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Blog de diseño óptico
Telephoto
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Ocular 10x Apocromático.
Ocular 10x Apocromático.
En el siguiente artículo vamos a ver repasar los conceptos básico de un ocular y posteriormente os voy a presentar un ocular "high-end" que he diseñado.
El ocular es uno de los diseños ópticos mas utilizados en óptica. La misión principal de un ocular es producir un aumento de una imagen intermedia, como en el caso de un microscopio o en algunos casos, se utiliza directamente sin necesidad de otro dispositivo óptico.
En un ocular la imagen es virtual, real y aumentada. La imagen se suele formar a -250 mm desde el ojo del observador, aunque podría ser cualquier otra distancia. 250 mm es una medida usual por tradición.
La pupila de salida esta situada siempre a varios milímetros del ocular, de tal forma que el observador no tenga que tener el ojo en contacto con el ocular, sino muy cerca pero sin llegar a tocarlo. Esta distancia en ingles se llama "Eye relief". En el diseño que presento hoy esta distancia esta a 14 milímetros, que es lo mínimo que se debe exigir a un ocular.
El objeto (que en la mayoría de los casos va a ser una imagen intermedia), debe situarse al menos a 1 mm de la primera lente. En este diseño esta situado en torno a 3 mm.
Un ocular tiene una focal positiva y el objeto esta dentro de la distancia focal objeto, y al igual que pasa con una lupa, obtenemos una imagen aumentada. Como hemos dicho antes, el objeto sabemos que esta en torno a 3 mm y la imagen se forma a -250 mm, por lo que a través de la formula de lentes delgadas podemos determinar la focal del sistema.
Figura 1. Aumento lateral y focal de un ocular con la imagen a -250 mm.
Como este ocular tiene un aumento de 10X, la focal tendría que estar en torno a 25 mm. Veremos que nuestro sistema tiene una focal ligeramente diferente.
En la configuración que estamos presentando, el objeto tiene una altura de 10 mm y por tanto la imagen final será de 100 mm.
Figura 2. Informe Ocular 10X
El sistema esta compuesto por 4 lentes y 2 dobletes. La aperture stop se sitúa en la ultima superficie, tal y como se puede ver en la figura 2d layout del informe. La imagen se forma a -250 mm. Todas las superficies son esféricas.
El ocular presentado no es limited diffracted, pero tal y como podemos comprobar el gráfica de la MTF, el modulo de la OTF siempre esta por encima de 0.4. La frecuencia de corte la sitúo en 7 ciclos por mm porque el ocular esta diseñado para ser usado por un ojo humano. Eso significa que si la precisión de nuestro detector es de 1 arcmin o 0.3mRad. El sistema esta situado a 250 mm · 0.3 mRad = 0.073 mm. Si convertimos esos 0.073 mm en LP/mm (o ciclos por mm), obtenemos que 1/(2*0.073mm)=6.85 LP/mm. Por lo tanto 7 LP es una buena medida. A su vez, el poder de resolución es 1/(2*7LP/mm*10X)=7.14 micras.
A partir de la MTF podemos inferir una de los dos aberraciones predominantes del sistema, la aberración predominante en el sistema, el astigmatismo. Lo sacamos del hecho, que para el campo de 10 mm, las líneas del campo tangencial y sagital están muy separadas.
En la gráfica de la OPD vemos que la escala del gráfico es muy pequeña, en torno a 2 waves. Sin embargo se puede apreciar claramente que la pendiente entre las curvas del plano tangencial y sagintal son distintas, lo que indica astigmatismo. En el campo de 10 mm, se pueden apreciar dos cosas. Primera, la línea morada tiene mucha inclinación y esta muy separada frente a las otras, por lo que sospecho de un problemilla de color lateral. Segunda, la línea rosa muestra una gráfica asimétrica exclusivamente en el campo tangencial, por lo que puedo tener un poco de coma.
Revisando el Ray Fan, constato que en el campo de 10º hay color lateral, debido a la separación entre las líneas y también detecto el problema de Coma. Se observa además, que el problema de astigmatismo esta también presente, debido a la diferencia de pendiente que hay entre los campos tangencial y sagital.
El Spot Size RMS nos dice que el tamaño del disco de Airy para este sistema es de 28.45 micras (este valor es tan alto por la situación de la STO, justo después del "Eye relief"). En general el tamaño de punto esta bien, porque es menor al disco de Airy en los 3 primeros campos y no llega a ser ni el doble al disco para los otros tres. Este sistema tampoco se pretendía que fuera "limited difraccted" precisamente porque el ojo es el sensor.
Consultado el diagrama de Seidel, vemos que en realidad la mayor aberración del sistema es la distorsión. Este sistema se ha diseñado para tener menos de un 5% de distorsión. Consultado la gráfica "Field Curvature/Distorsion", comprobamos que el sistema esta por debajo del 4.5%. La curvatura de campo es menor 6.5 mm, y en algunos campos encontramos hasta dos localizaciones con soluciones para el cero.
El gráfico del Color Lateral si que nos muestra que la longitud de onda rosa esta fuera de los límited de círculo de Airy que predice Zemax. Sin embargo la calidad de la imagen es lo suficientemente buena.
Para mejorar el diseño se activo el Ray Aiming. Se puede comprobar a través del gráfico Entrace Pupil Aberration, ya que la escala es prácticamente nula. Se comprueba ademas que es acromático para la zona de pupila normalizada 0.707.
Dejo imágenes donde podemos ver como se vería una imagen simulada y como es la irradiancia del sistema, prácticamente y ahora sí, limited difraccted. La iluminación relativa es siempre superior o igual al 75%.
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Muchas gracias y hasta otra.
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