Лабораторная работа №3.
Создание оптической системы глаза
при помощи OPAL-PC

3.1. Система автоматизированного проектирования оптических систем OPAL-PC

OPAL-PC – это широко известная в оптической промышленности программа для автоматизированного проектирования оптических систем, которая была разработана на кафедре Прикладной и компьютерной оптики.

Сущность автоматизированного проектирования заключается в том, что рутинную часть операций при расчете оптических систем выполняет ЭВМ, тем самым позволяя инженеру-расчетчику уделить больше внимания и больше времени для принятия творческих решений. В данном случае объектом проектирования является оптическая система - совокупность оптических (прозрачных и однородных) сред, разделенных оптическими поверхностями (гладкими поверхностями определенной формы) и содержащие диафрагмы (экраны с отверстиями).

Целью автоматизированного проектирования оптических систем является получение конструктивных и технологических параметров оптических систем требуемого качества (параграф «Современные направления прикладной и компьютерной оптики»).

3.1.1. Запуск программы

Запуск программы OPAL: Start -> Programs -> OPAL. При запуске OPAL-а первым загружается блок «Формирование» вместе с информацией о последней оптической системе, с которой производилась работа. Блок «Формирование» предназначен для описания параметров оптической системы.

Доступ к различным таблицам блока «Формирование» осуществляется с помощью меню (вызов меню по клавише «F2» или «Esc»). Некоторые пункты меню могут быть недоступными в зависимости от конфигурации OPAL-а, типа оптической системы и таблицей данных, редактируемой в данный момент. Таблицы содержат снабженные комментарием редактируемые поля, числовые и текстовые. Содержимое некоторых текстовых полей при последовательном нажатии на клавишу «Space» или «Enter» принимает одно из допустимых для этого поля значений.

При редактировании полей можно пользоваться клавишами:
«Alt»+«F7» – копирует содержимое текущего поля в буфер;
«Alt»+«C» – помещает содержимое буфера в текущее поле;
«F10» – отменяет внесенные изменения.

Работа в OPAL-е осуществляется только при помощи клавиатуры, мышь не работает!

3.1.2. Меню «Файл»

Рассмотрим некоторые операции с файлами с оптической системой.

Чтение оптической системы. При выборе этого пункта на экране отображается текущее имя оптической системы и текущий путь к архиву оптических систем. Во втором окне отображаются имена оптических систем (файлов с расширением «.opj»), содержащихся в этом архиве. Действия по нажатию функциональных клавиш отображаются в строке подсказки в нижней части экране. Запись оптической системы - запись оптической системы в файл.

Новая оптическая система - создание новой оптической системы. При создании новой оптической системы необходимо указать ее класс: центрированная или пространственная. На лабораторных работах по «Введению в прикладную и компьютерную оптику» оптические системы всегда центрированные.

Печать - печать характеристик оптической системы или сохранение их в файле в текстовом формате. Вывод оптической системы может осуществляться на принтер или в файл. Если принтер выключен или отсутствует, предлагается сохранить описание оптической системы в файле.

Установить путь в архив - изменение пути к подкаталогу, в котором хранятся файлы с оптическими системами пользователя. Необходимо указать полный путь к новому подкаталогу, включая имя жесткого диска. Вновь установленный путь будет использоваться до выхода из OPAL-а или до следующего изменения.

Библиотека оптических систем - чтение оптической системы из библиотеки оптических систем. Файлы в библиотеке оптических системам разделены по категориям (например, LENS – объективы фотоаппаратов, MICROLEN – микрообъективы, и т.д.) и снабжены комментарием с краткими характеристиками системы. Можно прочитать из библиотеки любою оптическю систему из категории LENS, например, Индустар-7.

3.1.3. Параметры предмета, изображения, диафрагмы

Основные операции по работе с оптической системой объединены в пункт меню «Система». В пункте меню «Система -> предмет, изображение, диафрагма» осуществляется задание параметров предмета, изображения, апертурной диафрагмы и спектральных характеристик. Переход между полями осуществляется с помощью клавиши «Tab» или клавиш управления курсором.

Наименование - текстовое поле, содержащее название и краткое описание оптической системы.

Параметры предмета. При описании предмета необходимо определить следующие его характеристики:

• тип предмета – ближний/дальний. Изменение типа предмета возможно нажатием клавиши «Space» или «Enter»;
• передний отрезок – в зависимости от типа предмета имеет разный смысл и единицы измерения;
• радиус предмета – в большинстве случаев предмет считается плоским, и его радиус не задается;
• мера величины предмета – обычно оставляется по умолчанию.

Параметры изображения:

• тип изображения – ближний/дальний. Изменение типа возможно нажатием клавиши «Space» или «Enter»;
• положение изображения – для изображения существует два способа определения его положения: «От поверхности (зрачка)» или «Смещение от плоскости Гаусса» (изменение по клавише «Space» или «Enter»). В первом случае положение изображение задается непосредственно задним отрезком, а во втором случае положение изображения определяется относительно плоскости Гаусса (плоскости изображения для основной длины волны);
• радиус изображения – в большинстве случаев изображение считается плоским, и его радиус не задается;
• мера величины изображения – обычно оставляется по умолчанию.

Задание величины предмета или изображения. Можно задавать либо величину предмета, либо величину изображения. Выбор производится переключением значения текстового поля «Величина предмета» / «Величина изображения». В зависимости от типа предмета или изображения его величина имеет разный смысл и единицы измерения.

Апертурная диафрагма и входной зрачок. Положение апертурной диафрагмы описывается двумя величинами:

• «ND» – номер поверхности, после которой располагается диафрагма. Если диафрагма расположена перед оптической системой, ND=0.
• «SD» – расстояние от поверхности с номером ND до апертурной диафрагмы с учетом правила знаков. Для ND=0 расстояние измеряется от первой поверхности.
  

Вместо положения апертурной диафрагмы можно задать положение входного зрачка путем переключения значения поля «Диафрагма». При этом в поле ND появляется признак 999, а SD трактуется как положение входного зрачка.

Апертуры. Задание апертур возможно несколькими способами:

• значением передней апертуры
• значением задней апертуры
• высотой на диафрагме.

Переключение между способами производится в текстовом поле «Передняя апертура/ Задняя апертура/ Высота по Y». Значение апертуры задается в соседнем поле.

Основные спектральные характеристики оптической системы. Рабочие длины волн оптической системы задаются в поле «Длины волн». Значения длин волн можно либо задавать самостоятельно, либо выбирать из списка стандартных длин волн. В пункте «Стандартные длины волн» перечислены стандартные длины волн и соответствующие им обозначения. В колонке «Номер» расположено перемещаемое поле, с помощью которого производится выбор: оно устанавливается напротив выбранной длины волны, затем в него вводится номер, под которым эта длина волны будет занесена в окно «Длины волн», и нажимается клавиша «Enter». Длины волн нумеруются, начиная с нулевой.

3.1.4. Конструктивные параметры

В пункте меню «Система -> Конструктивные параметры» задаются основные конструктивные параметры оптической системы (радиусы, осевые расстояния, световые высоты, оптические среды). Конструктивные параметры записываются в виде таблицы, в которой по строкам располагаются поверхности, а по столбцам – ее различные параметры.

• Радиусы – радиус поверхности. Радиус плоской поверхности считается равным нулю. Этот столбец определяет число поверхностей в системе.
• Осевые расстояния – расстояния между поверхностями. Если предыдущая поверхность является отражающей, величина осевого расстояния меняет знак на противоположный.
• Высоты – размеры зон пропускания на поверхностях. Заполнение этой колонки не является обязательным.
• Марки стекол – марка стекла из каталога стекол. Регистр, на котором вводится значение марки, безразличен. Если поле в этой колонке заполнено пробелами или в него занесена цифра «1» или «-1», среда воспринимается как воздух. Если поверхность отражающая, при нечетном по порядку хода луча отражении перед названием или номером марки материала появляется знак «–».
  
• показатели преломления – если задана марка стекла, то показатели преломления для всех длин волн вычисляются автоматически, если марка стекла не задана, то показатели преломления могут быть заданы самостоятельно для всех длин волн, заданных в таблице присоединительных характеристик.
  При переходе из таблицы описания конструктивных параметров в меню автоматически пересчитываются показатели преломления для всех сред, марки которых изменялись после входа в эту таблицу.
  Если изменен один или несколько показателей среды, то она считается описанной показателями преломления. При этом марка стекла игнорируется, но не убирается автоматически.
• Каталог – в столбце «Кат» для среды может быть задан каталог оптических материалов. Пустое поле в этой колонке указывает на то, что оптический матери3.л принадлежит каталогу по умолчанию.

3.1.5. Параксиальные характеристики

В пункте меню «Система -> Параксиальные характеристики» отображаются вычисленные параксиальные характеристики системы. Кроме кардинальных отрезков оптической системы (F, F', sF, sF', sH, sH') в этом пункте вычисляются длина оптической системы (L), передний и заданий отрезки (s, s'), положение плоскости Гаусса (s'G), обобщенное увеличение (V) и положение зрачков (sP, sP'). Кардинальные отрезки и длина определяются для основной длины волны, для остальные величины определяются также для дополнительных длин волн. Чтобы вычислить параксиальные характеристики части оптической системы ее надо выделить при помощи клавиши «F7» (для отмены отметки повторно нажать «F7»). Выделенная часть оптической системы должна быть непрерывной.

3.1.6. Меню «Перестройка»

«Перестройка» – предназначено для преобразований всей оптической системы или ее части. Доступно только тогда, когда на экране отображена таблица конструктивных параметров.

• «Обернуть» – оборачивание всей оптической системы или ее отмеченной части;
• «Масштабировать» – масштабирование оптической системы или ее отмеченной части;
• «Радиусы по станд. ряду» – приведение рассчитанных радиусов оптической системы к стандартному ряду;
• «Вставить поверхность» – вставка поверхности;
• «Копировать отмеченное» – копирование отмеченных поверхностей в выбранное место;
• «Переместить отмеченное» – перемещение отмеченных поверхностей в выбранное место;
• «Удалить отмеченное» – удаление отмеченных поверхностей.

Для работы с частью оптической системы ее надо выделить при помощи клавиши «F7» (для отмены отметки повторно нажать «F7»). Выделенная часть оптической системы должна быть непрерывной.

При вставке и перемещении поверхностей они вставляются перед поверхностью, на которой в данный момент находится курсор. Если в системе нет отмеченных поверхностей, то появляется запрос на выполнение действия (оборачивания, масштабирования, пересчета радиусов) над всей системой. При оборачивании и масштабировании оптической системы соответственно меняются параметры предмета, изображения и диафрагмы.

3.1.7. Ход реальных лучей через оптическую систему

Чтобы проанализировать качество оптичекой системы необходимо перейти в режим анализа аберраций. Это можно сделать через пункт меню «Выполнить -> Анализ аберраций».

Во всех блоках анализа экран делится на несколько областей (окон), которые имеют фиксированный размер и расположение. Каждое окно имеет заголовок, расположенный в его верхней строке, активное окно выделяется цветом заголовка. В нижней строке экрана (строке подсказки) отображаются функции основных горячих клавиш, наиболее полезные из них:

• F1 Help – вызывает встроенную систему помощи;
• F2 Menu – вызывает переход в меню;
• F5 Full – разворачивает окно отображения на полный экран;
• F6 Text/Graph – переключает режим отображения из текстового в графический и обратно (неактивный в данный момент режим отображается в строке подсказки);
• F10 Quit – выполняет выход в основное меню OPALа.

Вывод результатов анализа может производиться в нижнее окно или на полный экран. Переключение между окном меню и окном редактирования происходит по клавишам «Tab» либо «Esc». При нажатии «Esc» сделанные в окне редактирования изменения отменяются. Подсказка по пользованию оконной системой вызывается комбинацией клавиш «Alt»+«F1».

Выходные данные могут быть представлены в текстовой или графической форме. Переключение между этими режимами выполняется клавишей «F6». Для некоторых пунктов меню может существовать только один из режимов вывода. Если выводимые данные содержат больше строк или колонок, чем умещается в окне вывода, можно просматривать текст с помощью клавиш управления курсором.

Рассмотрим вначале пункт Ход лучей в оптической системе. В графическом режиме происходит отображение рисунка оптической системы и хода лучей.

Управление количеством лучей производится в окне «Edit» в полях:

• «Пучок <номер пучка>» – номер пучка, для которого проводить трассировку лучей (<АLL> – все пучки, < 0 > – осевой пучок);
• «Лучи <габаритные>» – отображаются верхний, нижний и главный лучи пучка; <веер> – отображаются несколько лучей в сечении;
• «Хроматизм <ДА>» – отображаются пучки для всех длин волн;
• «Предмет/изображение <ДА>» – отображаются предмет и изображение (если они ближнего типа).

В процессе просмотра хода лучей можно выделить фрагмент рисунка (появление рамки – «Space», выделение – «Enter»), вызвать измеритель «Alt»+«Space». Подсказки по дополнительным возможностям просмотра находятся в нижней строке экрана.

В текстовом режиме выводятся координаты апертурного луча на каждой поверхности, максимальные световые высоты на поверхностях, стрелки прогиба на этих высотах, а также для указанного в поле «Пучок» окна «Edit» внеосевого пучка координаты на каждой поверхности главного, верхнего, нижнего и бокового габаритных лучей.