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    Sistemas de imágenes de forma libre:el principio de Fermats desbloquea el diseño correcto a la primera

    a Sección transversal del sistema inicial calculado directamente combinado con desviaciones de forma libre (PV) de pico a valle desde la esfera base para el primario, espejo secundario y terciario. b Diagramas de puntos correspondientes para seis campos seleccionados basados ​​en cálculos de aberración (triángulos azules) y trazado de rayos (cruces rojas) en comparación. c Sección transversal del sistema optimizado posteriormente combinado con desviaciones de forma libre (PV) de pico a valle desde la esfera base para cada espejo. d Diagramas de puntos correspondientes para los mismos seis campos basados ​​en cálculos de aberración (triángulos azules) y trazado de rayos (cruces rojas) en comparación. Crédito:Fabian Duerr y Hugo Thienpont

    Investigadores de Brussels Photonics, Vrije Universiteit Brussel, han desarrollado un método de diseño "correcto a la primera" que elimina el enfoque de "paso y repetición" y "prueba y error" en el diseño de sistemas ópticos. Demostraron la sistemática, determinista, escalable y el carácter holístico de su técnica disruptiva con varios ejemplos de alta gama basados ​​en lentes y espejos de forma libre e invitan a los diseñadores ópticos a experimentar su nuevo método de forma práctica a través de una aplicación web de prueba de acceso abierto.

    Los sistemas de imágenes ópticas han jugado un papel esencial en el descubrimiento científico y el progreso social durante varios siglos. Durante más de 150 años, los científicos e ingenieros han utilizado la teoría de la aberración para describir y cuantificar la desviación de los rayos de luz del enfoque ideal en un sistema de imágenes. Hasta hace poco, la mayoría de estos sistemas de imágenes incluían lentes refractivos esféricos y asféricos o espejos reflectantes o una combinación de ambos. Con la introducción de nuevos métodos de fabricación de ultraprecisión, se ha hecho posible fabricar lentes y espejos que carecen de la simetría traslacional o rotacional común alrededor de un plano o un eje.

    Dichos componentes ópticos se denominan elementos ópticos de forma libre y se pueden utilizar para ampliar en gran medida las funcionalidades, mejorar el rendimiento, y reducir el volumen y el peso de los sistemas de imágenes ópticas. Hoy dia, el diseño de sistemas ópticos se basa en gran medida en algoritmos de optimización y trazado de rayos eficientes. Por lo tanto, una estrategia de diseño óptico basada en la optimización exitosa y ampliamente utilizada consiste en elegir un sistema óptico bien conocido como punto de partida y lograr mejoras incrementales de manera constante. Este enfoque de "paso y repetición" del diseño óptico, sin embargo, requiere una experiencia considerable, intuición, y conjeturas, por eso a veces se le llama "arte y ciencia". Esto se aplica especialmente a los sistemas ópticos de forma libre.

    En un artículo recientemente publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , investigadores de Brussels Photonics (B-PHOT), Vrije Universiteit Brussel, Bélgica ha desarrollado un método de diseño óptico directo determinista para sistemas de imágenes de forma libre basado en ecuaciones diferenciales derivadas del principio de Fermat y resueltas mediante series de potencia. El método permite calcular los coeficientes de la superficie óptica que aseguran una imagen borrosa mínima para cada orden individual de aberraciones. Demuestran la sistemática, determinista escalable y el carácter holístico de su método para ejemplos de diseño basados ​​en espejos y lentes. El enfoque informado proporciona una metodología disruptiva para diseñar sistemas de imágenes ópticas desde cero, al tiempo que reduce en gran medida el enfoque de "prueba y error" en el diseño óptico actual.

    Los científicos resumen el principio operativo de su método:

    "Solo necesitamos especificar el diseño, el número y tipos de superficies a diseñar y la ubicación de la parada. Las ecuaciones diferenciales y el esquema de solución establecidos requieren sólo dos pasos adicionales:(1) resolver el caso de primer orden no lineal usando un solucionador no lineal estándar; (2) resuelva los sistemas lineales de ecuaciones en orden ascendente estableciendo aberraciones no deseadas en cero o minimizando una combinación de las mismas según lo requieran las especificaciones específicas del sistema de forma libre de imágenes. Más importante, estos dos pasos son idénticos para todos los diseños ópticos (de forma libre) ".

    a Sección transversal del sistema a partir de cálculos directos con desviación de forma libre (PV) de pico a valle desde la esfera base para la segunda y única superficie de forma libre. b Diagramas de puntos correspondientes para seis campos seleccionados basados ​​en cálculos de aberraciones. c Sección transversal del sistema optimizado posteriormente combinado con una desviación de forma libre (PV) de pico a valle desde la esfera base para la segunda superficie. d Diagramas de puntos correspondientes para los mismos seis campos basados ​​en cálculos de aberraciones. Crédito:Fabian Duerr y Hugo Thienpont

    "El método presentado permite una generación y evaluación altamente sistemática de soluciones de diseño de forma libre calculadas directamente que se pueden utilizar fácilmente como un excelente punto de partida para una optimización posterior y final. Como tal, Permite la generación sencilla de diseños iniciales 'correctos a la primera' que permiten un riguroso, evaluación extensa y en tiempo real en el espacio de la solución cuando se combina con algoritmos de optimización locales o globales disponibles ".

    Interfaz gráfica de usuario de la aplicación web de prueba de acceso abierto desarrollada que brinda a los lectores la oportunidad de tener una experiencia práctica de diseño de forma libre. Crédito:Fabian Duerr y Hugo Thienpont




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