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Blog de diseño óptico
Telephoto
Telephoto
Ocular 10x Apocromático.
Telephoto objective.
Nos piden diseñar el objetivo de un teleobjetivo con una EFL de 10", f/5.5, acromático y un ratio de 0.8. Tiene que ser diseñado para las líneas espectrales F, d y C, usando cristales K3 y F3. El ángulo de campo será 10º. En la figura 1 se muestra el diseño preliminar del sistema.
Las principales características de un tele-objetivo son que el plano principal imagen lo encontramos por delante de las lentes, lo que nos proporciona una focal relativamente grande mientras que el sistema está compactado.
En estos sistemas se especifica un número K, conocido como "Telephoto ratio". En este diseño será de 0.8 pero puede ser mayor. Este número es importante porque interviene en los cálculos.
En este diseño tenemos que tener en cuenta que:
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La longitud total es KxEFL del sistema.
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La BFL es la mitad de la focal. De esta manera el sistema estará compactado.
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El plano principal imagen queda por delante del sistema.
Figura 1. Esquema básico del teleobjetivo.
En la Figura 2 se muestran los resultados de los cálculos del teleobjetivo según las exigencias del problema.
El resumen del sistema es:
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La focal de la primera lente es 6 mm y la focal de la segunda lente es -7.5 mm.
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La BLF es 5 mm.
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En la Figura 2 se muestra el cálculo de las lentes acromáticas basadas en las potencias inicialmente calculadas.
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La separación entre las lentes va a ser inicialmente 3", situando la AS a mitad de distancia de ambas lentes.
En la Figura 3 vemos el spot size objetivo que nos marcan. En este caso, primero lograremos el spot size del sistema estricto, es decir, manteniendo que la BLF sea la mitad exacta de la EFL y la distancia entre las lentes sera 3". En el sistema no estricto, tendremos un margen tanto en la BFL como la distancia entre lentes del ±3%.
Figura 2. Cálculos preliminares del sistema.
Figura 3. Rms Spot Size objetivo.
En la figura 4 se muestra el sistema optimizado a los grados que nos piden, manteniendo la distancia total del sistema muy cerca de 8" y mejorando el spot size mas allá de los requerido, especialmente en los campos 0º y 5º.
Figura 4. Sistema estricto optimizado.
En la Figura 4 vemos que el tamaño del Spot Size RMS es menor al que nos piden. Sin embargo, el sistema tiene graves problemas de rendimiento. El sistema no tiene el color corregido, el astigmatismo es muy alto, en torno a 21.5 waves, la aberración esférica y el coma son también altos, 8.5 y 7.4 waves respectivamente. La curvatura de campo es relativamente alta también, pues las unidades están en pulgadas y como se puede ver en el Ray Fan, hay un problema de color lateral.
El motivo de este pobre rendimiento se lo achaco a las limitaciones que nos imponen, solo utilizar dos elementos, los cristales nos vienen predeterminados y el sistema debe cumplir una serie de parámetros muy restrictivos.
En la Figura 5 se muestra el sistema donde relajamos las condiciones de diseño en torno a un ±3%. en cuanto a las distancias entre lentes y la BFL.
Figura 5. Sistema relajado optimizado.
Al relajar las condiciones podemos ver cómo la distorsión se ha reducido por cinco, así como la curvatura de campo se ve reducida a la mitad. El tamaño del RMS Spot Size es mucho menor en el segundo sistema, casi 4 veces menor en el sistema relajado que en el sistema estricto. El color sigue sin estar corregido.
El astigmatismo se ha reducido por 3, y ahora tiene un valor de 8.1 waves, así como la aberración de esférica y el coma, que ahora tienen un valor de 5.8 y -1.2 waves respectivamente.
En ambos sistemas se ha superado el Spot Size RMS propuesto por el problema y doy este artículo por concluido.
Si este artículo te ha resultado interesante, házmelo saber. Abajo tienes cómo contactar conmigo.
Muchas gracias y hasta otra.
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