Linser och speglar med friformiga ytor gör det möjligt för designers att fokusera ljus i optiska enheter som är ljusare, mer kompakt, och mer effektiv än någonsin tidigare.

Men tills nu, Att bestämma vilka friformiga ytor som fungerar bäst-om alls-i en given konfiguration av speglar och linser har varit en tidskrävande och ofta dyr process för försök och fel.

Det behöver inte vara så längre.

I ett papper i Naturkommunikation , huvudförfattaren Aaron Bauer, en senior forskningsingenjör vid University of Rochesters Center for Freeform Optics (CeFO), kombinerar teori och praktik i en steg-för-steg-metod som eliminerar mycket av gissningarna.

"Aaron har utvecklat en process för att designa med friformiga ytor som kan appliceras väldigt allmänt, "säger medförfattaren Jannick Rolland, CeFO -direktör och Brian F. Thompson professor i optisk teknik. "Det är verkligen vackert och känns ibland som magi."

Hon tror att resultaten kommer att hjälpa till att påskynda antagandet av friformsoptik inom industrin. "Folk kommer inte längre att säga" Åh, det är för dyrt att bygga med friformsoptik, säger hon. För nu kan du göra något som kan kosta en tiondel av vad det annars skulle ha kostat.

Att lägga grunden

Så länge speglar och linser har förpackats tillsammans i teleskop, spektrometrar, och en mängd andra optiska enheter, prestanda har definierats av hur väl dessa element kan hålla en ljusstråle fokuserad med minimal "aberration".

Traditionellt, optiska designers har förlitat sig på rotationssymmetriska optiska ytor, eftersom deras design och tillverkning var relativt enkel.

Under de senaste 20 åren har framsteg inom höghastighets mikrofräsning, datorstyrd linspolering, och etsning av jonstrålar, bland annat teknik, har gjort asymmetriska friformsytor mer genomförbara.

I ett papper 2014 Kyle Fuerschbach, en tidigare medlem i Rolland Lab, lade den teoretiska ramen för friform aberrationsteori.

"Men vi hade fortfarande ingen systematisk process att designa med den teorin, "Säger Rolland.

Att sätta ihop två och två

Bauer, sålänge, arbetade tillsammans med Fuerschbach, designa en huvudburen skärm med friformiga ytor.

"Jag märkte att det var mycket vanliga avvikelsemönster som alltid dök upp, och begränsar mitt system från att gå vidare, "Säger Bauer. Dessutom, "dessa aberrationsmönster matchade de som Kyle förutspådde skulle korrigeras av friformiga ytor. Så, Jag lägger ihop två och två. "

Metoden han kom på börjar med den första "vikningsgeometrin" (inriktning av speglar och linser) som övervägs för en design, och då, baserat på en analys av de olika avvikelser som framställs av den inriktningen, förutspår:

1. om fritt utformade ytor kan minimera dessa avvikelser och, om så är fallet,
2. vilka friformiga ytor som ska användas för maximal effekt.

"Friformiga ytor är inte en universell lösning för att korrigera varje avvikelse, "Bauer noterar." Så, vad vår metod gör är att låta formgivare analysera alla dessa geometrier i förväg, för att förutsäga om det skulle finnas en bra lösning eller inte. "

Det är mycket bättre än "brute force" -metoden där "människor heuristiskt provar olika friformiga ytor till en design, "Säger Rolland." Även om det så småningom fungerar, du kan sluta med ett system där ytornas avgång är mycket större än de skulle vara annars, eftersom alla dessa friformsytor kan kämpa mot varandra. Och om det inte fungerar, det finns ingenstans att gå som designer. "

Genom att använda Bauer metod istället, hon säger, "du kommer att kunna designa något som är mycket enklare, och det blir lättare att tillverka och testa. Vidare, metoden kommer snabbt och otvetydigt att ge insikt om varför en given geometri kan vara i sig begränsad, vilket är viktigt för designers. "