光学与光学设计讲义电子教案.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。光学与光学设计讲义-與光學設計基本概念1.一般稱為可見光是位於光波帶中400770nm(0.10.77),而波長較短為藍光,波長較長的為紅光。波長比可見光短的紫外光(UV),而波長比可見光長的稱為紅外光(IR),一般的光學玻璃或塑膠材料可應用之4001500nm,而波長更長的IR區域(1.515)使用的光學材料為鍺或矽。2.光學鏡片置於空氣界面中,當光線經過透鏡時,光線會產生穿透與反射現像,而其中一部份會被光學材料吸收。所以折射率n之材料於空氣中的反射率計算式如下:R(反射率)=(n-1)/(n+1)2
2、T(穿透率)=(1-R)XX為透鏡的面數,而此計算值時是忽略材料的吸收率。3.當鏡片產生反射現像,而此時反射光被別的面再反射或鏡筒內面產生反射而到達成像面時,這會造成降低像質之有害光,而有害光擴大至像面整體時,則會產生某種像,我們稱為鬼影(像)。而防止鬼影的產生與界面反射的方法:(1)鏡片鍍膜(Coating)(2)鏡片塗墨。光線射入n和n的交界處的情形,有些光線被反射,有些被折射,而產生反射線和折射線,而反射線在同介質中依據光程的極值行進方向,這就是反射現象。另外折射線在折射率為n的介質裡斜射入折射率為n的介質時,由於光在不同介質裡的速率不相同,因此就改變了進行方向,這就是折射現象。如下圖:
3、這些光線都遵守下面這些光學基本原則: 入射線、反射線、折射線和法線在同一平面上。 入射角i等於反射角r(反射律)。入射角i至折射角t的關係必遵循Snellslaw由於折射率是波長的函數n(),因各單色光的折射率各不相同,所以造成折射方向有所差異,或是說不同波長的光在介質內行進的速度不同所造成,這個現象,稱之為色散(dispersion)。由上圖,我們定義色散能力(dispersionpower)V=,效率愈大,色散效果愈好,稜鏡分光效果較佳。而色散率(Abbe數)(dispersionindex),此值與製造光學玻璃有關(之間)。另外,我們也可以由稜鏡(prism)做分光來了解色散。當白光通過
4、一狹縫(silt)兒轉入一稜鏡(prism)如上圖所示,則各色光因在稜鏡中的折射角不同而分散。故在鏡後的白屏上出現一列有色的光帶稱之為光譜(spectrum)。有色光帶各色光的鄰接處,並無明顯的分界,但是各色的順序為:紅(red)、橙(orange)、黃(yellow)、綠(green)、藍(blue)、靛(indigo)、紫(violet)等七色,而這樣的現象就是光的色散。鏡片本身的材質影響進入鏡片的光線,並造成各種顏色的光,其折射率不同,讓藍色光系在離透鏡較近處成像,紅色系則在較遠處。(如下圖)消色差可以利用強的色散力(值小的材料),可以使凹透鏡具有抵消凸透鏡之色差的逆向像差,使合成焦距變
5、成一樣。如下圖畫面是由許多點所構成的,解析度代表的就是這些點的數量,如800x600SVGA,就代表畫面是由800x600個點所構成。下列幾種標準規格:VGA:640(橫)x480(縱)畫素數SVGA:800(橫)x600(縱)畫素數XGA:1,024(橫)x768(縱)畫素數UXGA:1,600(橫)x1,200(縱)畫素數SXGA:1,280(橫)x1,024(縱)畫素數影像是利用影像的小方格就是所謂的像素(Pixel)所構成的,這些小方格是影像中最小的單位,每一個小方格都有一個明確的位置,和單一的色彩,而這些一格格的位置和色彩就決定了該影像所呈現出來的樣子。數位影像測試兩大項目:解像力和
6、色彩,測試解像力簡單的說就是量度、計算影像從清晰-模糊之間的轉換點。解像力測試就是應用科學的方法將這個極限找出來。反差(Contrast)指明暗對比所造成的清淅範圍大小,在彩色來說還有所謂的色彩濃淡的分色能力。能夠容納明暗對比越大的鏡頭其所表現的細節越豐富,相反的就不是一個透光性很好的鏡頭。首先,為了可以清楚的計算解像力的數據,目前使用歷史最悠久,也同時是最多人採用的就是MTF=ModulationTransferFunction為基礎的測試程序。MTF主要是引進反差對比的概念來檢定鏡頭解像力,使用者必須對空間頻率/Spatialfrequency這個概念進行瞭解。所謂空間頻率就是1mm的寬度
7、中(或是等寬的其他單位),正弦濃度變化反覆有幾次的意思(請想像空間頻率如同海浪一樣的波型變化)。銳利度和反差的對比空間頻率由小-大(原始尺寸)1(1X放大)2(3X放大)3鏡頭的解像力100%的反差比解像力較差但對比反差尚可解像力和反差均無法比對(表示鏡頭已達極限)原本充足的反差可以很容易辨識出兩條線來,而當空間頻率加大時,也就是線條越緊密時,反差也逐漸縮小,終於反差衰減到全部變成灰色,再也分辨不出黑白條紋來,就表示鏡頭的解像力已到極限(如上圖所示)。在一個(理論上的)無像差系統中,影像點(imagepoint)具有最小的維度,但尺寸並不是無限小的。光的衍射效應,實際上決定了一個最小光點的實體
8、大小。這個光點直徑稱為光暈圓(Airy-disc),其大小取決於光波長與光圈直徑,形狀則類似具有一圈環狀分佈的核(core),核中央聚集最多能量的光子,周圍則環繞著光環。光束穿越影像平面繼續前行,接著形成另外一個分散而非集聚的光錐。由於影像的點實際上是一道光束,因此集中與分散的光錐體形成的並不是一個絕對銳利的影像平面(參見下圖)。穿越影像平面的光束的形狀,很像是沙漏時鐘,它的正式名稱為焦散面(causticsurface)。這個焦散面的外型變化,與像差校正程度有很大的關係,其實有兩種不同意義的焦平面。其中一種我們稱為光暈焦平面(paraxialfocalplane),理論上它是影像成像的最佳位
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