01_Code V设计基础

L1CodeVDesignBasics(设计基础)余飞鸿地址:教三331电子邮件:[e-mail]发作业时一定要写上学号，名字Goals&“NotGoals”inthislecture•Goals:–简要介绍光学成像基本概念–介绍一些透镜设计专业术语–向设计者提供一些参考资料•NotGoals:–公式详细推导(几何光学的事）–介绍光学设计的所有规范(将来工作的事)–介绍CODEV是如何工作的(程序设计员的事)2015/5/7CODEV设计基础2WhatIsOpticalDesign?•Optics--connectedwiththesenseoflight（跨接对光的感知？？）andrelatedtolightandvision.(连系光与视觉,这里的视觉可以是所有的传感器等）•Modeling--lighttransferascharacterizedbystraightlinesinahomogeneousmedia--wavefronts.（光在均匀介质中的传播由直线去表征，直线的小段垂线构成波前）•OpticalDesignisalsocalledGeometricalOptics.FromtheGreekwordgeometricus,meaning“accordingtogeometry”and“characterizedbystraightlines,anglesandcircles”.（根据几何学，由直线、角度、圆去刻划系统的特性）2015/5/7CODEV设计基础3LevelofOpticalDesign•Hierarchyofthecharacteroflight(刻划光线研究的范畴)–Quantummechanics(最高)•Photon/quanta(量子)•Probabilitydensity•Wavefunctionrepresentingparticles–Physicaloptics(中)•Interference•Diffraction•Polarization–Geometricaloptics(最直接)•Raytracingwithwavelengthshort•Reflection/refraction•Radiometry（光辐射测量）•Aberrations（像差）•OpticalDesign（尽可能实现完善成像）•Illuminationdesign（照明设计）2015/5/7CODEV设计基础4OpticalSpaces•每一个表面均拥有自己的物与像空间，这些中间光学空间起到一个前赵后继（或承前启后）作用。•高斯光学可将这些光学空间组合成为单一的系统物像空间。2015年5月7日10时16分ModernOpticalCADTechnique52015年5月7日10时16分ModernOpticalCADTechnique6OpticalSpaces•每当光线遇到一新的折射或反射面时，我们就说光线进入了一个新的光学空间；•如果一个系统有N个这样的“表面”，则有N＋1个这样的光学空间；•第一空间常称为物空间，最后一个空间称为像空间。2015年5月7日10时16分ModernOpticalCADTechnique7OpticalSpaces(光学空间)•透镜1形成一个虚像，该虚像作为透镜2的实物。形成最终的实像。•经过透镜1的光束，其会聚点在透镜2的后面，因此是透镜2的虚物。而透镜2对该虚物成虚像。MarginalandChiefRays•受限于YZ平面的光线称为tangential/ormeriditionalrays（子午光线）。为分析系统，常定义两条光线，即marginalray（边缘光线）andthechiefray（主光线）。•marginalray：轴上一点到入瞳边缘的光线•chiefray:自轴外点发出，过入瞳中心的光线,穿越光轴也称主光线2015年5月7日10时16分ModernOpticalCADTechnique8y=marginalrayheightu=marginalrayangleybar=chiefrayheightubar=chiefrayangleSignConventions•距离:向右为正•曲率:曲率中心在顶点右边为正•角度:逆时针为正•高度:轴上方为正2015/5/7CODEV设计基础9t0t0VCVCc=1/r0c=1/r0q0q0几何光学中光线的基本传输特性•光在各向同性的介质中以直线传播•Snell’sLaw:nsinq=n’sinq’•近轴近似:–小角度情况:sinq~tanq=q;并且cosq=1–用子午平面顶点来定位光学表面•在计算光线高度的时候，忽略掉矢高•厚度永远考虑的是中心厚度–球面折射面的光焦度为:f=1/f=(n’-n)*c–实现快速光线追迹以及推导像差公式2015/5/7CODEV设计基础10CardinalPoints•在光学系统的光轴上有6个重要的点–2个焦点(前焦点同后焦点,):平行光轴的入射光在焦点F同F’点相交–2个主点(第一主点同第二主点,P1同P2):延长入射光线同其共轭光线(会聚到焦点的光线);其交点定义了一个主平面，主平面同光轴的交点即为主点（横向放大率为１）–2个节点(第一同第二,N1同N2):入射到第一个节点的光线，将以相同的角度，自第二个节点射出.–共同点:(三个第一点同三个第二点的定义）•“第一”点由自右入射平行光线定义;“第二”点由自左入射的平行光线定义2015/5/7CODEV设计基础11CardinalPointsIllustrated•焦点：有效焦距(EFL)=主点到焦点的距离•主点(P1,P2)，节点(N1,N2)：2015/5/7CODEV设计基础12P1F1F2EFL’XJ=EFL’EFLXJ’=|EFL|ApertureStop•孔径光阑:决定有多少光可以进入光学系统•前述2条特殊的光线决定孔径光阑的特性–边缘光线:自轴上物点经孔径光阑边缘光线（AS大小）–主光线:自物体最外点经孔径光阑中心的光线（AS位置）2015/5/7CODEV设计基础13ApertureStopChiefrayMarginalrayPupilsandtheApertureStop•光瞳(Pupils)–入瞳:孔径光阑被其前面镜组所成的像–出瞳:孔径光阑被其后面镜组所成的像2015/5/7CODEV设计基础14EntrancepupillocationExitpupillocationEntrancepupildiameter(EPD)ApertureStopSpecifyingtheAperture•CODEV中孔径光阑的四种形式–EPD=入瞳直径(这个比较难懂，为什么不定义AS）–NAO=物方数值孔径(有限远物体，注意O)–NA=像方数值孔径–F/#=EFL/EPD•注意:一些NAO系统不会充满整个物理孔径光阑(在光子学中是一种普通现象)，但用户还是得指定孔径光阑面.2015/5/7CODEV设计基础15SpecifyingthePupil•无穷远物体:注意EPD的意义–F/#=efl/EPD，NAO无效(??)2015/5/7CODEV设计基础16ObjectHH'ImageTHIS0LEntrancepupilEPDqNAO=nsinqq=tan-1(EPD/2L)NA=NAO/RED=n'sinq'F＃=1/(EPD/f’)=1/(2*NA)q'RED=H'/H2015年5月7日10时16分ModernOpticalCADTechnique17ComparisionofNumericalApertureandF/#•两者同成像光束的锥形角有关。•NA定义为•nk(？？)同uk分别表示折射率以及主光线(实际光线)在像空间同光轴的夹角。NA适合于有限或无限共轭距成像系统。•NA可以近似表示成•适合于物距为无限远的成像系统kkunNAsin=EPDeffectiveDfF=#近轴近似kkunNA=SameTriplet,DifferentF/#’s2015/5/7CODEV设计基础18F#/3F#/4F#/8“Faster”“Slower”慢镜头同快镜头的定义FieldDefinition•视场定义了待成像物的大小•指定的视场可以是（为什么没有像方视场角？）–1)物方视场角,2)物高(有限大小物),3)近轴像高，4）实际像高2015/5/7CODEV设计基础19ObjectImageObjectheight(YOB)Objectangle(YAN)Imageheight(YIM)EntrancepupilLYOB=-YIM/REDYOB=-L*tan(YAN)FieldofView:FOV,视场•FOV入瞳处看物体时，入瞳自物体一端扫描到另外一端的扫描角度，注意FFOV同HFOV（Full，Half)•对有限共轭距系统，FOV可以表示自光轴算起的最大物高•FOB：表示FractionalOBject,如：–FOB0表示轴上–FOB.7表示物高占据的面积为整个视场一半时候的视场的高度–FOB1最大视场•也可以用图像大小表示FOV，视具体情况而定2015年5月7日10时16分ModernOpticalCADTechnique202015年5月7日10时16分ModernOpticalCADTechnique21渐晕Vignetting•对离轴点而言,经过系统的光束，当仅存在光栏限制光束的时候，就好像一倾斜锭子似的圆锥形。而当这一光束还受到其他孔径的光束限制的时候，就有渐晕存在。光束的横截面图这个时候将不再是园形的。旋转对称系统的像差•像差：像差描述的是真实系统对近轴系统完善成像的偏离；•参考点：有像差系统的图像位置与放大率几乎与近轴或高斯光学一样。因此近轴图像常常作为像差测量的参考量(??)；•像差的计算–1）必须用真正的角度（tanu)来计算（近轴用u角)；2）球面有球冠(SAG)，折射发生在球面表面，而不仅仅是在顶点；3）SNELL定律nsin(theta)=n’sin(theta’)，入折射角并不总是很小；4）光线会偏离y-z平面，这些光线称为变形（skew）光线•数学关系：光线必须自物点通过孔径上的所有点。手段有光线法与波前法。像差为xp,yp（孔径坐标）和H（物方高度）的函数（？？）。2015/5/7CODEV设计基础22Rays&Rayfan（光线与光扇（？？））•光线的定义:光线沿能量传播的方向；垂直于波前，当折射率n为常数时，光线为一条直线（？？）；反之，光线或许会弯曲（如GRIN–GradientIndexmaterials)。2015年5月7日10时16分ModernOpticalCADTechnique23光线通过正透镜折射情况及其与波前同的关系扇子：fan2015年5月7日10时16分ModernOpticalCADTechnique24WavefrontandOPD（波前与OPD）•自一点源出发构成的是一系列常数OPL面。在出瞳面波前对这个面(常数OPL面）的偏离量称为OPDFig.Thepassageofawavefrontthroughaconverging,orpositivelenselement.(Smith)出瞳面PerfectSystem(完善成像系统)•1)点到点成像;2)所有从物点发出的光经传输会完全会聚到像点;3)所有的波前都为球面波。本门课程，除像质评价以外，大部时间将只(专门)研究光线。问：当F#为1时，光学系统的分辨率是多少？2015年5月7日10时16分ModernOpticalCADTechnique252.44lf/#Intensityatimageplane衍射成像的斯特列尔比•斯特列尔比(StrehlRatio)：通过一个0-1数字实现对小像差光学系统图像质量的测量：2015年5月7日10时16分ModernOpticalCADTechnique260'sAberrationwithoutIrradi