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光學與設計的探索

追求深刻的人生 --- 路遠心清不誇揚

這是一個老人家的對光學與光學設計的探索與分享空間

他每天一點都不忙  (即使忙  也要讓自己不忙)

所以還有空到處晃  所以你還看得到他的日誌

 

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Navy Cheng
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garfield
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不會游泳的魚

August 30

不遺憾/不難過/要感恩

最近參加了一個聚會
一般人很難想像
我也很難想像
我是因為我的位階與我背後所代表的
所以被當在同位階的人
 
我不認為我是可以在那樣位階的人 
雖然我想我是也算是不容易的 打了好些戰 一直打下來
但比起打滾了幾十年的人
我是不及的
 
一個感想是 越客氣 其實反而是無妨的
因為實力最有用
------------------------------------------------------------------------------
 
但聽到一些話還是很動容的
 
看到職場上身經百戰 上下起伏不知幾回 的人 說的話
因自己這一陣子
總有些體認
 
話是:  滄桑  看到滄桑  或歷經滄桑 不要感到遺憾或難過
另外是 要感恩
 
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
以前確有不少時候
難以言語
 
現在不同了
 
 
 
August 17

W. J. Smith 過世了

Warren J. Smith 過世了
 
他寫過下列的書
1. Modern Lens Design (出到兩版)
    第一版與第二版差很多
2. Modern Optical Engineering (出到四版)
3. Practical Optical System Layout
 
我最深刻的
反而不是技術性的
書的內容 
或題例列得好不好等 
妙不妙等等
 
也不是他之前會常在OSLO的答客問 (email worldwide)
猛不然地跳出來回答問題
 
而是他把第二版的Modern Lens Design 題贈給
Rudolf Kingslake (1903-2003)
Professor, mentor, colleague, gentleman, and friend
 
----------------------------------------------------------------
Professor
Mentor
Colleague
Gentleman
Friend
是一個很令人省思的歷程 ---- 
對我而言 
現在則是 感慨居多
 
 
 

SPIE 2008 at San Diego

 
8/9   由台北出發啟程,抵LA,再轉赴San Diego.
 
8/10 二個 Oral talks 
       (Nonimaging optics and efficient illumination systems V; session 4: lightguides)
 
8/14 一個 Session Chair
       (Novel optical systems design and optimization XI, session 5: Liquid optics)
        一個 Oral talks
        (Novel optical systems design and optimization XI, session 7: Zoom lenses)
 
8/14 "Zoom lenses"session 結束,離開San Diego 到LA.
 
8/15 由LA出發返台
 
8/16 凌晨~5:45抵台
 
 
 
 
 
 
 
August 03

一定是忙昏了

週五因公務
去見一個人
聊到可能共同認識的人
再次驗證到世界之小   也對記事情的方法或脈絡有些感觸
 
事情是對共同認識的人是認識在是甚麼時間?
我說我想可能是兩年前
他更正了 是五年前
 
他是對的
 
我想為何他記得特清楚 而我不是
或許因為他的五年前是個關鍵 
所以日子也記得特別明確
 
對我們共同認識的人其實應也是關鍵吧
 
對我而言兩年前是個關鍵
是個分水嶺
 
其實真的分水嶺是去芬蘭的講學吧
時間過得好快
 
 
當然 
很多關鍵的都還是會忘的
因為負荷不了
 
要挑甚麼要記
要挑甚麼不要記
是個難題
也看甚麼被留在身邊
 
忙昏了是一個遺忘的方式
 
但沒甚麼用
一碰到人
交叉聊一聊總會勾起
  
July 06

Every year counts 的意涵

Every year counts一詞
這其實是一個廣告文案的一句
是Glenfiddich的
 
我喜歡 Glenfiddich 18的酒
18年始成一好酒   要很小心 才做得成
 
年輕的時候一直努力向前 現在才稍有體會
所以我喜歡那句 -- Every year counts ---
也喜歡它在工作上的意涵
特別是對自己所從事的光學設計 有種更穩的感受
 
對於其它人的工作
例如宋應星的"天工開物"   
 (多麼痛苦的年代 多麼不一樣的選擇 多麼要花時間的工作 多麼重要的工作)
也想得更深
 
 
這個文案有影像語音版
有不同版本
下面或許是最完整文字版
 
但最後的Every year counts譯文 我是比較不太能接受的
 
我的體會是
Every year counts   積力久入 風華自現 
 
(積力久入: 引自"真積力久則入")
 
 

A day is a step; a year is a tango.

(一天只算是個起步;一年舞出一曲探戈)

A day is a tourist; a year is a traveller.

(一天只能走馬看花;一年方能稱之旅人。)

A day is a chance encounter; a year says love.

(一天只是心動邂逅;一年終成不渝愛情。)

A day is frustration; a year is a melody.

(一日單音不成樂章;一年方能譜成旋律。)

A day is a lump of clay; a year is whatever you want it to be.

(一天黏土只是黏土;一年終能隨心所欲。)

A day is a thought; a year is a philosophy.

(一日僅是靈光乍現;一年方成一脈哲理。)

A day says crazy; a year says genius.

(一日看似特立獨行;一年方能焠鍊天才。)

A day is a dream; a year is adventure.

(一天乍是突發奇想;一年則是冒險實踐)

Every year counts.  (每一年,自有無限可能。)  

June 18

Sinclair 的書

 
Sinclair 的書與Dave Shafer 作品有關嗎?
 
沒關ㄟ
 
如果他們兩人有關的話 那或許是 
Douglas C. Sinclar 當過 Univ. of Rochester 光學所的教授
Dave Shafer 畢業於Univ. of Rochester 光學所
他們有overlap 嗎?
(下回見到他們應該問一下)
 
沒關
那幹嘛在這裡提?
原因是 Dave Shafer 的 ---- "書" 
我想到Prof. Douglas C. Sinclar的書
 
Prof. Douglas C. Sinclar 是OSLO 軟體的發明者
他確實寫過一本書
Image-forming optics
(June 1975 at Institute of Optics, Univ. of Rochester; 1985 Contempory optical engineering)
 
但我沒有從這本書有得到甚麼
我反而是從OSLO 的手冊 Optics References 受益良多
(我有他的親筆簽名   "Good luck with OSLO!")
我常在想為何我可以從這本Optics References 學到很多?
 
可能有一點不同的是
那時在學習中 (一天三個小時到十個小時)
我常在想 
為何 Prof. Sinclair 要這麼說 要這麼寫 
軟體界面為何是如此設定
 
OSLO 軟體反應出 
Prof. Sinclair 極其深刻與嚴緊的一面
與對光學設計的省思
 
如果說Dave Shafer 的作品是在其設計  其獨一無二的光學設計
那Doug Sinclar 是在OSLO軟體
 
看Dave Shafer 的作品很難
比看Lakin 的書 或Smith 的書難多了
(我讀Lakin 的書三遍 .....  Dave Shafer 的作品更難)
 
看OSLO Optics References 容易嗎?
我從沒把它當作manual來讀!!
 
看OSLO容易嗎?    留待讀者自評........
 
June 17

Dave Shafer 的書

這個一定是要記一筆的
 
看了一篇Dave Shafer 論文 (發表在Optical Engineering, 1988)
翻到最後
作者欄
" .....
Mr. Shafer ....., and is writing a book on optical design. ...."
 
???? 甚麼 -----  太驚人了!!!
 
Dave Shafer 當然是沒出過書的
但他倒是給過一個書評
 
Review ---
"... valuable and delightful ... set forth in a
clear, elegant, logical style that
leads us from first principles to many profound conclusions
... abounds in useful results and fundamental theorems...
should be of most interest to lens designers
and graduate students in a course in geometrical optics."
David Shafer, Optics & Photonics News
 
那本書就是   The Ray and Wave Theory of Lenses
 
June 15

寫論文--- 寫自己的論文

出道到今天有二十多年 (嚴格而言 22年)
(碩士論文 1986 是我的出道年 .....) 
論文 (referenced journal) 也不少
 
學生時代與指導教授一起掛名
博士後與老闆一起掛名
當老師時與學生或合作者掛名
看看還沒真的自己一個人來過ㄟ
 
今年(2008) 其實很多事是不一樣
我自己切出去做一個領域   也要求自己寫書 書稿也有了
題材也有自信可以獨領風騷  
忍耐的也快要雲淡風清了      欠最多的也快要沒欠了
一切都快要有個眉目了
 
一切要謝謝上天  在這麼紛亂的時空 總有人會出現把我拉住
提醒著自己
永遠有另一個窗戶 另一道門  另一道光 
 
人生的苦楚 在歲月的流轉下 在極其嚴厲的自我惕勵下其實都是精進的動力
誤解 又是如何
淬礪才得以堅如金石
 
 
8/14/2008 在SPIE  我會給個 Oral talk (single author) 在San Diego, CA, US
一個美麗的城市
另一個人生 與 一個承諾的完成
 
Title: 
Soft-Functional zoom lens design of mobilephone camera

 

Abstract:

We extend the zoom lens design of mobile-phone camera to be high-performance functional

such that the depth of field and depth of focus can be extended and the demand of higher

resolution, in all configurations, can be achieved based on post-processing of singular value

decomposition on the intensity distribution over sensor and retrieved wavefronts.

 

Extended Abstract: 

Zoom lens design has been a long-standing issue and still is a challenge in the field of optical designs.   The design always requires optimized performance over all configurations during zooming.   Unlike common zoom lenses, the system requirements on mobile-phone camera are, even more, extremely limited, particularly by small total track length.  This makes the zoom ratio for mobilephone camera be rather small, particularly when the zooming is along the normal axis of the display screen of mobile phone, where the thickness is now down to 10 mm or even less.   Improved performance is nevertheless, highly demanded.  With embedded system implementation, software post-processing can, however, remove several limitations that set by the small total track length on mobile phone. 

We show one approach that based on nonlinear dynamics and singular value decomposition (SVD) to deal with zoom lens designs that with small total track length.  It is shown that high-performance functional, such as extended depth of field, depth of focus, and demanded resolution, can be achieved based on this SVD analysis of intensity distributions over sensor and the retrieved wavefornts.

 
 
 
May 24

今年的校園演講

航向未知的領域所靠的 與其說是盤算不如說是信念與情深意重
 
 
今年接受了兩個校園演講
一個在清大光電所 
講題是 What makes optical design so unique?
另一次在交大光電所  
講題是 Can we find anything unique in geometrical optics? ---  how far can we go beyond what we once remembered?
回到校園
總是有些奇特
講東西 回答問題
卻忘了結尾要說的一些話 想要給校園裡的學生
一是 應該是自己四十多年所賴以憑藉而活下來的
--- 你的想像有多高 你的世界就有多大
另外一句話是得自我的同學 
這一年多來一直體會領略在心的
--- 忍耐與等待
 
在經過這麼些日子的動蕩與心情轉折
感受深的
卻不能言之於外
 
謝謝這些天一直陪著我的人
讓我真的領會到
航向未知的領域所靠的 與其說是盤算不如說是信念與情深意重
航向未知的領域所靠的 與其說是盤算不如說是信念與情深義重
 
 
 
April 12

Glenfiddich 18 Year Old

Glenfiddich 18 yo Whisky 確實好喝
嗅感 (nose)    口感 (taste)  與終感 (finish)
確實很合我的口味
 
 
網路上對其"終感"的評語 ---  
溫和, 回味, 不凡 (Warming. Rewarding. Distinguished.)
 
我喝過
Macallan 18
Johnny Walker (blue label) 
可能是年紀與心情不對吧
就沒有Glenfiddich 18感覺好
 
 
好東西背後一定是有故事的
尤其是這是一家百年以上的公司出的東西
......
 
 
Glenfiddich來自"Glen Fidach"
在蓋爾語中它的意思叫"Fid's glen"或"valley of the deer"
就是"鹿之溪谷"的意思,
酒瓶上那隻鹿,正標識其出處.
 
酒瓶上寫著
Single Malt
Scotch Whisky
distilled and matured in
the valley of the deer
where the distillery has stood
since 1887
---------- 
 
一瓶酒   18 years old
很神奇  
也很感人

 
March 18

沒想到這麼忙

沒想到這麼忙
幾乎一個月出遠門一次
韓國 首爾(漢城)
美國 Santa Clara
上海與青島
竟一下子三月了
 
 
看到一句 ”書藝墨戲皆動人”
想到之前
曾有同事提醒我
下台的身段最要緊
 
想想
現在或許是在
”戲”的人生曲目中
 
 
光學系統設計
算是一個交代
 
寫稿
要真的持之以恆的完成
否則
真的會對不起人的
 
 
 
 
 
January 20

Tronnier 的 Triplet lens

 

專利號碼

US 1,987,878

申請日期

Dec. 12, 1933

核可日期

Jan. 15, 1935

專利標題

Photographic objective

實現例

1 of 1

發明者

Albrecht Wilhelm Tronnier

專利所有人

 

 

這是一個很久以前的專利。距今2008已有70多年。鏡頭是三片式的所謂Triplet

這個1935年的專利其寫法是很經典的很值得學習。

文章很短,本文只有2頁多1個實現例。

 

在這裡討論這個專利的原因除了因為Triplet是個很重要的鏡頭外

還有是因為它在19921997都有人引用。(US patent #: 511917; US patent #: 5596455)

這是很難想像的一件事!!

 

典型的Triplet 其目的有三:

1.      Petzval sum能否為0

2.      希望 Longitudinal chromatic aberration 0

3.      還有最好讓 Lateral color 0

Triplet air-spaced 方式展現的話叫做 Cooke triplet

它是1894年由 Harold Dennis Taylor 做出來的 (Cooke 是其公司名)

但是 Cooke Triplet 還有一項重要特質那就是第一與第三片是同一種材質。

Laikin Lens Design 一書 (3rd. ed., Marcel Dekker, New York, 2001)

air-spaced Triplet 有給一個 initial design 公式。

 

Tronnier Triplet 與傳統的 Cooke Triplet 有何不同?

它其實是個三片都不同材質的 Triplet 設計。

它只有一個宣告 (claim)但其宣告是以公式涵蓋相當有力。

者可以猜想得到要能夠一網打盡的話

Tronnier必須是給出在三片不同材質的這個狀況下要怎樣才達到典型Triplet的那三個目的!

他做到了!Tronnier給出一個範圍公式來要求其專利涵蓋很廣

這種專利突破的作法是很行的。

 

我根據專利上給的數據重現 Tronnier 的結果。

我使用CODEV (version 9.8)做模擬。

如文中所給的參數在f/4.5 effective focal length~ 100 mm( CODEV 99.9191)

  Tronnier_Fig_1

 

如下所示它的光學效能跟專利上所陳述是接近的

 

Tronnier_Fig_2

 

做為一個成像鏡頭它的效果在當年的底片與人眼視覺條件下是都還好的。

下圖左是原始測試圖案(USAF1951_8mp.bmp)圖右是經過Tronnier triplet並轉正的成像。

  Tronnier_Fig_3

為了方便比較我在OLSO(Premium 6.3.4) 也重建 Tronnier Triplet lens 鏡頭數據如下

  Tronnier_Fig_4

其結果如下

  Tronnier_Fig_5

如所預期專利上Tronnier Triplet的實現例是可以用軟體再優化的。

 

比較想提醒的是在1930年代 Tronnier當然是近乎全用手算的

這種近乎全用手算的Triplet 例子是經典的

讀者可以參照 Kingslake Lens Design Fundamentals 一書 (Academic Press, New York, 1978)

January 07

把圓班雷射光變成線狀的Powell鏡頭

 
 

專利號碼

US 4,826,299

申請日期

1987130

核可日期

198952

專利標題

Linear Deiverging Lens

實現例

#8 of 10

發明者

Ian Powell

專利所有人

Canadian patents and development limited, Ottawa, Canada

 

國內大部份人對鏡頭(lens head)的印象可能都是在成像光學(imaging optics)上的應用,

例如手機相機鏡頭、數位相機鏡頭、乃至V8等變焦功能的鏡頭等等。

但其實鏡頭應用很廣,非成像光學(non-imaging optics)的鏡頭應用是不容忽視。

在這個專欄裡,我們也將對非成像光學鏡頭的相關專利作回顧,

希望藉此拋磚引玉,促進國內光學等相關產業的發展。

另一方面在每次的回顧裡我將運用軟體摹擬或說明、或驗証該專利的設計理念與可行性。

 

在很多光源中雷射(laser)的運用是頗為廣泛。

例如高功率雷射的切割、低功率雷射的指示器等等。

這些應用對在國內不少的產業的產品具有極高延伸性或啟發。

本月的專利回顧看的是Ian Powell的均勻線光形產生鏡頭。

雖然它是1989年的專利,但是後續有關這方面的專利,

例如2004年的美國專利(號碼US patent number 6688758Feb. 10, 2004),仍多有不及之處。

比較有趣的是Michael Goelles, Ralf Wolleschensky, Dieter Graefe, and Matthias Wald等人的一個專利

(US 7270431,  Sept. 18, 2007) 引入反射式的做法但其精神其實不出Powell lens的架構!!

 

雷射輸出的光形一般是圓斑狀,

其強度分佈則是中心強,往週邊卻變弱的高斯分佈(Gaussian distribution)

在很多運用上我們需要的是線形光形,而其強度分佈是要比較均勻、乃至於非傳統的高斯分佈。

 

在一般光學鏡頭的使用上,碰到要把光形由一般的圓形變成線形時,用柱面鏡(cylindrical lens)即可。

這是因為把柱面用二個主軸分開來看,一個是有曲率變化,所以光束在這個方向會有放大或縮小的作用。

而在另一個主軸方向,光束看到的是一個平的、沒有曲率變化的面,所以光束維持原狀。

 

換言之,原本圓形的光束一邊會被擠壓或拉開,而另一邊不動,所以整個光形變成橢圓乃至線形。

但是強度分佈其實還是高斯分佈。

如何有效地用光學方法改變這個分佈又不致於涉及太複雜的製程,是個重要的課題。

 

 

I. Powell提出利用錐形面(conic surface)來達成這個目標,他的解法是一個漂亮又有用的解法。

(事實上Powell的工作是篇篇可讀)

在其專利上整個鏡頭的設計雖然是用氦氖雷射的波長,

而其材質用的是常見的BK7玻璃來作示範,

但是對一般低功率應用,材質可以改成壓克力。

532nm或者1024nm波長的高功率雷射可以用fused silica

而另一個常見的二氧化碳(CO2) 雷射也有相對應的低吸收耐高溫的遠紅外材質可供換用。

 

                                                                          Fig_1_Powell_lens

 

圖1是典型的Powell鏡頭;左側3維斜視圖,右側是剖面圖,光束線亦顯示於其中。

在這個例子裡聚焦發生在鏡片內。

 

圖1是典型的Powell鏡頭。它第一個面是個錐形面,第二面是個平面。當然單憑錐形面是不足以把圓形光束變成線形。事實上它是個錐形柱面鏡。Powell的設計用的小曲率半徑(radius of curvature)大錐形係數(conic constant)。之所以這樣的一個想法可以成立,並可以把高斯分佈變成比較平滑的原因在於引用小曲率半徑大錐形係數會使得鏡面的頂角比較尖。這個尖頂對準的是中心高強度高斯分佈入射的雷射光束之後,它會把光束往兩側分開。換言之,錐形面把高斯分佈的單峰削平,它通常會變成兩側較高的雙峰分佈或所謂的蝙蝠翼(Batwing)分佈。可想而知,如果把錐形面複雜化,那麼均勻性會更好。的確這正是1996Amanda Bewsher在美國專利上的公開一個作法(US patent number 5523889, June 4, 1996)然而正如Powell所不想要的,這個Bewsher鏡頭加工相形之下是太複雜了些。當然這種用尖頂去打散中心處的高強度是無法把光束準直(collimating)換言之,Powell的作法把原本雷射的準直性喪失掉了。光束在通過鏡片之後會有發散角。此外在Powell的專利裡並沒有交待鏡片厚度,這個參數對結果是有影響。

 

 

Powell的專利裡圖16是一個小總結。Powell列出10種規格其發散角度從15度到80所用的曲率半徑介在0.120.8(單位mm),錐形係數得視曲率半徑而定,

Powell用的都是負的錐形係數(