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研究生: 鄭子暘
Cheng, Tzu-Yang
論文名稱: 軸對稱光學系統的三階光線像差之研究
The Study of the Third-order Ray Aberrations for an Axis-symmetrical Optical System
指導教授: 林昌進
Lin, Psang-Dain
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 83
中文關鍵詞: 賽德像差理論賽德系數像差多項式三階像差
外文關鍵詞: Seidel coefficients, Aberration polynomials, Third-order aberrations
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  • 賽德像差多項式是以物高和入射光瞳的極座標為冪級數展開而來,其中入光瞳的極座標又會是光源入射角度的函數,雖然使用光源入射角度比起使用光瞳的極座標,對於光線的描述更為複雜,但能更直覺且真實呈現入射光角度和光線像差之間的關係,因此本論文推導另一種形式的像差多項式,使用物高和光源入射角度作為獨立變數,對像差函數進行泰勒級數展開,再利用光線在旋轉對稱光學系統傳播的對稱性質,將展開式進行簡化,並與賽德像差多項式作對應,即可推得賽德像差多項式的系數表示式。接著使用此理論配合本研究室的數值計算軟體,以Petzval透鏡為範例,計算出賽德像差多項式係數和像差值,並與光學軟體Zemax模擬得到的像差值作比較,來驗證本論文所提出理論的正確性。
    光學軟體中,賽德係數是由幾何光學的方式推導而來,過程中使用多次的近軸近似,然而賽德像差是三階的像差,因此使用一階的方式推導顯得不夠合理,本論文使用純數學的方式推導出賽德像差多項式係數,以光線的三階微分表示,並使用本研究室數值計算軟體計算出實際數值,來得到更加準確的三階像差值。

    Seidel coefficients of Zemax are calculated by the method of geometric optics. Several paraxial equations were used in the process of calculation. However, Seidel aberrations are third order aberrations. It seems that it’s not proper to derive Seidel aberrations by using first order method. In this paper, we derived the ray aberration polynomials in terms of the partial derivatives of the ray. Moreover, using computer program to calculate the more accurate value of third-order ray aberrations.

    目錄 中文摘要 I ABSTRACT II 誌謝 IV 表目錄 VIII 圖目錄 IX 符號說明 XI 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 幾何光學基本原理 2 1.3 文獻回顧 5 1.4 本文架構 8 第二章 球差公式 9 2.1 球差的特性 9 2.2 一個球面的球差 9 2.3 兩個球面的球差 10 2.4 k個球面的球差 12 2.5 賽得球差系數 14 2.6 賽得球差系數與球差的關係 17 2.7 球差公式驗證 18 2.8 球差的例子 20 第三章 彗差公式 29 3.1 彗差的特性 29 3.2 彗差的多項式 29 3.3 彗差系數與彗差的計算公式 32 3.4 彗差的例子 35 第四章 以光源高度與角度展開的像差多項式 40 4.1 光線傳播 40 4.2 像差函數的建立 42 4.3 光線像差的對稱性 44 4.4 像差名稱 48 第五章 以光源高度與三角函數展開的像差多項式 51 5.1 像差函數的建立 51 5.2 光線像差的對稱性 54 5.3 程式計算範例 58 5.4 像差函數對入射角度的二階微分 63 第六章 數值計算 66 6.1 物體在200mm處的三階偏微分數值 66 6.2 數值計算與Zemax模擬之球差值 68 6.3 數值計算與Zemax模擬之慧差值 70 6.4 數值計算與Zemax模擬之像散值 72 6.5 數值計算與Zemax模擬之場曲值 74 6.6 數值計算與Zemax模擬之畸變值 76 第七章 結論與展望 79 參考文獻 81 附錄 83

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