S-Ebenen-Editor

Viele Softwarepakete für die optische Konstruktion – wie beispielsweise Zemax OpticStudio, CODE V und OSLO – verwenden einen S-Ebenen-Editor, um Linsensysteme zu beschreiben. Dabei steht „S“ für Oberfläche: Ein S-Ebenen-Editor ist im Wesentlichen eine Tabelle von Oberflächen, durch die das Licht hindurchgeht, wobei diese in der Reihenfolge aufgelistet sind, in der sie entlang der optischen Achse auftreten. Jede Zeile entspricht einer Oberfläche mit einer bestimmten Krümmung, einer bestimmten Dicke bis zur nächsten Oberfläche, einem bestimmten Durchmesser und einem bestimmten Material.

Dasselbe Prinzip wird in OghmaNanos „Optical Workbench“ angewendet. Es wird davon ausgegangen, dass sich Licht von links nach rechts ausbreitet: Es beginnt in der Luft, durchläuft die Oberfläche der ersten Linse (wobei sich der Brechungsindex ändert), durchquert die Dicke der Linse, tritt durch die zweite Oberfläche aus und so weiter für jede Linse in der Anordnung. Durch die Bearbeitung der S-Ebenen-Tabelle legen Sie ein vollständiges optisches System in Bezug auf seine Oberflächen fest.

Während die S-Ebene von Natur aus eindimensional ist (Oberflächen entlang einer Achse), ist OghmaNano von Grund auf als eine vollständig dreidimensionale Raytracing-Umgebung konzipiert und nicht als ein reines eindimensionales Propagationsmodell. Der S-Ebenen-Editor dient daher als eine praktische, dem aktuellen Stand der Technik entsprechende Ansicht auf eine tatsächlich dreidimensionale Szene. Linsendefinitionen in der S-Ebenen-Tabelle werden in dreidimensionale Linsenobjekte umgewandelt, die sich innerhalb des Hauptsimulationsfensters befinden, wie in ?? dargestellt.

Zugriff auf den S-Ebenen-Editor

Der S-Plan-Editor wird über das Hauptfenster von Optical Workbench aufgerufen. Klicken Sie im Reiter „Gerätestruktur“ auf das S-Plan-Symbol in der linken Werkzeugleiste (direkt unterhalb des Layer-Editors), wie in ?? dargestellt. Dadurch wird das Fenster des S-Plan-Editors geöffnet, in dem Sie Linsensysteme erstellen, bearbeiten und organisieren können.

Die S-Ebene-Tabelle

Der S-Plan-Editor stellt Linsensysteme als Tabelle von Oberflächen dar (??). Jedes Paar von Zeilen entspricht einer physikalischen Linse: einer Eingangsfläche und einer Ausgangsfläche. Die Spalten enthalten die wichtigsten optischen Parameter:

• Name – eine Bezeichnung für die Region (Luft, Linse 1, Linse 2, …).
• Optisches Material – Brechungsindexmodell oder Glasbezeichnung.
• Linsentyp – sphärisch, asphärisch usw.
• Abstand oder Dicke – Abstand zur nächsten Oberfläche.
• r0 – Krümmungsradius der Oberfläche.
• Durchmesser – freie Öffnungsweite der Oberfläche.
• ID- und Hilfsspalten – interne Kennungen und Optionen.

Während Sie die Werte in der S-Ebenen-Tabelle bearbeiten, wird die entsprechende 3D-Linsenform sofort in der Ansicht „Optical Workbench“ aktualisiert. Farben werden einheitlich verwendet, sodass beispielsweise die roten Zeilen, die mit „Linse 1“ beschriftet sind, der roten Linse in der 3D-Szene entsprechen, die orangefarbenen Zeilen der orangefarbenen Linse usw.

Linsengruppen und dreidimensionale Anordnung

In OghmaNano ist jede S-Ebenen-Tabelle einer dreidimensionalen Struktur zugeordnet, die als Linsengruppe bezeichnet wird. Eine Linsengruppe ist einfach ein Container, der alle Linsen enthält, die zu einer bestimmten S-Ebenen-Definition gehören. In der 3D-Ansicht erscheint die Linsengruppe als roter Rahmen, wie in ?? dargestellt. Der äußere rote Rahmen stellt das globale Simulationsvolumen dar; der innere rote Rahmen ist die Linsengruppe. Wenn Sie die Linsengruppe in 3D verschieben – beispielsweise durch Klicken und Ziehen bei gedrückter Umschalttaste –, bewegen sich alle in der entsprechenden S-Ebenen-Tabelle definierten Linsen gemeinsam. Dadurch lässt sich eine gesamte optische Anordnung einfach innerhalb einer größeren Szene neu positionieren.

Wenn Sie im S-Ebenen-Editor auf „Neu“ klicken, wird eine neue Linsengruppe mit einer eigenen S-Ebenen-Tabelle erstellt. Sie können also mehrere unabhängige S-Ebenen innerhalb einer einzigen Simulation haben, wobei jede in ihrer eigenen 3D-Linsengruppe platziert ist. Dies ist nützlich für die Modellierung komplexer optischer Systeme, wie z. B. Teleskope mit separaten Objektiv- und Okularanordnungen oder Kameramodule mit mehreren Linsenelementen.

Darstellung in der S-Ebene im Vergleich zur 3D-Welt

Es ist wichtig zu betonen, dass der S-Ebenen-Editor in OghmaNano eine abgeleitete Ansicht der 3D-Welt und nicht die zugrunde liegende Realität darstellt. Die 3D-Objekte und ihre Oberflächen sind die primäre Darstellung, die vom Raytracing-Programm verwendet wird. Die S-Ebenen-Tabelle ist eine strukturierte, flächenweise Beschreibung, die aus diesen Objekten extrahiert und mit ihnen synchronisiert wird.

Dieser hybride Ansatz vereint die Vorteile beider Ansätze:

• Sie behalten eine vollständige 3D-Simulationsumgebung bei, in der Linsen als explizite Netze dargestellt werden, die mit beliebiger Geometrie interagieren können.
• Gleichzeitig erhalten Sie eine standardisierte S-Ebenen-Schnittstelle, die der üblichen Darstellung von Linsendesigns in der Fachliteratur und in herkömmlichen Konstruktionsprogrammen entspricht.

Bei der Entwicklung von Teleskopen, Kameraobjektiven oder anderen axialen Systemen ist es oft am zweckmäßigsten, mit der S-Ebenen-Tabelle zu beginnen: Man definiert die Oberflächen, Radien und Dicken und überprüft anschließend das resultierende 3D-Layout. Für komplexere 3D-optische Strukturen können Sie in der CAD-/Mesh-Editor- und Formdatenbank definierte Linsengruppen kombinieren, die auf der S-Ebene basieren.