Ny metode eliminerer gætterier, når linser går frit

Linser og spejle med friformsoverflader gør det muligt for designere at fokusere lys i optiske enheder, der er lettere, mere kompakt, og mere effektiv end nogensinde før.

Men indtil nu, At bestemme, hvilke friformsoverflader der vil fungere bedst-hvis overhovedet-i en given konfiguration af spejle og linser har været en tidskrævende og ofte dyr proces med forsøg og fejl.

Sådan behøver det ikke være længere.

I et papir i Naturkommunikation , hovedforfatter Aaron Bauer, en senior forskningsingeniør ved University of Rochesters Center for Freeform Optics (CeFO), kombinerer teori og praksis i en trin-for-trin metode, der eliminerer meget af gætværket.

"Aaron har udviklet en proces til design med friformsoverflader, der kan anvendes meget generelt, siger medforfatter Jannick Rolland, CeFO -direktør og Brian F. Thompson professor i optisk teknik. "Det er virkelig smukt og føles til tider som magi."

Hun mener, at resultaterne vil hjælpe med at fremskynde adoptionen af ​​friformsoptik i industrien. "Folk vil ikke længere sige 'Åh, det er for dyrt at bygge med freeform optik, siger hun. "For nu kan du lave noget, der kan koste en tiendedel af, hvad det ellers ville have kostet."

At lægge grunden

Så længe spejle og linser har været pakket sammen i teleskoper, spektrometre, og en lang række andre optiske enheder, ydeevne er blevet defineret af, hvor godt disse elementer er i stand til at holde en lysstråle fokuseret med minimal "aberration".

Traditionelt set optiske designere har stolet på rotationssymmetriske optiske overflader, fordi deres design og fremstilling var forholdsvis ligetil.

Inden for de sidste 20 år har fremskridt inden for højhastigheds mikrofræsning, computerstyret linsepolering, og ætsning af ionstråler, blandt andre teknologier, har gjort asymmetriske friformsoverflader mere gennemførlige.

I et papir i 2014, Kyle Fuerschbach, et tidligere medlem af Rolland Lab, lagde de teoretiske rammer for friform -aberrationsteori.

"Men vi havde stadig ikke en systematisk proces at designe med den teori, " siger Rolland.

Sætter to og to sammen

Bauer, i mellemtiden, arbejdede sammen med Fuerschbach, designe et hovedbåret display ved hjælp af friformsoverflader.

"Jeg bemærkede, at der var meget almindelige mønstre af afvigelser, der altid dukkede op, og begrænser mit system fra at gå videre, " siger Bauer. Desuden, "disse afvigelsesmønstre matchede dem, som Kyle forudsagde ville blive korrigeret af friformsoverflader. Så, Jeg lægger to og to sammen."

Metoden, han fandt på, starter med den indledende "foldede geometri" (justering af spejle og linser), der overvejes til et design, og så, baseret på en analyse af de forskellige aberrationer frembragt af denne linjeføring, forudsiger:

1. om friformede overflader kunne minimere disse aberrationer og, hvis så,
2. hvilke friformsoverflader skal bruges til maksimal effekt.

"Friformede overflader er ikke en universel løsning til at korrigere enhver aberration, "Bauer noter." Så, hvad vores metode gør er at give designere mulighed for at analysere alle disse geometrier på forhånd, for at forudsige, om der ville være en god løsning eller ej."

Det er langt bedre end metoden "brute force", hvor "folk heuristisk prøver forskellige friformsoverflader til et design, "Siger Rolland." Selvom det i sidste ende virker, du kan ende med et system, hvor overfladernes afgang er meget større, end de ellers ville være, fordi alle disse friformsoverflader måske kæmper mod hinanden. Og hvis det ikke virker, der er ingen steder at gå som designer. "

Ved at bruge Bauers metode i stedet, hun siger, "du vil være i stand til at designe noget, der er meget enklere, og det bliver nemmere at fremstille og teste. Desuden, metoden vil hurtigt og utvetydigt give indsigt i, hvorfor en given geometri kan være iboende begrænset, hvilket er vigtigt for designere. "