O design óptico é um campo da engenharia óptica que visa criar, otimizar e produzir sistemas ópticos como alvos , miras , telescópio , microscópio , etc.
O projeto óptico é baseado principalmente nas leis da óptica geométrica e da radiometria .
O design óptico que abrange todo o processo de desenvolvimento de um sistema óptico, é um campo da óptica que nasceu da criação dos primeiros sistemas ópticos. Até muito tarde do XIX ° século , no entanto, eles são menos cálculos que abordagens experimentais que são usados ea lente menisco Wollaston foi projetado por uma abordagem totalmente empírica. Com o surgimento da teoria das aberrações desenvolvida por Philipp Ludwig von Seidel, o projeto gradualmente se voltou para o cálculo, mantendo uma grande parte da experimentação. Até meados do XX ° século , o design óptico ainda é uma mistura de teoria aberrações, traçado de raio e experiência.
As calculadoras mecânicas quase não são utilizadas: até 1940, é mais conveniente e rápido utilizar as inúmeras tabelas de logaritmos para realizar o traçado de raios que realizam cálculos com uma máquina. O processo permanece iterativo, um primeiro modelo é feito considerando a teoria de Seidel, um protótipo é usinado, suas aberrações medidas, então o modelo é corrigido de acordo e um novo protótipo é lançado. Por muito tempo, custa menos usinar vários protótipos do que investir em um computador caro.
O primeiro computador a ser usado para computação óptica data de 1949, quando Charles Wynne Gorrie (in) lança um traçado de raio no contexto do projeto do sistema: o cálculo da rota não foi concluído até que o sistema tenha sido entregue. A partir de 1957, a Taylor, Taylor e Hobson adquiriram um computador Elliott Brothers dedicado ao rastreamento de raios, mas permaneceram por muitos anos, a única empresa óptica com este tipo de equipamento.
O uso de computadores não se tornou verdadeiramente democratizado até que eles fossem suficientemente eficientes e rápidos para apresentar uma vantagem sobre a computação “manual”; o desenvolvimento do algoritmo Levenberg-Marquardt (ou Damped Least Squares , "Moindre Carrés Amortis") em meados da década de 1960 realmente marca o momento a partir do qual o trabalho de design óptico é realizado principalmente em um computador.
O ponto de partida do design óptico é a determinação completa das características necessárias para atender às especificações ou à necessidade da óptica.
Do ponto de vista óptico, as especificações definem restrições ópticas:
e práticas:
A abertura do sistema, a distância focal e o campo determinam o tipo de sistema óptico a ser usado. Em relação à ótica, diferentes soluções são escolhidas dependendo do desempenho desejado.
A ótica mais simples, a lente simples introduz um cromatismo qualquer que seja o vidro utilizado, assim como aberrações geométricas, pois é raro que funcione em limite de difração .
O doublet permite reduzir significativamente ou eliminar o cromatismo ao adicionar uma nova dioptria (para um doublet colado) que permite reduzir as aberrações geométricas. Em particular, um dupleto acromático torna possível cancelar aberrações cromáticas usando dois vidros ópticos de constringência diferente. Um dupleto descascado é melhor do que um dupleto colado do ponto de vista de aberrações geométricas, mas é menos robusto a deslocamentos mecânicos, bem como a expansão térmica.
O trigêmeo reduz ainda mais as aberrações geométricas. É, portanto, amplamente utilizado em sistemas ópticos fotográficos.
Para a mesma configuração com estudo de campo, seguem-se os PSFs dos diversos sistemas ópticos mencionados:
Exemplo de PSF simulado com OSLO para uma única lente no campo
Exemplo de PSF simulado com OSLO para um dupleto em campo
Exemplo de PSF simulado com OSLO para um terceto no campo
A otimização de um sistema óptico é feita encontrando uma solução minimizando simultaneamente todas as aberrações (ponderadas) do sistema. Essa busca pelo ótimo é traduzida matematicamente pela busca por um mínimo global em um espaço multidimensional .
A automação dessa pesquisa foi iniciada por James G. Baker e Feder, Wynne, Glatzel, Gray na década de 1940. Antes da democratização dos computadores , a maioria dos cálculos era feita à mão, usando tabelas logarítmicas e trigonométricas.
A tolerância de um sistema óptico consiste em levar em consideração no desenho do sistema os defeitos que ocorrerão no momento da fabricação industrial. Dois tipos de falhas são, portanto, levados em consideração:
Defeitos relacionados com vidros ópticos e seu polimento:
Defeitos relacionados com o posicionamento das lentes:
Levar em consideração todos os defeitos físicos que podem afetar um sistema óptico permite validar a viabilidade de um modelo teórico e a robustez do sistema. Em geral, o toleranciamento leva a uma nova busca por uma solução para tornar a solução teórica mais robusta ou mais adequada aos processos de fabricação.
A verificação da robustez às modificações pode assumir a forma de um cálculo de Monte-Carlo que corresponde a uma simulação numérica da resposta de um conjunto de sistemas a uma combinação aleatória de defeitos dentro dos limites estabelecidos para o toleranciamento.
O desenho óptico é realizado principalmente por meio de softwares especializados fornecidos com bibliotecas de sistemas existentes que permitem encontrar soluções de partida já bem otimizadas.
No entanto, algumas técnicas são utilizadas para o projeto óptico de sistemas:
Alguns dos principais softwares de design óptico incluem: