When a one-dimensional telecentric paraxial holographic kinoform is used as a Fourier transform lens, we analyzed three surface-relief structures, i.e., plano-convex, convex-plano and biconvex shapes, employing exact raytracing method based on Snell's law. For the kinoform of E/8 and focal length of 15 mm, the number of zones, the thickness, and the slope of parabolic surfaces are varied by changing the refractive indicies of kinoform material and surrounding medium. It is found that biconvex shape gives the best results in general, although off-axis performance degrades in all cases as the slope of parabolic surfaces increases.
Differential phase contrast (DPC) microscopy, a central quantitative phase imaging (QPI) technique in cell biology, facilitates label-free, real-time monitoring of intrinsic optical phase variations in biological samples. The existing DPC imaging theory, while important for QPI, is grounded in paraxial diffraction theory. However, this theory lacks accuracy when applied to high numerical aperture (NA) systems that are vital for high-resolution cellular studies. To tackle this limitation, we have, for the first time, formulated a nonparaxial DPC imaging equation with a transmission cross-coefficient (TCC) for high NA DPC microscopy. Our theoretical framework incorporates the apodization of the high NA objective lens, nonparaxial light propagation, and the angular distribution of source intensity or detector sensitivity. Thus, our TCC model deviates significantly from traditional paraxial TCCs, influenced by both NA and the angular variation of illumination or detection. Our nonparaxial imaging theory could enhance phase retrieval accuracy in QPI based on high NA DPC imaging.
A low-cost optimal double-prism method is proposed by using the developed MATLAB program to correct chromatic aberration. We present an efficient approach to choose a couple of low-cost glasses to obtain a low aberration double prism. The doublet prisms were made of two lead-free glasses. The relative partial dispersion of the two lead-free glasses is identical and their Abbe numbers are different greatly. The proposed design aims to minimize chromatic aberration, such as in apochromats, for paraxial ray tracing. Finally, an optimization design for real ray tracing can be evaluated by the chromatic aberration curve with a minimal area.
When the optical image stabilization is implemented by moving one of the lens groups in a zoom system, decentration should be considered in the optical design process. Although it is partially possible to calibrate optical performances in an optical system with non-symmetrical elements by using a lot of commercial software, the results of calibrating longitudinal aberrations have some calibration errors because of the lack of precise consideration of decentered optical systems. In particular, the amount of distortion in paraxial ray tracing is different from the experimental value because paraxial ray tracing in the optical system is not useful. In this paper, in order to solve this problem being from various commercial lens design software, the set of equations of paraxial ray tracing in a zoom lens system with the non-symmetrical elements like decentration or tilt are theoretically induced. Then, the methods to calibrate the equations of longitudinal aberrations by using these equations in a non-symmetrical optical system are presented. The method of calibrating longitudinal aberrations can in practice be used to correct hand shaking effects in a zoom lens system.
We investigated surface-relief profiles of the TPHK(telecentric paraxial holographic kinofrm) used as a Fourier-transform lens employing exact geometrical raytracing. For the TPHK of F/8 and focal length of 15 mm, we consider the cases where the thickness of the substrate is 0 and 50 ${\mu}{\textrm}{m}$, dividing the surface-relif profiles into fifty steps from plano-convex to convexplano shapes and varying the angle of incidence($0^{\circ},{2.5}^{\circ},5^{\circ}$). In order to identify appropriate surface-relief profiles, we employ, as criteria of performance, rms spot size, rms deviation from $f{\sin}{\theta}$, peak position and FWHM(full width at half maximum), number of rays abandoned from raytracing etc., which are determined from the result of exact raytracing. It is found that the profile with 80% of its relief thickness facing the image plane gives the best performance regardless of the presence of substrate.
As a first step in the optical design process, we derive a recursive numerical calculation method that can give a solution to the Gaussian equation that the paraxial rays satisfy. Given the refractive power, the angle of incidence to the first principal plane of the lens, the angle of exit to the second principal plane of the lens, and the distance between the principal planes, the radii of curvature of the front and back surfaces of a lens can be obtained by applying the recursive numerical calculation method proposed in this paper according to the thickness of the lens. If a module consists of two or more lenses, the thickness and radius of curvature of each lens can be similarly determined after selecting the distance between the principal planes of the lens under the condition of the design specification while increasing the number of lenses one by one.
Taking into consideration the thermal lensing effects of laser rods, depolarization losses of laser beams induced by the thermal birefringence were calculated. The numerical model proposed for the calculation, which is based on the paraxial ray optics formulation and provides explicit expressions of optical path lengths for various optical elements, was described in detail. Calculated results were compared with those of Jones matrix formulation and experiments. The calculated results are in good agreement with experimental results.
Compact system cameras (CSCs) are commonly used nowadays and feature enhanced video functions and thin yet light interchangeable lenses. They differ from digital single-lens reflex (DSLR) cameras in their lack of mirror boxes. CSCs, however, have autofocus (AF) speeds lower than those of conventional DSLRs, requiring weight reduction of their AF groups. To ensure the marketability of large telephoto zoom lenses with fixed f/2.8 regardless of field angle variation, in particular, light weight AF groups are essential. In this paper, we introduce a paraxial optical design method and present a new, large, telephoto zoom lens with f/2.8 regardless of the field angle variation, plus a lightweight AF group consisting of only one lens. Using the basic paraxial optical design and optimization methods, we fabricated a new and lighter zoom lens system, including a single-lens, lightweight AF group with almost the same performance.
Jo, Jae-Heung;Lee, Do-Kyung;Lee, Sang-On;Ryu, Jae-Myung;Kang, Geon-Mo;Lee, Hae-Jin
Korean Journal of Optics and Photonics
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v.20
no.3
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pp.166-174
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2009
When the object distance of a zoom lens with finite object distances is varied, we can fix the image at a fixed image plane by moving only one zoom lens group (autofocus group) without moving all zoom lens groups for the autofocus. We theoretically formulated and numerically calculated the moving distances of the autofocus group by using Gaussian brackets and a paraxial ray tracing method. The solutions of this method can be consistently and flexibly used in the initial design for the moving distance of autofocus group within these zoom loci in all types of zoom lens. Finally, in order to verify the usefulness of this method, we show that the moving distance of an autofocus group can be rapidly and diversely obtained in one example of $M_{5n}$ zoom lens type.
We derived analytically the generalized curvature linear equation useful in the initial optical design of a two-mirror system with finite object distance, including an infinite object distance from paraxial ray tracing and Seidel third order aberration theory for coma coefficient. These aberration coefficients for finite object distance were described by the curvature, the inter-mirror distance, and the effective focal length. The analytical equations were solved by using a computer with a numerical analysis method. Two useful linear relationships, determined by the generalized curvature linear equations relating the curvatures of the two mirrors, for the cancellation of each aberration were shown in the numerical solutions satisfying the nearly zero condition ($<10^{-10}$) for each aberration coefficient. These equations can be utilized easily and efficiently at the step of initial optical design of a two-mirror system with finite object distance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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