Freeform -billeddannelsessystemer:Fermats -princippet låser første gangs rigtige design op

Forskere ved Brussels Photonics, Vrije Universiteit Brussel, har udviklet en 'første gang rigtig' designmetode, der eliminerer "trin-og-gentag" og "forsøg-og-fejl" tilgang i optisk systemdesign. De demonstrerede det systematiske, deterministisk, skalerbar, og holistisk karakter af deres forstyrrende teknik med forskellige freeform-linse- og spejlbaserede high-end-eksempler og inviter optiske designere til at opleve deres nye metode hands-on via en open-access prøvewebapplikation.

Optiske billeddannelsessystemer har spillet en væsentlig rolle i videnskabelig opdagelse og samfundsmæssige fremskridt i flere århundreder. I mere end 150 år har forskere og ingeniører brugt aberrationsteori til at beskrive og kvantificere afvigelsen af ​​lysstråler fra ideel fokusering i et billeddannelsessystem. Indtil for nylig omfattede de fleste af disse billeddannelsessystemer sfæriske og asfæriske brydningslinser eller reflekterende spejle eller en kombination af begge. Med introduktionen af ​​nye fremstillingsmetoder med ultrapræcision, det er blevet muligt at fremstille linser og spejle, der mangler den fælles translationelle eller rotationssymmetri om et plan eller en akse.

Sådanne optiske komponenter kaldes freeform optiske elementer, og de kan bruges til i høj grad at udvide funktionaliteterne, forbedre ydeevnen, og reducere volumen og vægt af optiske billeddannelsessystemer. I dag, design af optiske systemer er i høj grad afhængig af effektive raytracing- og optimeringsalgoritmer. En vellykket og udbredt optimeringsbaseret optisk designstrategi består derfor i at vælge et velkendt optisk system som udgangspunkt og løbende opnå trinvise forbedringer. Sådan en "trin-og-gentag" tilgang til optisk design, imidlertid, kræver stor erfaring, intuition, og gætterier, derfor kaldes det undertiden 'kunst og videnskab'. Dette gælder især freeform optiske systemer.

I et nyligt udgivet papir i Letvidenskab og applikationer , forskere ved Brussels Photonics (B-PHOT), Vrije Universiteit Brussel, Belgien har udviklet en deterministisk direkte optisk designmetode til friformede billeddannelsessystemer baseret på differentialligninger afledt af Fermats princip og løst ved hjælp af power -serier. Metoden tillader beregning af de optiske overfladekoefficienter, der sikrer minimal billedsløring for hver enkelt rækkefølge af afvigelser. De demonstrerer det systematiske, deterministisk, skalerbar, og holistisk karakter af deres metode til spejl- og linsebaserede designeksempler. Den rapporterede tilgang giver en forstyrrende metode til at designe optiske billeddannelsessystemer fra bunden, samtidig med at det i høj grad reducerer 'trial and error' tilgangen i nutidens optiske design.

Forskerne opsummerer det operationelle princip for deres metode:

"Vi behøver kun at specificere layoutet, antallet og typer af overflader, der skal designes, og placeringen af ​​stoppestedet. De etablerede differentialligninger og løsningsskema kræver kun to yderligere trin:(1) løse det ikke-lineære førsteordens tilfælde ved hjælp af en standard ikke-lineær solver; (2) løse de lineære ligningssystemer i stigende rækkefølge ved at indstille uønskede aberrationer til nul eller ved at minimere en kombination deraf som krævet af de målrettede specifikationer for billeddannelsesfriformsystemet. Mest vigtigt, disse to trin er identiske for alle (freeform) optiske designs. "

"Den præsenterede metode tillader en yderst systematisk fremstilling og evaluering af direkte beregnede freeform -designløsninger, der let kan bruges som et glimrende udgangspunkt for yderligere og endelig optimering. Som sådan, det tillader den enkle fremstilling af 'første gang rigtige' indledende designs, der muliggør en streng, omfattende og realtidsevaluering i løsningsrum, når det kombineres med tilgængelige lokale eller globale optimeringsalgoritmer. "