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幾何光學概論

幾何光學概論. 主講人：吳柏毅. OUTILNE. Basic Law Lens Stops Aberration Resource. 1.Basic Law. 光的直線傳播定律 The laws of reflection and refraction ( 反射與折射定律 ) Total internal reflection ( 全反射 ). 光的直線傳播定律. 光在均勻介質裡沿直線傳播 。 實例 在點光源的照射下 ， 在不透明的物體背後出現清晰的影子 。 光的可逆性原理

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幾何光學概論

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Presentation Transcript

  1. 幾何光學概論 主講人：吳柏毅 光電系統模擬設計實驗室

  2. OUTILNE • Basic Law • Lens • Stops • Aberration • Resource 光電系統模擬設計實驗室

  3. 1.Basic Law • 光的直線傳播定律 • The laws of reflection and refraction (反射與折射定律) • Total internal reflection (全反射) 光電系統模擬設計實驗室

  4. 光的直線傳播定律 • 光在均勻介質裡沿直線傳播。 • 實例 • 在點光源的照射下，在不透明的物體背後出現清晰的影子。 • 光的可逆性原理 • 光具有可逆性(reversibility)，若以像當作物，則光線由右至左經系統後，所成的像必為原來的物。 光電系統模擬設計實驗室

  5. The Laws of Reflection and Refraction (反射與折射定律) • 實驗表明: • 反射線與折射線都在入射面內 • 反射角等於入射角 • Snell’s Law nisinθi= nt sinθt 光電系統模擬設計實驗室

  6. Total Internal Reflection (全反射) • 全反射臨界角 • 當光線從光密介質射向光疏介質時，當入射角θr 增至臨界角時，折射角θt=90°。(nisinθi= nt sinθt) • 全反射的應用 • 光纖利用全反射來傳輸光線 光電系統模擬設計實驗室

  7. light 2.Lens(透鏡) • 透鏡是折射元件(改變光線透射能量分佈方式) • Lens maker’sformula • Gaussian lens formula 光電系統模擬設計實驗室

  8. 焦距f2 Fo Fi Optical axis Two thin lenses got into contact 焦距f1 Fo=Fi=F F is effective focal length 光電系統模擬設計實驗室

  9. 曲率半徑的正負值判斷 • 圓心在曲面的右邊→正的 • 圓心在曲面的左邊→負的 光電系統模擬設計實驗室

  10. 透鏡形狀因子 X • 焦距相同時，判斷鏡片彎曲程度 • C值為曲率半徑的倒數 • 形狀因子 • X=0，鏡片為對稱結構 • X=±1，一鏡面為平面 • X絕對值大於1，值愈大鏡面愈彎曲，高階像差愈大 光電系統模擬設計實驗室

  11. 3.Stops(孔徑光欄) • 限制進入系統的光能量 • Stops可以用來減少像差 光電系統模擬設計實驗室

  12. Aperture stop & Field stop • Aperture stop：限制進光量 • Field stop：限制視野 光電系統模擬設計實驗室

  13. Entrance pupil(入瞳)& Exit pupil(出瞳) • 入瞳：從物空間看到A.S的像，決定進入系統的光錐大小 • 出瞳：從像空間看到A.S的像，決定離開系統的光錐大小 光電系統模擬設計實驗室

  14. Pupil Example 光電系統模擬設計實驗室

  15. Chief ray & Marginal ray • Chief ray－物體上離軸點所發出光線且通過A.S中心點 • Marginal ray－物體軸點所發出光線且通過A.S邊緣 光電系統模擬設計實驗室

  16. Entrance Pupil Exit Pupil Marginal Chief Pupils and stops for a three lens system • Chief ray沿著入瞳中心點的延長線進入系統，沿著出瞳中心點的延長線離開系統 光電系統模擬設計實驗室

  17. F-number (F-數值) • F數值是光通過鏡頭量大小的表示。F數值愈小表示通過的光量多，F數值是焦距長和有效開口的比值。 D : 入瞳的直徑 f : 焦距長 光電系統模擬設計實驗室

  18. N.A. (數值孔徑) • 數值孔徑( numerical aperture )以符號 N.A. 表示，通常用於定值成像系統中。我們定義 N.A.為 N.A. = nsinψ • N.A.值與F-number都是描述系統光通量的物理量，對一個無限遠的物而言，它們之間的關係是 光電系統模擬設計實驗室

  19. F/# & N.A.→描述系統聚光的能力 • N.A↑ => F/#↓ => 錐角大，聚光能力大 • N.A↓ => F/#↑ => 錐角小，聚光能力小 光電系統模擬設計實驗室

  20. Examples of F/# • The smaller the f-number, the larger it is the aperture. 光電系統模擬設計實驗室

  21. 4.Aberration(像差) • 像差：實際成像與理想像差之差異 理想 實際 補償 光電系統模擬設計實驗室

  22. 像差型成的原因 • A.S.的位置 • 折射率的大小 • 鏡片形狀 光電系統模擬設計實驗室

  23. 軸外像差隨A.S.位置改變 • A.S.相同，位置不同 • 軸上像差相同，軸外不同 • 光圈愈遠，鏡片愈大 光電系統模擬設計實驗室

  24. n=1.4 n=1.6 像差隨折射率改變 • 兩圖的焦距及A.S相同，但折射率不同，有不一樣的成像品質 光電系統模擬設計實驗室

  25. 像差隨鏡片形狀改變 • 焦距、A.S.相同，但形狀不同造成像差亦不同。 光電系統模擬設計實驗室

  26. Tangential plane(子午面)與 Sagittal plane(弧矢面) • 一般只分析子午面和弧矢面成像特性 光電系統模擬設計實驗室

  27. 像差分類 • 像差 (Aberration) • 球面 Spherical • 慧差 Coma • 像散 Astigmatism • 場曲 Curvature • 畸變 Distortion • 色像差 (Chromatic Aberration) 光電系統模擬設計實驗室

  28. Spherical aberration(球差) • 焦點隨離軸高度而改變 • 成像點形成對稱式光斑 • 球面鏡的本性(故稱為球差) • 多鏡片組合或非球面可減少球差 光電系統模擬設計實驗室

  29. Coma(慧差) • 焦點隨離軸高度而改變 • 軸上物點所發出光線並不會產生慧差 光電系統模擬設計實驗室

  30. Astigmatism(像散) • 光線非對稱地入射透鏡 • 平行和垂直面上焦點不同 • 子午焦線和弧矢焦線間距愈長像散愈嚴重 光電系統模擬設計實驗室

  31. Field curvature(場曲) • 當一系統的球差、慧差、像散都修正為零，則系 統就能使物點成像為像點 • 不同角度入射，焦距相同 • 成像面非平坦，而是一彎曲面 光電系統模擬設計實驗室

  32. Distortion(畸變)-物體離軸遠近不同有不同放大率Distortion(畸變)-物體離軸遠近不同有不同放大率 →枕形畸變 →桶形畸變 光電系統模擬設計實驗室

  33. Chromatic Aberration(色差) • 不同波長，折射率不同，焦點不同 • 成像面上呈現多色的同心圓 光電系統模擬設計實驗室

  34. 垂軸色差與軸向色差 光電系統模擬設計實驗室

  35. 5.Resource • http://micro.magnet.fsu.edu/primer/lightandcolor/lenseshome.html 光電系統模擬設計實驗室

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