把光学软件啊什么的地址全都删掉了~ sorry~

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Aberrations

2011.05.10 , , Aberrations已关闭评论 , 4,213 views

I. Introduction to the Aberrations of Optical Systems

Perfect image formation in an optical system occurs when all of the rays originating from a single object point cross at a single image point, or equivalently, when the geometrical wavefront in image space has a spherical shape centered on the image point. Lord Rayleigh provided a mathematical proof that in order for an optical system to produce a perfect image of an object, all of the optical path lengths (OPL’s) for each possible ray connecting an object point to its corresponding image point (conjugate points) must be equal. The only surfaces to rigorously satisfy this condition are the Cartesian oval and the conic sections at one pair of conjugates. This situation is never satisfied for a real optical system with spherical optics, or for the oval and conic sections away from their unique pair of conjugate points (the only optical element that exhibits stigmatic imaging for all pairs of conjugate points is the plane mirror). This leads us to expect deviations from ideal (stigmatic) imaging which we refer to as aberrations. Aberrations are highly dependent upon surface curvatures, conjugate ratios, aperture stop location and diameter, and field angles.
1). Monochromatic aberrations are aberrations that arise due to geometrical deviations from paraxial (Gaussian) theory. First-order theory corresponds to the approximation sinθ ≈ θ. If we extend the approximation to the next term, we can predict deviations from paraxial theory when sinθ ≈ θ - θ3/6. This third-order theory describes the five primary or Seidel aberrations: spherical aberration, coma, astigmatism, field curvature, and distortion.
2). Chromatic aberrations result from the dependence of index of refraction on wavelength (n → n(λ)). This causes the properties of an optical system, such as magnification, focal length, and location of all the principal points, to be different for each color of light passing through the system.
3). Diffractive aberrations are caused by deviations from geometrical optics due to the wave nature of light. Diffraction effects place the ultimate limit on a system’s best possible imaging performance.
4). Aberrations may also result from the physical limitations of an optical system (surface quality, surface accuracy, limited aperture size, etc.).

II. Third-Order Aberration Theory

1). The first step in analyzing deviations from paraxial theory is to model the behavior of an optical system as a function that is an infinite series of terms of which the first term reproduces paraxial theory and the remaining terms correspond to successively smaller corrections. These expansions may be obtained many different ways: optical Hamiltonian, wavefront distortion, optical surfaces, sinθ, … Generally, the five Seidel terms are the only aberration terms that maintain the same functional form regardless of method of derivation.

一篇很好的关于像差知识的文章,基本上认真看完之后对像差就有了解了。。。真的是觉得看国外的这些文字资源什么的获益比较多,一方面是他们的内容做的比较的充实,排版的也比较好。。。呵呵

这里就只copy了前面一点点,全文的话附上pdf的附件

理想光学系统

2011.05.10 , , 理想光学系统已关闭评论 , 2,778 views

理想光学系统

perfect optical system

能产生清晰的、与物貌完全相似的像的光学系统。光学系统是由透镜、反射镜、棱镜及光阑等多种光学元件按一定次序组合成的整体。曲率中心在同一直线上的两个或两个以上折射(或反射)球面组成的光学系统称为共轴球面系统,曲率中心所在的那条直线称为该光学系统的主光轴。对单个折射球面或球面反射镜,主光轴是连结球面顶点(球面受光部分的中点)与其曲率中心的直线。有一定关系的光线组成光束,凡光束中各光线(或其延长线)均交于同一点,则此光束称为同心光束。入射的同心光束经理想光学系统后,出射光束也必定是同心光束。入射同心光束的交点称为物点,出射同心光束的交点称为像点。

理想光学系统具有下述性质 :①光学系统物方一个点(物点)对应像方一个点(像点)。即从物点发出的所有入射光线经光学系统后,出射光线均交于像点。由光的可逆性原理,从原来像点发出的所有光线入射到光学系统后,所有出射光线均交于原来的物点,这一对物、像可互换的点称为共轭点。某条入射光线与对应的出射光线称为共轭光线。②物方每条直线对应像方的一条直线,称共轭线;物方每个平面对应像方的一个平面,称为共轭面。③主光轴上任一点的共轭点仍在主光轴上。任何垂直于主光轴的平面,其共轭面仍与主光轴垂直。④对垂直于主光轴的共轭平面,横向放大率(见凸透镜)为常量。

高斯光学

研究理想光学系统上述物、像两方一一对应关系的理论称为高斯光学,光纯粹是一种几何理论,首先由德国科学家C.F.高斯在1841年的著作中阐明。实际中不存在真正的理想光学系统,平面反射镜是个例外,但其横向放大率恒为1。共轴球面系统严格说不是理想光学系统,但在傍轴条件下可近似地满足理想光学系统的要求,理想光学系统的概念和理论正是以此为原型抽象和概括出来的,故高斯光学也称傍轴光学。

在共轴球面系统中,若入射光线和出射光线靠近主光轴,且与主光轴的夹角μ很小,使sinμ≈tgμ≈μ,cosμ≈1近似成立,则相应的光线称为傍轴光线,上述条件称为傍轴条件。在傍轴条件下共轴球面系统可近似看作理想光学系统。

单个折射球面(或反射球面

单薄透镜

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对细小平面以细光束成完善像

实际光学系统

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对具有一定大小的物(视场)

以宽光束(孔径)

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一个光学系统必须由若干元件组成,经反复精密计算,使其成像接近完善

开始时,首先将系统看成是理想的

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理想光学系统及其原始定义

理想光学系统——像与物是完全相似的

物空间

像空间

——>

共轭点

直线

——>

共轭直线

直线上的点

——>

共轭直线上的共轭点

理想光学系统理论——高斯光学

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更多的资料可以看这里:http://jpkc.zju.edu.cn/k/548/course/chp4.html

用CODE V设计一个数码相机镜头

2011.04.8 , , 3 Comments , 10,809 views

用CODE V设计一个数码相机镜头

                                                    Doffery 2003-11-24

一个简单的数码相机镜头

数码相机现在已经很普通,最近的百万像素典范有高解析度的CCD阵列和光电子学。但是不要担心,那些都不是您用CODE V的第一任务。相反,你将设计一个还算简单的定焦的数码相机物镜。这仍需要一些光学设计,但是它是一个相对简单的题目,一个两片或三片居中的玻璃或是塑胶折射镜头组件。

这里是你将在本章所学的:

  • 说明一个简单镜头的一般设计规格
  • 利用这些信息来确定一个起始点
  • 修改起始点来达到设计要求
  • 做一个简单的分析,和规格进行比较确定一个优化指导性方向

在下一节您将利用本节所得到的结果作为起始点来:

  • 优化镜头
  • 确定设计中的问题,发掘潜力
设计规格

有时您会接到某人关于一个镜头的规格而且您需要输入到CODE V中,分析它,可能需要优化它。这些都是直截了当的。另外,一个设计问题可能开始于一个规格,或一些说明信息,怎样完成镜头,形成一个指导性的思想,你必需找到一个起始点,建立它,分析它并优化它。

对于这个数码相机镜头,规格是来自于CODE V的消费者产品。问题是:“如果你想做一个低价位,定焦的VGA数码相机,你将怎样描述它?”

定焦数码VGA相机物镜规格

少数元件(1-3)普通光学玻璃或塑料

解析度

640X480有效像素

像素大小

7.4X7.4microns

像面大小

4.74X3.55mm2(对角线6mm)

图像传感器(基线是Agilent FDCS-2020)

物镜

定焦,景深

焦点

0.75M~Infinity

焦距

定焦,6mm

几何畸变

<4%

F/# 

定孔径,F/3.5

锐度
MTF离焦范围(中心区域为CCD内3mm)

低频,17LP/mm (中心)>85%边缘高频,51LP/mm >中心),>25%(边缘)

渐晕

角落相对照度>60%

透过率

单镜片>80% 400~700nm

IR滤光片

1mm厚肖特IR-638或HOYA的CM500

以上规格的意义

首先,这些意味着它将是一个比较小的镜头系统,传感器的大小和焦距的大小均为6mm(大约1/4英寸)。传感器的大小和有效焦距的大小就决定了视场角的大小(FOV),根据无穷远物距关系:h = f tan θ或像高=EFL*tan(semi-FOV)

在这个案子中,像高为3mm(为传感器对角线的一半),并且EFL=6mm,所以可以解出Semi-FOV为26.5°,假设你想用少量的组件,这就是所有的起始点所需要的信息。

CODE V拥有分析组件允许对其它规格进行评价(畸变、MTF、相对照度、透过率)。我们将在稍后介绍这些功能,当它们需要时,但是认为锐度是一瞬间的。锐度通常用MTF来表示,它将镜头对空间频率的成像量化成函数。最大的锐度用MTF表示则其值为1.0。最小锐度出现时,其MTF为0。高的空间频率代表了细节用每毫米有多少线对来度量。我们将在稍后对MTF和其它的评价方法作更进一步的讨论。

一个数码相机中使用的CCD阵列是由许多很小的但是大小有限的单元构成的,这些单元称之为像素(每个单元实际上是由三个有色像素构成,但是出于设计考虑,我们认为每个单元是由一个像素构成的)。规格上指出像素的大小为7.4mm2,则阵列的最大的空间频率可以由2倍的像素大小的倒数来计算出来,1/(2*0.0074)=67.6LP/mm。用这块CCD阵列,则任何比这个高的空间频率将不能分辨。不管这些,光学系统在CCD的截止频率时MTF不能为零。这就使合成的MTF与CCD的截止频率形成对应关系。这就是前面提到的锐度的意义。