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1、光電系統模擬設計實驗室,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(reversibili
2、ty)，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 Snells Law ni sini= nt sint,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r 增至臨界角時，折射角t=90。(ni sini= nt sint) 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,7,2.
3、Lens(透鏡),透鏡是折射元件(改變光線透射能量分佈方式) Lens makers formula Gaussian lens formula,光電系統模擬設計實驗室,8,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,圓心在曲面的右邊正的 圓心在曲面的左邊負的,曲率半徑的正負值判斷,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
4、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
5、& 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,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(
6、 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. = nsin 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
7、.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,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 plan
8、e(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
9、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,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,
