticables dans de petites assemblées. Les espaceurs sont idéaux pour de petites assemblées et sont à coût effectif mais n'ont pas cette capacité de maintient.

Focalisation/Ajustement

Toutes les conceptions optiques nécessitent une focalisation ou un ajustement. Les techniques de focalisation usuelles sont de bouger l'image (capteur), objet ou élements de lentilles.

Tolérances

Les tolérances affectent le besoin de la production d'une lentille. Du fait que chaque dimension à sa tolérance associée, le résultat est moins de 100%. La méthode conventionnelle de rajouter des tolérances tend à résulter en une conception sur tolérancée. A la place, en combinant chaque courbe de probabilité, une peut précisement prédire le % final d'une lentille. Comprendre la nature de probabilité ets vital pour réduire le coût unitaire d'une pièce lors de larges productions.

TEST ET EVALUATION

Lorsque le système est assemblé, ses paramètres doivent être quantifiés pour déterminer si les besoins pour cette application sont adéquats. Durant le prototypage, de légères altérations à la conception sont typiques pour accommoder les limitations des composants.

Paramètres Fondamentaux

Chaque application a dans un premier temps des nécessités (e.g. distances conjuguées, grossissement). Les calculs paraxiaux, qui ne prennent pas en compte les propriétés du verre (dispersion, épaisseur, etc...) peuvent nécessiter d'un ajustement pour rencontrer les besoins d'ordre primaire.

Performance de Conception

Puisque les calculs paraxiaux n'indiquant pas la performane en monde réel, la qualité d'image devrait être testée. De nombreuses mires existents pour déterminer la qualité de systèmes d'imagerie. Les systèmes de non imagerie peuvent nécessiter des instruments interférométriques pour y remedier.

Résolution et Contraste:peuvent être mesurés en utilisant les mires USAF et EIA respectivement. Les erreurs de perspective peuvent être déterminées en mesurant la changement en grossissement en fonction de la profondeur de champ.

Sortie: peut être mesurée comme puissance avec une photodiode. Une CCD analyse la taille de spot et le profil du faisceau. Un collimateur mesure la résolution angulaire.

RULES OF THUMB:

Test avec Application en Esprit: Ne teste pas en dehors du besoin nécessaire pour l'application. Tester uniquement pour des paramètres critiques pour diminuer le coût.

Coût Associé avec Test: Tester ajoute des coûts significatifs. Réaliser des tests lorsque nécessaire et principalement sur volume pour en assurer les effets.

Tests Visuels:

Tests basés sur une observation visuelle sont sujets à un manque de répétabilité. Du fait que l'oeil humain peut extrapôler une information manquante, les tests visuels ont besoin d'être associés à l'erreur humaine (e.g. déterminer la résolution via une mire pour déterminer le Groupe et Elément).

Visual Tests
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