Geometrical Optics

Geometrical Optics, Optical Design and Illumination Engineering Program

幾何光学と光学系レイアウト

Geometrical Optics and Optical System Layout

Yuzuru Takashima | Tuesday, Aug. 1, 2017 | 9:00 a.m. – 6:00 p.m.

  • Lecture in Japanese
  • Notes provided in Japanese
  • Supplemental text in Japanese
  • Question and answer periods in Japanese

This course provides the background and principles necessary to understand how optical imaging systems function to allow you to produce a system layout which will satisfy the performance requirements of your application. The methods and techniques of arriving at the first-order layout of an optical system by a process which determines the required components and their locations is presented. A special emphasis is placed on understanding the practical aspects of the design of optical systems. Optical system imagery can readily be calculated using the Gaussian cardinal points or by paraxial ray tracing. These principles are extended to the layout and analysis of multi-component systems. This course includes topics such as imaging with thin lenses and systems of thin lenses, stops and pupils, and afocal systems. The course starts by providing the necessary background and theory of first-order optical design followed by numerous examples of optical systems illustrating the design process.

Participants will receive the course viewgraphs in English and a copy of Japanese language version of the book “Field Guide to Geometrical Optics” by Prof. Greivenkamp.

Learning Outcomes:

This course will prepare you to:

  • Specify the requirements of an optical system for your application including magnification, object-to-image distance, and focal length
  • Diagram ray paths and do simple ray tracing
  • Describe the performance limits imposed on optical systems by diffraction and the human eye
  • Predict the imaging characteristics of multi-component systems
  • Determine the required element diameters
  • Apply the layout principles to a variety of optical instruments including telescopes, microscopes, magnifiers, field and relay lenses, zoom lenses, and afocal systems
  • Understand the process of the design and layout of an optical system

Intended Audience: This course is intended for engineers, scientists, managers, technicians and students who need to use or design optical systems and want to understand the principles of image formation by optical systems.  No previous knowledge of optics is assumed in the material development, and only basic math is used (algebra, geometry and trigonometry).  By the end of the course, these techniques will allow the design and analysis of relatively sophisticated optical systems.

Course Level: Introductory

照明工学入門

Yuzuru Takashima | 201７年８月１日　(火曜日)   午前９:０0 – 午後６:０0

  • 講義は日本語です。
  • 英文及び日本語での講義資料をご提供致します。
  • 質疑応答は日本語で行います。

この講座では、結像光学システムがどのように機能するかを理解する上で必要となる原理及び背景について学習します。光学的結像システムは、ガウスの主要点によってまたは近軸光線追跡によって容易に計算することができます。これらの原理は、複数のコンポーネントシステムのレイアウト設計や解析にも拡張できます。この講座では薄肉レンズを用いた結像系と薄肉レンズシステム、絞りと瞳、アフォーカルシステム、及び放射伝達に関するトピックを学習します。光学システムの例を数多く取り上げてご説明します。必要とされるコンポーネントやそれらのレイアウトを決定するプロセスによって、光学システムのファーストオーダーのレイアウトに到達し、またそれを理解するための 簡単な手法を学習します。このプロセスによって、所期のサイズの像を所期の位置に形成することができます。光学システム設計の実用面に特に重点を置きます。.

受講者には英語の講座資料と、日本語版テキスト「フィールドガイド幾何光学」（グリービンキャンプ著）をご提供致します。

学習の成果:

本講座では次の成果を目標とします：

  • – 倍率、物体-像間距離、焦点距離等を含む機器の要求仕様を決定する
  • 光路を図示し、簡単な光線追跡を実施する。
  • 回折現象、肉眼やスループット限界によって光学システムに課された性能上の限界を記述する。
    複数コンポーネントシステムの結像特性を予測する。
  • 各エレメントの必要径を決定する
  • レイアウトの原理を望遠鏡、顕微鏡、拡大鏡、フィールドレンズ、リレーレンズ、ズームレンズ、アフォーカル系等さまざまな光学装置に応用する。
  • 光学システムの設計及びレイアウトのプロセスを理解する。

対象とする受講者：この講座は光学システムを使用する必要のある方、または設計する必要のある方で、光学システムによる画像形成の原理を理解しようとされる方でしたら、どなたでも受講頂けます。光学に関する知識は不要で、簡単な数式（代数、幾何、三角法）のみを用います。コース終了時には、これらの技法を用いた、比較的洗練された光学システムの設計と解析が可能になります。

講座のレベル: 入門

Introduction to AR/VR Optics

Hong Hua | Thursday, Aug. 3, 2017 | 9:00 am – 6:00 pm

  • Lecture in English
  • Notes provided in English
  • Question and answer periods in English/Japanese

This short course provides participants with fundamental knowledge and understanding of optical systems for augmented and virtual reality (AR/VR) applications. More specifically, the course will start with reviews on human visual system, photometry, colorimetry and display technologies. The lecture will then provide a review on the historical development of AR/VR displays, present comprehensive review on the various optical design methods for AR/VR displays, and demonstrate examples of AR/VR optical system designs. The course will also present performance metrics for AR/VR displays, optical design considerations, and key human factors. Finally, the course will present reviews on the recent development of new AR/VR displays such as head-mounted light field displays and discuss potential impacts of such technologies.

Learning Outcomes:

This course will enable participants to:

  • Acquire the fundamental knowledge related to AR/VR optical systems, including human visual system, photometry, color systems, and display technologies.
  • Become familiar with the various optical design methods for AR/VR displays.
  • Understand the key design considerations, human factors, and performance metrics in the course of designing and evaluating AR/VR displays.
  • Become familiar with the research frontier of AR/VR displays.

Intended Audience: This course is intended for scientists, engineers and managers who need to understand the fundamentals of AR/VR optical systems as well as their design principles, and apply these principles in future AR/VR technology development. This course should be particularly useful for those who need to understand the role of optical design in the development of advanced AR/VR systems and applications, to understand the relationship between AR/VR display performance metrics and human factors, to be familiar with the key challenges in developing AR/VR optical systems.  This course is self-contained and structured to provide straightforward guidance to audience looking to capture fundamentals and gain both theoretical and practical knowledge that can be readily applied in research and practical applications. No precondition is required for this course; the background knowledge that may be beneficial for this course is geometrical optics and optical design principles.

Course Level: Introductory/Intermediate

ＡＲおよびＶＲ光学系の基礎

Hong Hua | 2017年8月3日　(木曜日)   午前９:０0 – 午後６:０0

  • 講義は英語で行います。
  • 英語の講義資料をご提供致します。
  • 質疑応答は日本語、英語で行います。

このコースでは、拡張現実、仮想現実（AR / VR）アプリケーションのための光学システムの基本的な知識と理解を得ることができます。具体的には、人間の視覚システム、測光、測色技術、ディスプレイ技術のレビューから始める。 AR / VRディスプレイの歴史的展開、AR / VRディスプレイのさまざまな光学設計方法に関する包括的なレビュー、AR / VR光学システム設計の例を紹介する講義を行います。このコースでは、AR / VRディスプレイのパフォーマンスメトリック、光学設計における考慮事項、主要なヒューマンファクタについても説明します。最後に、ヘッドマウントライトフィールドディスプレイなどの新しいAR / VRディスプレイの最近の開発についてのレビューを行い、そのような技術の潜在的な影響について議論します。

学習の成果:

  • 人間の視覚システム、測光、カラーシステム、ディスプレイ技術を含む、AR / VR光学システムに関連する基本的な知識を取得する。
  • AR / VRディスプレイのさまざまな光学設計方法を学ぶ。
  • AR / VRディスプレイの設計および評価の過程で、主要な設計上の考慮事項、人的要因、およびパフォーマンスメトリックを理解する。
  • AR / VRディスプレイの研究フロンティアを理解する。

対象とする受講者：このコースは、AR / VR光学システムの基礎とその設計原則を理解し、将来のAR / VR技術開発にこれらの原則を適用する必要のある科学者、エンジニア、および管理者を対象としています。このコースは、高度なAR / VRシステムおよびアプリケーションの開発における光学設計の役割を理解すること、AR / VRディスプレイの性能指標と人的要因との関係を理解すること、ＡR / VR光学系の開発における課題の理解を目的とします。このコースは自己完結型で、基礎知識を習得し、研究や実践的なアプリケーションに容易に適用できる理論的知識と実践的知識を得ることを目指して、受講者に直接指導するように構成されています。このコースには前提条件は特に必要ありません。しかしながら、幾何学的光学および光学設計の知識があればさらに理解を深めることができます。

講座のレベル: 入門・中級

Introduction to Optical System Design: A first step with CodeV

Yuzuru Takashima | Aug. 2, 2017 | 9:00 am – 6:00 pm

  • Lecture in Japanese
  • Notes provided in English
  • Question and answer periods in Japanese

This course provides participants with practical knowledge on optical system design by bridging the knowledge on aberrations (as presented in the “Introduction to Aberration Theory”) and applications in optical system design. Optical aberrations are depend on the parameters of a lens element, such as its radii, index of refraction, and thickness as well as on the arrangement of the each element. By applying the fundamental relationships between lens parameters and aberrations, optical system engineers are able to design lens system and understand their operation. These analytical results are usually further improved by the automatic optimization processes used by lens design software. Knowledge of aberrations and their causes is very useful to assist optical engineers in selecting the most appropriate catalog lenses to build high performance AND low cost optical system within a short period of time. In the short course, we present with optical design procedure in general, and discuss the relationships between aberrations and lens parameters. Students use a ray-trace software, CodeV to practice examples. NO prior experience on CodeV is required.

Learning Outcomes:

This course will prepare you to:

  • Understand the procedure of optical system design
  • Understand how the third-order aberrations: Spherical Aberration, Coma, Astigmatism, Field Curvature and Distortion are related to lens and system parameters
  • Understand how to correct each aberration
  • Understand how to use CodeV based on analytical starting lens design

Intended Audience: This course is intended for scientists, engineers and managers who need to understand the basics of lens design and apply these principles to correct aberrations. It is particularly useful for those who need to build high performance optical system by using catalog lenses. The related short courses, “Geometrical Optics and Optical System Layout ” and “Aberrations and Image Quality” are recommended prerequisites for those who would like additional preparation for this course.

Course Level: Introducton

光学設計入門：CodeVではじめの一歩

Yuzuru Takashima | 2017年8月2日　(水曜日)   午前９:０0 – 午後６:０0

  • 講義は日本語で行います。
  • 英語の講義資料をご提供致します。

この講座は、光学収差の知識（「幾何光学と光学系レイアウト」および「収差論と像評価」、の講座内容）を、レンズ設計の数々の具体的な手法に結びつけることによって、受講者の皆様が光学システム設計に必要とされる最初の知識を得ることを目的とします。レンズの形状や、個々のレンズエレメントの配置は、収差量と密接に関連しています。この関連を具体的に理解することにより、光学系の最適設計解を見通し良く求めることが可能になります。それらの設計解をもとに、光学設計ソフトウエアにより自動設計を行うことにより、さらなる最適化が効率良く可能となります。

これらの知識は、レンズ設計だけでなく、日常業務として光学系を構築する必要のある技術者、研究者の方々にもとても有用です。なぜなら、この知識を利用して、カタログレンズから最適な光学素子を選択し、それらを最適配置することにより、高性能かつ低価格な光学系を短期間に構築することが可能となるからです。本講座では、まず、光学システム設計の一般的な手順を解説します。その後、3次の光学収差とレンズのパラメータとの関係を解説します。加えて受講者のみなさまに実際にレンズ設計ソフトCodeVを使って実地にレンズ設計を体験していただきます。

学習の成果：

本講座では次の成果を目標とします：

  • 光学設計の手順を理解する。
  • ３次収差:球面収差、コマ、非点収差、像面湾曲および歪曲収差とレンズパラメータの関係を理解する。
  • 各３次収差を補正する方法について理解する。
  • カタログレンズを用いて高性能な光学系を設計する手法を理解する。
  • CodeVを使って自動設計のみに頼らないレンズ設計を行う。

対象とする受講者: レンズ設計手法の基礎、および、それらの原理を収差の補正に応用する方法の理解を必要とされるエンジニア、研究者、管理者の方々、また、特に、カタログレンズを用いて高性能な光学システムを構築する必要のあるエンジニア、研究者の方々。本講座に加えて、「光学系レイアウト」および「光学収差と像評価」を同時に受講されるとさらに理解が深まり効果的ですのでお勧めします。

講座のレベル: 入門

Advanced lens design: Art and Science

Jose Sasian | Thursday, Aug. 3, 2017 | 9:00 am – 6:00 pm

  • Lecture in English
  • Notes provided in English
  • Question and answer periods in Japanese

This course provides useful insights and tools into the art and science of lens design. After reviewing progress in aberration theories, several topics of current interest will be discussed and illustrated with computer demonstrations. The emphasis of the course is in providing useful techniques for designing state-of-the-are lens systems.

Learning Outcomes:

This course will prepare you to:

  • To understand the role of higher order aberrations including intrinsic and extrinsic aberrations
  • To understand pupil aberrations and the effects they produce
  • To learn advanced techniques in color correction
  • To understand how to approach the design of non-symmetrical systems
  • To learn the basics of mirror system design
  • To understand and use of aspheric and free form surfaces
  • To gain insight in effective lens tolerancing
  • To better appreciate the art of lens design

Intended Audience: This course is intended for engineers, scientists, and students who are interested in optical design.

Course Level: Introductory-intermediate

光学設計特論：そのアートとサイエンス

Jose Sasian | 201７年８月３日　(木曜日)   午前９:０0 – 午後６:０0

  • 英語による講義
  • 英語の講義資料
  • 数回の質問休憩ではSasian教授への質疑が英語、日本語で可能です。

本コースは“アート＆サイエンス”の学問としてのレンズ設計に役立つ設計手法と設計のための種々の洞察を学んでいただきます。最初に収差論の復習を行い、続いてレンズ設計における最新のトピックスを光線追跡プログラムを用いて解説します。本コースにより、最新のレンズ設計における種々の設計手法を学んでいただけます。

学習の成果:

本講座では次の成果を目標とします：

  • レンズ面自体に起因する、また、他のレンズ面に寄与による高次収差の影響を理解する
  • 瞳面収差とその影響について理解する。
  • 最新の色収差補正の方法について理解する。
  • 非対称光学系の基本設計について理解する。
  • 反射光学系の設計の基礎を理解する。
  • 非球面、および、自由曲面の効果的な利用方法について理解する。
  • レンズ設計における実用的な公差解析について理解する。
  • レンズ設計のアートとしての側面について理解する。

対象とする受講者: 光学設計理解する必要がある、エンジニア、研究者の方々。

講座のレベル: 入門-中級