Optisches Systemdesign

Die Bedeutung des Designs optischer Systeme variiert je nachdem, wen Sie fragen. Meiner Meinung nach ist es eher ein fortlaufender Prozess als eine einzelne Aufgabe. Bei einem Prozess handelt es sich um etwas, das man kontinuierlich durchführt, wobei man Rückmeldungen nutzt, um jede Entwicklungsstufe zu verfeinern und zu verbessern. Im Gegensatz dazu konzentriert sich eine Aufgabe auf die Entwicklung eines bestimmten Systems oder Moduls, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen.

Wenn wir den Entwurfsprozess als eine Reihe von isolierten Aufgaben behandeln, verlieren wir die Vorteile des kontinuierlichen Lernens. Ein wesentlicher Vorteil eines prozessorientierten Ansatzes besteht darin, dass wir unsere Fähigkeiten zur Vorhersage der Leistung unserer Entwürfe weiterentwickeln können.

Um dies zu erreichen, können wir uns nicht nur auf die Messung der Parameter verlassen, die direkt mit den Kundenanforderungen zusammenhängen, und dabei die optische Leistung der optischen Teilsysteme außer Acht lassen. In vielen Fällen ist das optische System nur eine Komponente einer größeren Maschine. Wenn die Maschine auch nur ein einziges Mal korrekt arbeitet, ziehen wir oft den Schluss, dass alle Teile gut funktionieren. Meiner Erfahrung nach ist diese Annahme jedoch häufig falsch. Komplexe Systeme können unterdurchschnittlich funktionierende Komponenten verbergen. Nur weil eine Maschine funktioniert, heißt das nicht, dass alle Teile wie vorgesehen funktionieren.

Es gibt einen entscheidenden Unterschied zwischen dem Design optischer Systeme und dem, was oft damit verwechselt wird: dem Objektivdesign. Das Objektivdesign beginnt mit spezifischen Anforderungen wie Größe, Abbildungsart, Wellenlängenbereich, Bildwinkel, Bildgröße und optische Qualität über diese Faktoren hinweg. Im Gegensatz dazu geht es beim Systemdesign um die Festlegung dieser Parameter. Sobald diese Parameter klar sind, kann ein Raytracing-Spezialist mit Software wie Zemax/OpticStudio oder Code V hervorragende Ergebnisse liefern. Ohne diese Grundlage wird alles zum Rätselraten oder zum besten Versuch.

Woher wissen wir zum Beispiel, wie viel sphärische Aberration, Feldkrümmung oder Verzerrung akzeptabel ist, um die Kundenanforderungen zu erfüllen? Gibt es Anforderungen an die Kohärenz, entweder räumlich oder longitudinal?

Let’s dive deeper into the mathematics. How do we describe the optical performance of an imaging system? Is it appropriate to use Zernike polynomials? Many argue that for circular pupils, the Zernike set is ideal. For telescopes, projectors, or camera lenses, that’s absolutely correct. However, if performance requirements aren’t directly tied to wavefront variance, the Zernike set may not be the best fit—even if it’s often preferred or widely liked. Determining the right approach is the optical system designer’s responsibility.