Lenzen en spiegels met vrij gevormde oppervlakken stellen ontwerpers in staat om licht te focussen in optische apparaten die lichter, compacter, en effectiever dan ooit tevoren.

Maar tot nu toe, het is een tijdrovend en vaak duur proces van vallen en opstaan ​​geweest om te bepalen welke vrije-vormoppervlakken het beste werken - of helemaal niet - in een bepaalde configuratie van spiegels en lenzen.

Het hoeft niet meer zo te zijn.

In een paper in Natuurcommunicatie , hoofdauteur Aaron Bauer, een senior onderzoeksingenieur aan het Centre for Freeform Optics (CeFO) van de University of Rochester, combineert theorie en praktijk in een stapsgewijze methode die veel giswerk elimineert.

"Aaron heeft een proces ontwikkeld om te ontwerpen met freeform-oppervlakken die zeer algemeen kunnen worden toegepast, " zegt coauteur Jannick Rolland, CeFO-directeur en Brian F. Thompson hoogleraar Optical Engineering. "Het is echt mooi en voelt soms zelfs als magie."

Ze is van mening dat de bevindingen de acceptatie van vrije-vormoptiek in de industrie zullen helpen versnellen. "Mensen zullen niet langer zeggen 'Oh, het is te duur om te bouwen met vrije vorm optica, ', zegt ze. 'Omdat je nu iets kunt maken dat misschien een tiende kost van wat het anders zou hebben gekost.'

De basis te leggen

Zolang spiegels en lenzen samen in telescopen zijn verpakt, spectrometers, en tal van andere optische apparaten, prestaties zijn bepaald door hoe goed die elementen in staat zijn om een ​​lichtstraal gefocust te houden met minimale "afwijking".

traditioneel, optische ontwerpers hebben vertrouwd op rotatiesymmetrische optische oppervlakken, omdat hun ontwerp en fabricage relatief eenvoudig was.

In de afgelopen 20 jaar, vooruitgang in microfrezen met hoge snelheid, computergestuurd lenspolijsten, en ionenstraaletsen, onder andere technologieën, hebben asymmetrische vrije-vormoppervlakken haalbaarder gemaakt.

In een krant uit 2014, Kyle Fürschbach, een voormalig lid van het Rolland Lab, legde het theoretisch kader voor de theorie van vrije-vormafwijkingen.

"Maar we hadden nog steeds geen systematisch proces om met die theorie te ontwerpen, ' zegt Rolland.

Twee en twee bij elkaar optellen

Bauer, ondertussen, werkte samen met Fuerschbach, het ontwerpen van een op het hoofd gedragen display met behulp van vrije vormen.

"Ik merkte dat er veel voorkomende patronen van aberraties waren die altijd opdoken, en het beperken van mijn systeem om verder te gaan, " zegt Bauer. Bovendien, "Die patronen van aberratie kwamen overeen met degene die Kyle voorspelde dat ze zouden worden gecorrigeerd door vrije-vorm-oppervlakken. Dus, Ik heb twee en twee bij elkaar gezet."

De methode die hij bedacht, begint met de aanvankelijke "vouwgeometrie" (uitlijning van spiegels en lenzen) die wordt overwogen voor een ontwerp, en dan, op basis van een analyse van de verschillende aberraties die door die uitlijning worden veroorzaakt, voorspelt:

1. of vrije-vorm-oppervlakken die aberraties zouden kunnen minimaliseren en, als,
2. welke freeform-oppervlakken moeten worden gebruikt voor een maximaal effect.

"Freeform-oppervlakken zijn geen universele oplossing voor het corrigeren van elke aberratie, Bauer merkt op. "Dus, wat onze methode doet, is dat ontwerpers al deze geometrieën van tevoren kunnen analyseren, om te voorspellen of er al dan niet een goede oplossing zou zijn."

Dat is veel beter dan de "brute force"-benadering waarbij "mensen heuristisch verschillende vrije-vormoppervlakken in een ontwerp proberen, " zegt Rolland. "Zelfs als het uiteindelijk werkt, je zou kunnen eindigen met een systeem waarbij het vertrek van de oppervlakken veel groter is dan anders het geval zou zijn, omdat al die vrije-vormoppervlakken met elkaar kunnen vechten. En als het niet lukt, als ontwerper kun je nergens heen."

Door in plaats daarvan de methode van Bauer te gebruiken, ze zegt, "Je zult in staat zijn om iets te ontwerpen dat een stuk eenvoudiger is, en dat zal gemakkelijker te vervaardigen en te testen zijn. Verder, de methode zal snel en ondubbelzinnig inzicht verschaffen in waarom een ​​bepaalde geometrie intrinsiek beperkt zou kunnen zijn, wat essentieel is voor ontwerpers."