Nová knihovna pro návrh a simulaci optických systémů v prostředí MATLAB

Ve verzi MATLAB R2026a byla vydána nová knihovna s názvem Optical Design and Simulation Library for Image Processing Toolbox, která rozšiřuje Image Processing Toolbox o nástroje pro návrh, simulaci a analýzu optických soustav. Umožňuje vytvářet vlastní optické návrhy, pracovat s obsáhlými knihovnami materiálů skel a optických povlaků a integrovat existující návrhy pomocí importu ze souborů ZMX.

Co knihovna poskytuje

Knihovna pokrývá celý postup optického návrhu – od poskládání soustavy přes její vizualizaci až po podrobnou analýzu kvality zobrazení.

Klíčové vlastnosti:

• tvorba vlastních optických soustav z čocek, zrcadel, clon a obrazové roviny, případně import hotových návrhů ze souborů ZMX
• použití skel a materiálů povlaků z rozsáhlých knihoven, import vlastních materiálů i tvorba zcela nových optických materiálů a povlaků
• vizualizace optických soustav ve 2-D a 3-D
• analýza soustavy – trasování paprsků (ray tracing), polarizační analýza, diagram stopy paprsků (spot diagram), analýza aberace a zkreslení
• optimalizace optických soustav pomocí nástrojů z knihovny Optimization Toolboxu

Knihovnu lze nainstalovat pomocí Add-On Exploreru jako doplněk knihovny Image Processing Toolbox.

Aplikace Optical System Designer

Jedním z klíčových nástrojů je grafická aplikace Optical System Designer, která poskytuje interaktivní prostředí pro práci s optickými soustavami bez nutnosti psát kód.

V aplikaci je možné:

• vytvořit novou optickou soustavu nebo načíst stávající ze souboru ZMX
• skládat soustavu z jednotlivých komponent, materiálů a zdrojů světla nebo upravovat soustavu existující
• zobrazit soustavu ve 2-D i 3-D
• simulovat trasování paprsků a zaostřit soustavu
• provádět analýzy – diagram stopy paprsků, paprskovou a barevnou aberaci, zkreslení čočky
• exportovat hotový návrh do workspace MATLABu jako objekt opticalSystem nebo jako funkci pro tvorbu podobných soustav

Aplikaci lze otevřít z karty APPS na nástrojové liště MATLABu nebo příkazem opticalSystemDesigner v příkazovém řádku.

Kde začít

Pokud se chcete s knihovnou seznámit, doporučil bych začít úvodním průvodcem, který stručně představuje základní funkce knihovny – tvorbou a import soustav, vizualizaci i analýzou kvality zobrazení:

Příklad: analýza optického systému

Pro ilustraci si zjednodušeně projdeme příklad Analyze Optical System Using Optical System Designer, který ukazuje, jak v aplikaci Optical System Designer analyzovat fotografický objektiv.

Načtení soustavy

Soustavu načteme volbou Import na kartě Optical System – buď ze souboru ZMX (From ZMX File) nebo z pracovního prostoru MATLABu (From Workspace). V příkladu se importuje fotografický objektiv ze souboru PhotographicLens.zmx. Alternativně lze volbou New otevřít prázdné plátno a soustavu sestavit od začátku.

Trasování paprsků

Příklad analyzuje soustavu jen pro dva body a tři vlnové délky. Na kartě Analysis zvolíme Trace Ray pro vytrasování všech paprsků (k dispozici jsou i volby Chief Ray a Marginal Ray). Z trasování je vidět, že soustava je zaostřená – paprsky se sbíhají do ohniska v obrazové rovině.

Soustavu lze přepnout do 3-D zobrazení volbou 3-D v sekci View; pohled je možné libovolně otáčet a přibližovat. V dialogu Configure Sampling Grid lze také nastavit tvar vzorkovací mřížky (Square, Hexapolar, Random nebo Default) a počet vzorků.

Analýza soustavy

V sekci Analysis jsou k dispozici analýzy, kterými lze posoudit, jak dobře soustava vytváří obraz. Na výběr máme z pěti možností:

• Spot Diagram — ukazuje, jak těsně se paprsky z jednoho bodu objektu sbíhají v obrazové rovině
• Ray Aberration — odhaluje odchylky od ideální cesty paprsků
• Lens Distortion — posuzuje tvarovou přesnost obrazu
• Chromatic Aberration — Posuzuje barevnou přesnost obrazu
• Field Curvature — Posuzuje, zda je obraz ostrý v celém zorném poli

Závěr

Nová knihovna pro návrh a simulaci optických systémů přináší do prostředí MATLAB jak programové, tak interaktivní nástroje pro celý pracovní postup návrhu a analýzy optického systému. Aplikace Optical System Designer zpřístupňuje návrh a analýzu optických soustav i těm uživatelům, kteří nechtějí psát kód. Více informací o celé knihovně najdete v dokumentaci: