background image

 
 

CALCULATION OF THE ABERRATION SPOT  

- IMPROVED NUMERICAL ALGORITHM 

 
 
 
 
 

Marek LEWKOWICZ

Jerzy NOWAK, 

Marek ZAJĄC 

 
 
 

Institute of Physics, Technical University of Wrocław 

Wyspianskiego 27, PL 50-370 Wrocław, Poland 

∗Mathematical Institute, Wrocław University 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

key terms:       aberrations, 
            point spread function, 
            numerical methods  
 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 2 

 

ABSTRACT 

 

  In the paper a numerical algorithm for calculation of the point spread function from 
the  complex  light  amplitude  known  on  the  output  pupil  of  the  imaging  system  is 
described.  First  step  of  this  algorithm  includes  a  global  polynomial  approximation  of 
the input data given in a number of points distributed arbitrarily over the entire output 
pupil. In the next step the numerical calculation of the diffraction integral is performed. 
After  transition  to  the  polar  co-ordinates  and  dividing  the  region  of  integration  into a 
number  of  infinitesimal  subregions  of  square  shape  the  exponent  in  the  integrand  is 
approximated locally by a polynomial and then the whole integrand is approximated by 
a  polynomial  multiplied  by  the  exponential  function  with  linear  exponent.  Finally the 
respective integration is performed analytically. 
  The analysis of the accuracy obtained as well as the results of exemplary calculations 
prove that the described algorithm is very useful in the analysis of image quality of such 
imaging elements as hybrid (diffractive-refractive) lenses. 
 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 3 

 

1. PROBLEM 

 
  One  of  the  most  important  problems  occuring  in  optical  design  is  related  to  the 
evaluation of imaging quality. Standard methods include typically calculation of Seidel 
aberration  coefficients  of  the  third  or  higher  orders,  wave  aberration,  aberration  spot 
and  optical  transfer  function.  The  mentioned  characteristics  are  usually  estimated 
numerically. Standard numerical programmes, including commercially available, most 
frequently employ typical ray-tracing procedures to this aim. For instance the aberration 
spot  shape  and  dimensions  are  concluded  from  the  spot-diagram.  However  the 
geometrical methods have only limited value, especially when the investigated optical 
element  has  small  aberrations  [1].  Geometrical  method  of  aberration  spot  estimation 
does  not  include  the  influence  of  diffraction,  which  becomes  to  prevaile  in  well-
corrected  optical  systems.  Therefore  it  seems  that  the  method  of  aberration  spot 
calculation based on the diffraction integral  might be very useful.  
  Assuming that the complex light amplitude 

( )

η

ξ,

U

 (light wavefront) is known in the 

output  pupil  of  the  optical  system  of  interest  (see  Fig.  1),  the  light  amplitude  in  the 
detection  plane 

( )

y

,

x

U

  distant  by  the  value  z  can  be  calculated  from  the  diffraction 

integral that can be written in the form 
 

 

( )

( ) { }

Σ

Λ

η

ξ

=

∫∫

Σ

d

R

ikR

exp

,

U

C

y

,

x

U

                              (1) 

 
where  C  is  complex  constant,  R  is  a  distance  from  point 

( )

η

ξ,

  to 

( )

y

,

x

Λ

  is  a 

directional coefficient and 

Σ

 is the output pupil area. In many applications, including 

the analysis of imaging quality of the diffractive optical elements the aperture angle as 
well as the field angle are relatively small. Therefore the diffraction integral (1) can be 
simplified to the form 
 
 

( )

( ) { }

Σ

η

ξ

=

∫∫

Σ

d

ikR

exp

,

U

©

C

y

,

x

U

                               (2) 

 
  If we assume that the spherical wave emerging from the object point is transformed 
by the imaging optical system into the image wave, then the complex light amplitude in 
the  output  pupil  of  this  system  is 

( )

{ }

Φ

=

η

ξ

i

exp

A

,

U

.  Its  transformation 

( )

y

,

x

U

 

described by the integral (2) describes the complex point spread function. Its square is 
the intensity point spread function 

( )

y

,

x

H

 

 

 

( )

( ) { }

2

d

ikR

exp

,

U

y

,

x

H

Σ

η

ξ

∫∫

Σ

                                (3) 

 
The point spread function is typically calculated in the image  plane, to which a wave 

( )

{ }

Φ

=

η

ξ

i

exp

A

,

U

  emerging  from  the  oputput  pupil  converges.  Therefore,  using  the 

concept of Gauss reference sphere R0 and wave aberration W, the expression (3) can be 

written in the form 
 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 4 

 

( )

{ } { }

(

)

{

}

2

0

2

d

W

R

R

ik

exp

A

d

ikR

exp

i

exp

A

y

,

x

H

Σ

+

=

Σ

Φ

∫∫

∫∫

Σ

Σ

        (4) 

 
where the amplitude A in the output pupil is commonly assumed to be equal  to 1. 
  In their former papers [2, 3] the authors of this paper had used a simple algorithm for 
numerical  evaluation  of  this  integral  based  on  the  Gauss  integration  method.  Such 
approach seemed to give satisfactory results in the evaluation of the imaging quality of 
holographic  lenses  [4  -  7].  However  while  analysing  more  complex  optical  imaging 
elements,  such  as  hybrid  (diffractive-refractive)  lenses,  this  method  appeared  to  give 
unreliable  results.  The  reason  was  that  the  integrand  in  the  equation  (4)  is  a  rapidly 
oscillating function.  
  More  accurate  algorithms  for  numerical  calculation  of  the  diffraction  integral  are 
known  in  the  literature.  Several  methods  for  computing  the  diffraction  integrals  are 
presented in [8] One of them is approximating the kernel of the integral in such a way 
thet the integral takes on the form of the Fourier transform (Fraunhofer approximation, 
see  [9]);  then  algorithms  for  Fast  Fourier  Transformation  (FFT)  can  be  applied  (see 
[10]).  Another  group  of  methods  relies  on  approximating  the  integrand  so  that  the 
integral could be evaluated analytically or with mixed analytic and numerical methods. 
In  case  of  linear  approximation  to  the  exponent  the  integral  can  be  expressed 
analytically through elementary functions. Higher accuracy can be obtained by second 
order  (parabolic)  approximation  to  the  exponent.  A  method  developed  in  [8]  is  a  fast 
algorithm for computing one-dimensional diffraction integrals with parabolic exponent. 
The values obtained with this method are used as input data for another integration in 
the second direction. That integration is performed with the help of the standard Gauss-
Legendre method.  
  Our  approach  differs  from  the  above  as  we  use  higher  order  approximation  to  the 
exponent  in  both  variables;  we  then  replace  trigonometric  functions  applied  to  non-
linear  components  of  the  approximation  by  their  Taylor  expansions.  The  resulting 
functions  are  products  of  polynomials  by  sine  or  cosine  functions  applied  to  linear 
functions and can be evaluated analytically.  
 

2. DESCRIPTION OF THE ALGORITHM 

 
  In  this  section  we  describe  the  technicalities  of  our  algorithm  for  computing  the 
diffraction  integral  (4).  We  also  present  some  results  of  symbolic  and  numerical 
computations that suggest what level of accuracy of the algorithm one could expect. 
  We  think  there  are  two  interesting  points  of  our  approach.  One  is  the  way  we 
transform  the  empirically  given  discrete  data  into  a  mathematically  correct  problem 
with  data  being  a  continuous  (in  fact  polynomial)  function.  The  other  is  a  high-order 
local approximation of the integrand, which leads to analytically integrable functions. 
Both questions are discussed in detail below. 

 

2.1. Numerical difficulties in computing oscillating integrals 

 
  The diffraction integral (4) is a two-dimensional version of an oscillating integral of 
the form 
 
 

( )

( )

dx

e

x

g

x

if

                                              (5) 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 5 

 
where  f  is  a  real  and  g  a  possibly  complex  function  of  n-dimensional  variable  x.  Its 
characteristic  feature  is  rapid  oscillation  of  the  integrand:  even  for  relatively  regular 
function f, which can be well approximated with linear functions, the real and imaginary 
parts of 

( )

x

if

e

, that is 

(

)

)

x

(

f

cos

 and 

(

)

)

x

(

f

sin

, vary rapidly. The number of oscillations 

depends on the size of the image of the function f and exceeds  sup( ) inf ( ) /

f

f

2

π. If 

we use standard, universal methods of integration, numerous oscillations together with 
accuracy  requirements  force  one  to  use  grids  with  many  nodes,  which  leads  to  long 
computing time. 
 

2.2. Error estimation. 

 
  Many  numerical  integration  procedures  depend  on  a  parameter  like  the  number  of 
nodes  or  the  degree  of  the  approximating  polynomial  (as  in  our  algorith  described 
below).  Increasing the parameter gives better accuracy of the result but lengthens the 
time needed for the calculations. The accuracy of the result is commonly estimated by 
assuming that decimal digits stable under increasing of the parameter are exact. While 
this approach works perfectly in most situations it may be misleading in special badly 
conditioned cases since the stabilizing process may be extremely slow or discontinuous: 
the  seemingly  stabilized  result  may  eventually  change  or  jump  to  another  after  the 
parameter exceeds some critical value.  
  Our  search  for  a  new  algorithm  stems  from  the  fact  that  the  results  obtained  by 
simple,  fast  algorithms  seemed  unreliable  in  some  special  cases  and  we  needed  an 
independent way of estimating the accuracy of the results.  
  All the algorithms that we considered adhere to the following pattern. The domain of 
integration  is  divided  into  sub-domains,  the  integrand  is  approximated  in  each 
subdomain,  and  various  integration  procedures  are  applied  to  the  approximating 
function. The place critical for accuracy is typically the approximation of the integrand 
in  the  subdomain  since  the  type  of  the  approximating  function  is  chosen  so  that  the 
integration  procedures  applied  to  it  could  be  highly  accurate.  Therefore  we  adopt  the 
folowing  measure  of  accuracy  of  the  algorithm.  In  each  subdomain  we  measure  the 
difference between the integrand and its approximation in several random points and we 
assume that the discrepancy of the two functions in whole subdomain does not exceed 
the maximum of those numbers. The sum of those local errors multiplied by the size of 
each subdomain gives an upper bound for the error of the result. We call it the estimated 
accuracy of the result in contrast to the actual accuracy i.e. the difference between the 
obtained result and its exact (usually unknown) value.  
  In a series of computations the above mentioned measure of estimated accuracy was 
applied  to  several  integration  algorithms  including  those  using  different  linear 
approximations  to  the  integrand  (methods  0-3),  linear  aproximation  to  the  exponent 
(method 4) and our algorithm with different degrees of the approximating polynomial. 
  The calculations were performed for the following sample situation. We consider an 
imaging system with a circular output pupil 

Σ

 

of radius r=5.0 mmm. It produces a non-

aberrated spherical wave front focused at the point 

(

)

2

z

,

0

,

0

S

=

z2 100

=

 mm. Let the 

wavelength be 

λ = 0 0006

.

 mm. The phase function for this wave is 

 
 

( )

( )

η

ξ

=

η

ξ

Φ

,

kR

,

0

                                        (6) 

 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 6 

where 

( )

η

ξ,

R

0

 is the distance from 

(

)

0

,

,

η

ξ

 to 

(

)

2

z

,

0

,

0

 

  The diffraction integral (4) for the point  P x y z

( , , )

 takes on the form 

 
 

(

)

( )

{

}

η

ξ

η

ξ

=

∫∫

d

d

,

if

exp

z

,

y

,

x

U

                               (7) 

 
where   

( )

(

)

(

)

[

]

η

ξ

η

ξ

=

η

ξ

,

,

z

,

0

,

0

R

,

,

z

,

y

,

x

R

k

,

f

2

.  Here  R x y z

, , , ,

ξ η

I

N

  is  the  distance 

form ( , , )

x y z  to ( , , )

ξ η 0 .  

  The results of calculations for the non-aberrated phase are shown in Figure     ... 
Each point in the table represents one example of calculations.  
<Opisac  w  zaleznosci  od  wykresu>  The  horizontal  coordinate  (values  0..5)  denotes 
logarithm of time in hundredths of seconds (0=0.01s, 1=0.1s, 2=1s,..., 5=1000s).  The 
vertical coordinate (values -1..10) is the number of exact decimal digits guaranteed by 
the method.  
  In  Fig...  we  show  the  results  for  the  case  where  an  aberration  represented  by  a 
component 40\ksi\eta was added to the phase (6).  
  The  results  show  that  it  is  practically  impossible  to  ensure  accuracy  of  3  decimal 
places with methods 0-3. Method 4 is much better but practically works up to 5 decimal 
digits.  With  our  method  we  are  able  to  obtain  8-9  exact  digits.  The  fundamental 
difference in the algorithms that enables this is the fact that for higher degrees of the 
polynomials increasing the number of nodes has much stronger impact on the accuracy 
than in the case of linear approximations. 
  It  should  be  noted  that  in  most  cases  the  actual  accuracy  is  much  better  than  the 
estimated one, but only evaluating the latter makes it possible to find highly accurate 
results  and  thus  to  estimate  the  former.  The  complex  machinery  developed  in  our 
algorithm  results  in  a  relatively  long  computational  time  in  comparison  with  simple 
methods  for  the  same  number  of  nodes.  In  many  cases,  when  high  accuracy  is  not 
required,  those  methods  may  work  faster.  Therefore  a  typical  application  of  our 
algorithm is as follows. We use it for computing the results for several random points 
with  high  estimated  accuracy.  In  this  way  we  obtain  reliable  numerical  results.  They 
serve for testing the actual accuracy of some simpler methods and the best of them can 
be used for computations in all needed points. 
 

2.3. Approximating discrete data with polynomials 

 
  It  is  quite  common  in  numerical  problems  involving  integration  that  the  integrated 
function is given by values in a number of separate points. We  assume that the phase 
function 

Φ

 is numerically represented by a collection of triples ( , , )

x y

i

i

i

φ , where φ

i

 is 

interpreted as the value of the phase function at  the point  ( , )

x y

i

i

. We do not assume 

that  the  points  ( , )

x y

i

i

  form  a  regular  grid  in  any  special  co-ordinate  system,  as 

Cartesian or polar. Nevertheless we do expect that the points do not show any extreme 
irregularity. For example we do not accept data all lying on one side of a straight line 
halving the domain. 
  A precise mathematical formulation of the integration problem requires the integrand 
to  be  defined  at  all  points  of  its  domain.  We  therefore  need  to  choose  a  way  to 
interpolate  our  discrete  data  with  a  continuous  function.  In  standard  integration 
problems  there  is  little  difference  in  the  numerical  result  between  linear,  quadratic  or 
any other kind of interpolation. The choice of the interpolation method has impact on 
efficiency  of  the  algorithm  rather  than  the  value  of  integral.  Quite  opposite,  if  the 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 7 

integrand  is  an  oscillating  function,  the  integration  involves  numerous  cancellations, 
and the final result depends strongly on the way the cancellations are performed. It is 
threfore  crucial  to  make  a  correct  choice  of  the  function  we  accept  to  interpolate  our 
data. 
  If  our  initial  data  were  given  in  a  regular  grid  we  probably  would  be  tempted  to 
choose a linear or quadratic approximation as our favourite integrand. The interpolation 
would  be  local  in  the  sense  that  a  separate  linear  (or  quadratic)  function  would  be 
chosen  for  each  subrectangle  of  the  grid.  In  the  absence  of  a  regular  grid  a  possible 
approach could be to triangulate the domain in such a way that the given points ( , )

x y

i

i

 

become the vertices of the triangulation. As the interpolating function we could choose 
then the only extension of the values 

φ

i

 (given for the vertices) to the function linear on 

the  simplices  of  the  triangulation.  The  triangulation  problem  has  no  natural  unique 
solution. It would require a separate algorithm to find and automatically choose one of 
possible  existing  triangulations.  For  these  reasons  we  prefer  to  adopt  the  following 
approach. 
  We approximate our data with a polynomial in variables x,y in such a way that the 
sum of squares of errors (i.e. defferences between the values of our polynomial and the 
prescribed  data 

φ

i

  )  is  the  least  possible.  We  apply  a  full  real-valued  polynomial  of 

degree n of the form 
 
 

( )

+

=

n

j

i

0

j

i

j

,

i

y

x

a

y

,

x

Q

                                        (10) 

 
  The  coefficients  of  the  polynomial  minimizing  the  sum  of  squares  of  errors  in  the 
class of polynomials of fixed degree n are uniquely determined  and can be computed 
with any standard method of least-square approximation. 
  We treat the integral in 3 steps described below 
1.  pass  to  polar  coordinates  and  replace 

(

)

)

,

(

f

cos

η

ξ

  with 

(

)

)

,

(

T

cos

η

ξ

ρ

T  - 

a polynomial; 

2.  write 

T as L+Q where L is a lineal and Q contains terms of degree higher or equal 2; 

3.  replace 

(

)

)

,

(

Q

cos

η

ξ

 and 

(

)

)

,

(

Q

sin

η

ξ

 by its Taylor expansion in 2 variables 

4.  reduce the problem to the single integrals of 

x

bx

n

sin( ) and 

x

bx

n

cos( ) and compute 

them by parts or by Taylor expansion, depending on the values of the parameter 

b.  

  We illustrate our approach in the case of the non aberrated phase function of a wave 
converging to (0,0,100

), that is the analytic function  f x y

x

y

( , )

= −

+

+

2

2

2

100

100. 

We compute the phase function in 386 random points ( , )

x y

i

i

 and we approximate these 

values with a polynomial of degree 2, 3, 4, 5 and 6. The phase  function varies in the 
range [0.0,1308.18]. In the Table 2 we give the degree of approximating polynomial 

P

n

the  maximum  deviation  (i.e.  the  difference 

P x y

f x y

n

i

i

i

i

( , )

( , )

)  and  the  maximum 

difference  between  coefficients  of  polynomial 

P

n

  and  and  the  maximum  of 

corresponding coefficients in Taylor series for 

f. 

  We see that raising the degree of the approximating polynomial from even number 
by one (e.g. from 2 to 3 or from 4 to 5) does not improve the approximation. This is 
explained by the fact that the phase function is obtained with squares and square roots, 
its  Taylor  series  contain  only  even  powers  of  x  and  y,  and  therefore  it  is  well 
approximated by even degree polynomials. In fact in our example the maximum error 
even  increased  slightly  when  passing  from  degree  4  to  5;  this  is  possible  since  we 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 8 

minimise the 

l

2

-norm of the error (sum of squares), not tne 

l

-norm (the maximum of 

its absolute value). 
  A  physical  justification  for  this  approach  is  offered  by  the  fact  that  a  commonly 
adopted measure of aberration of an optical instrument are coefficients of a polynomial 
approximation  of  the  difference  between  the  phase  function  and  a  spherical  function. 
This approach implies that a physically instructive representation of a phase should be a 
polynomial of even degree between 4 and 8. 
  Although we are not going to globally (that is in the whole domain) approximate the 
function kR with a polynomial with the purpose of integrating it, it may be of interest to 
see the quality of such approximation for a sample point 

x

2

0 03

= . . In the Table 3 we 

have the maximum error of 

Φ + kR

, in dependency on the polynomial degree. 

  In opposition to the previous example we see that the function is better approximated 
with odd-degree polynomials. This can be explained by observing that in the absence of 
aberration

 

Φ

  equals 

kR

o

R  is  a  translation  of  R

0

  which  is  of  series  in 

x

y

2

2

+

(

)

0

R

R

k

kR

=

+

Φ

  behaves  similarly  to 

(

)

n

2

n

2

x

h

x

+

  and  should  be  approximated 

with odd degree polynomial. 
 

2.4. Oscillating integrals with polynomial exponents 

 

  Approximating the discretely defined phase data with a polynomial described above 
transforms diffraction integral into a well posed mathematical problem, which reads as 
follows:  integrate 

(

)

η

ξ

η

ξ

d

d

)

,

(

f

cos

  in  a  disk,  with 

( , )

ξ η   being  a  polynomial  of 

degree 

≤10. Here and in the sequel cosine may be replaced by sine.  

  We pass to polar coordinates with the domain  0

0

≤ ≤

ρ ,  0

2

≤ ≤

θ

π . We divide the 

domain  into  n n

ρ

θ

⋅   regular  rectangles  and  confine  ourselves  to  calculate  the  integral 

over  one  of  those  small  rectangles.  Let 

ρ θ

0

0

,   denote  the  centre  of  the  rectangle.  We 

expand  the  polynomial 

( , )

ξ η   (given  in  Cartesian  coordinates)  in  its  Taylor  series 

T( , )

ρ θ

 in polar coordinates 

ρ θ

,

 centered in 

ρ θ

0

0

, . We expect to use the expansion up 

to tenth order. 
  We  want  to  estimate  the  error  introduced  by  passing  from 

(

)

)

,

(

f

cos

η

ξ

  to 

(

)

)

,

(

T

cos

θ

ρ

.  Therefore  we  consider  the  example  introduced  in  section  2.1  and  we 

compute the difference between the value of 

T at the vertex v of small rectangle and the 

actual value 

f v

( )

 of the polynomial itself at the vertex 

v. In the Table 4 we show the 

maximum  error  for  the  10  by  10  partition  of  the  domain  (

n

n

ρ

θ

=

= 10),  for  different 

degrees  of  the  Taylor  polynomial  varying  from  0  to  4.  The  results  are  given  for  the 
phase function 

Φ

 and for the exponent 

Φ + kR

, each approximated locally (that is over 

the small rectangle, with origin at its centre) by a polynomial of degree at most 4: 
  We see that when the degree of the approximating polynomial is growing the error 
tends to zero quite fast.  
  Note that in order to improve accuracy at this step we can handle two independent 
parameters:  the  number  of  nodes 

n n

ρ

θ

⋅   and  the  degree  of  opproximation  polynomial 

Deg.  If  we  multiply  the  number  of  nodes  (

,

)

n n

ρ θ

  in  each  direction  by  a  factor  of 

n

then the computation time enlarges n

2

 times, while error decreases 

n

Deg+1

 times. This is 

seen in the Table 5, computed for 

n

n

ρ

θ

=

= 10 20 40

,

,

 

 

, all for 

Deg = 4 . We see that 

the error decreases by a factor of around 2

32

5

=

 in each step. 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 9 

  The optimum choice of 

n n

ρ

θ

,  and Deg for given accuracy is not clear. Higher degree 

Deg speeds up the convergence when the number of nodes increases. On the other hand 
it lengtens the time for fixed number of nodes. At this step we can sum up the above 
calculations  by  saying  that  the  integrand  can  be  satisfatorily  approximated  by 

(

)

)

,

(

T

cos

θ

ρ

, where 

T is a polynomial in 

ρ θ

,

.  

As the second step we decompose 

T as 

 
 

T a b

c

Q

= +

+

+

ρ

θ

ρ θ

( , )

                                    (11) 

 
where 

a b

c

+

+

ρ

θ

 is the linear part of

 T, and 

Q( , )

ρ θ

 is a polynomial with homogeneous 

components of degree two or higher. Thus 

(

)

)

,

(

T

cos

θ

ρ

 equals a sum of two expressions 

of the form 

(

)

(

)

)

,

(

Q

csn

c

b

a

csn

2

1

θ

ρ

θ

+

ρ

+

, where 

csn

1

 and 

csn

2

 denote cosine or sine. 

The  integral  is  to  be  computed  in  a  rectangular  neibourhood  of  ( , )

0 0 .  Therefore  we 

expand 

( )

Q

csn

2

  in  its  Taylor  series  in  two  variables  around  (0,0)  and  take  its 

components  of  degree  of 

Q.  Thus  we  and  obtain  integrands 

(

) ( )

θ

ρ

θ

+

ρ

+

,

P

c

b

a

csn

1

 

with 

P - a polynomial, 

deg( ) deg( )

P

Q

=

. The crucial point here is the error introduced 

by  passing  from 

( )

Q

csn

2

  to

  P.  The  Taylor  expansion  gives  good  accuracy  only  for 

small 

x (that is 

Q( , )

ρ θ

in our notation). This requires that 

Q, which is equal to the error 

of  the  linear  approximation  of 

Φ + kR

  be  small.  The  error  for  different  numbers  of 

nodes and 

Deg = 4 are shown in the Table 6 We see that we get error less than 1.0E-1 

for linear approximation with 20 by 20 nodes.  
  The final step is integrating 

(

)

)

,

(

P

c

b

a

csn

1

θ

ρ

θ

+

ρ

+

 with 

P - a polynomial. This is 

reduced  to  single  integrals  of 

x

bx

n

cos( )   and 

x

bx

n

sin( ), 

n = 0,1,2,...  These  integrals 

can be computed by expanding 

cos( )

bx

 and 

cos( )

bx

 in their Taylor series for small 

b or 

by integration by parts for large 

b.  

 

3. ALGORITHM ACCURACY 

 
  In order to test the developed algorithm several calculations were performed. In the 
first test we wanted to check the accuracy of the obtained results in dependency on the 
number of integration points. Three sets of input data were selected as described below.  
  First one, referred as "test #1" represented perfectly spherical wavefront converging 
to the point located on axis in the distance 

z

mm

i

= 100 

. The radius of the output pupil 

was set to 

r

mm

= 10

, what corresponds to the F-number equal to 1:5.  

  The  second  set  of  input  data  ("test  #2")  was  generated  as  the  spherical  wavefront 
converging  to  the  object  points  having  coordinates 

z

mm

i

= 200 

x

mm

i

= 2 

,  hovewer 

affected  by  Seidel  aberrations  characterized  by  the  following  coefficients: 

S

= ⋅

3 10

5

C

x

= − ⋅

3 10

5

,  A

x

= ⋅

6 10

5

D

x

= − ⋅

6 10

5

F

= ⋅

9 10

5

.  The  output  pupil  radius  was 

r

mm

= 2 

, thus the relative F number was equal to 1:50.  

  The  last  set  of  data  ("test  #3")  was  obtained  by  numerical  calculation  of  the 
wavefront  in  the  output  pupil  of  a  hybrid  focusing  lens.  This  lens  was  a  diffractive-
refractive doublet with the following construction parameters. Radii of curvature of the 
glass substrate: 

R

mm

1

56 989

= .

 

R

mm

2

1576 0

= −

.  

. Lens thickness: 

d

mm

= 3 

. Index 

of  refraction  of  the  lens  material: 

n

= 1 5

. .  Diffractive  microstructure  deposited  on  the 

second  surface  is  generated  by  two  spherical  wavefronts  of  radii: 

R

mm

α

= −37 317

.

 

R

mm

β

= −36 093

.

 

  while  the  light  wavelength  equals  to 

λ = 632 8

.  

nm.  The  lens  has 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 10 

focal length 

f

mm

= 100 

and relative aperture 1:10. Paralell light beam falling under the 

field angle 

ω = 0 03

.

 was converging to the focal plane, however the best image plane 

was established to be shifted by about 0.75 mm outwards.  
  For the described three cases the light intensity in the aberration spot was calculated 
in  selected  points  along  the  cross-section  of  the  aberration  spot.  The  results  are 
presented  in  the  Figs.  2a,  2b,  2c,  respectively,  as  the  dependency  of  the  calculated 
intensity  versus  number  of  integration  points.  It  can  be  easily  seen,  that  the  results 
became  stable  starting  from  about  10

3

points  of  integration.  For  the  lens  of  small 

aperture (test #2) this number is substantially slower, what suggests, that not the overall 
number of points is important, but rather their density over the output pupil.  
  While  the  imaging  qulity  of  hybrid  lens  is  to  be  evaluated  in  the  first  step  the 
wavefront in the output pupil of the investigated imaging element has to be calculated 
by  comparing  the  optical  path  length  along  a  number  of  rays  traced  from  the  object 
point through the optical system. The rays are uniformly distributed over the input plane 
of the system, but due its aberrations their distribution over the output plane is changed. 
It  is  not  possible  then  to  obtain  the  phase  data  directly  in  the  regular  grid  (e.g. 
rectangular) as it is necessary for the integration algorithm. Therefore it was necessary 
to  initially  approximate  the  phase  distribution  over  the  output  pupil.  The  two-
dimensional polynomial with respect to variables 

x and y of order n was choosen to this 

aim. Its form is similar to Seidel expansion.  
  The test was performed to check the dependency of the calculated light intensity on 
the  order  of  this  polynomial.  The  exemplary  results of two cases are presented in the 
Figures 3a, 3b. Both present the dependency of the light intensity calculated in selected 
points in the aberration spot obtained with the same hybrid lens as used in the test #3. 
The relative apperture was kept equal 1:10 in the first case, and increased to 1:4 in the 
second  case.  The  same  number  of  integrating  points  (equal  10

4

)  was  used.  The 

aberration  spots  were  calculated  in  the  best  image  planes 

z

mm

i

= 100 75

,  

,  and 

z

mm

i

= 100 60

.  

respectively. From the presented results it is seen, that if the relalative 

aperture  is  relatively  small  (Fig.  3a)  polynomial  of  the  fifth  order  is  enough.  If  the 
imaging  element  has  greater  aperture  than  higher  order  aberrations  became  also 
important,  but  approximation  with  the  polynomial  of  the  6-th  order  gives  satisfactory 
results.  
  For  the  typical  applications  the  approximation  of  the  phase  function  with  the  fifth 
order polynomial and taking the number of integration points over the output pupil of 
the order 10

3

 leads to the values of the light intensity in the image plane calculated with 

an error substantially less that 0.1%, what in the authors opinion, is fairly satisfying. If 
the PC computer with Pentium processor and 100MHz clock is used calculation of the 
light intensity in one object point takes ca. 0.12s.  
 

3. EXAMPLES OF APPLICATION 

 
To  illustrate  the  practical  use  of  the  described  method  we  performed  the  analysis  of 
imaging quality of the hybrid (diffractive-refractive) lens according to the construction 
parameters described in the previous paragraph (lens #3). Wave aberration in the input 
pupil of this lens was calculated from the difference of the optical path along a given 
ray and the principal ray. Rays are equally spaced over the input pupil, however due to 
aberrations the distribution of the points of their intersection with the output pupil plane 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 11 

was disturbed. Then the light intensity distribution in the aberration spot was calculated. 
the obtained results were presented in the following figures. 
  In the Fig. 4 the wave aberration and aberration spots for the hybrid lens of relative 
aperture  equal  1:10  and  two  object  field  angles  equal  0  and  0.03  respectively  are 
presented.  The  polynomial  of  5-th  order  was  used.  Number  of  integration  points  was 
60*60. The investigated lens has relatively small aberrations (spherical aberration and 
coma are corrected, see [11]). For the object on axis wave aberration does not exceed 

λ 

and the aberration spot does not differ substantially from the aberration free one. For the 
object point off axis the influence of non-corrected field aberationcan be noticed. 
  In the Fig. 5 the light intensity distribution in central point of the aberration spot for 
field angle equal to zero is calculated along the z axis. A relatively small depth of focus, 
not exceeding 1 mm is seen, what is in accordance with expectations. 
  the Fig. 6 presents the wave aberration spots for the same hybrid lens, but of greater 
aperture (relative aperture is 1:4). The calculations are made for the field angle equal to 
zero.  It  is  seen,  that  higher  order  aberrations  cause  the  worsening  of  the  image. 
Maximum wave aberration is almost 6

λ 

 

 

4. ACKNOWLEDGMENTS 

 

 

5. REFERENCES 

 
1. 

M.  Zając,  J.  Nowak,  "Holographic  optical  elements  used  in  spectroscopy:  some 
remarks on image quality", Appl. Optics, vol. 29, no. 34, (1990), 5198 - 5202. 

2. 

J. Nowak, M. Zając, "Numerical method for the calculation of the light intensity 
distribution in the holographic image", Opt. Appl, vol. 12, no. 3-4 (1982), 353 - 
361. 

3. 

J. Nowak, M.  Zając, "Investigations of the influence of hologram aberrations on 
the  light  intensity  distribution  in  the  image  plane",  Optica  Acta,  vol.  30,  no.  12 
(1983), 1749 - 1767 

4. 

J.  Nowak,  M.  Zając,  "Numerical  investigations  of  the  imaging  by  holographic 
lens", Optik, vol. 70, no. 4 (1985), 143 - 145. 

5. 

M.  Zając,  J.  Nowak,  "Collimating  holographic  lens  on  curved  surface  -  a 
numerical study", Optik, vol. 80, no. 4 (1987), 137 - 140 

6. 

M.  Zając,  J.  Nowak,  A.  Gadomski,  "Hologeraphic  lens  -  study  of  imaging 
quality", Opt. Appl, vol. 19, no. 2 (1989), 229 - 244. 

7. 

B. Dubik, J. Masajada, J. Nowak, M. Zając, "Aberrations of holographic lenses in 
image quality evaluation", Opt. Eng., vol. 31, no.3 (1990) 478 - 490 

8. 

J. J. Stamnes, "Waves in focal regions", Adam Hilger Ed. 1986 

9. 

P.  Wilk,  I.  Wilk,  "Physical  optics",  Of.  Wyd.  Pol.  Wroc³.,  Wroc³aw,  1996  [in 
Polish] 

10.  A. Marciniak, "Numerical procedures in Pascal", WNT, Warszawa, 1993 
11.  M. Zając, J. Nowak, "Correction of aperture aberrations of hybrid lens", X Polish-

Czech-Slovak Optical Conference, (1996) [in print]. 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 12 

LIST OF FIGURES 

 

1. Geometry of diffraction. 
 
2. Calculated light intensity in selected points 

I/I

0

 versus number of integration points n.  

  a) example "test #1" 
  b) example "test #2" 
  c) example "test #3" 
 
3. Calculated light intensity in selected points  

I/I

0

 versus order of approximating  

  polynomial 

p.  

  a) lens aperture 1:10, 
  b) lens aperture 1:4. 
 
4.  Wave  aberration 

W  and  light  intensity  I/I

0

  in  the  aberration  spot  calculated  for  the 

  hybrid lens described in the text.  
  a)  object point on axis, relative aperture 

1:10,  

    wavefront approximated by polynomial of order 

p=5

   

n=60*60 points of integration 

  b)  object point off axis, field angle 

ω

=3/100, relative aperture 1:10,  

    wavefront approximated by polynomial of order 

p=5

   

n=60*60 points of integration 

 
5. Light inensity distribution in the aberration spot central point, along 

z axis.  

 
6. Wave aberration 

W and light intensity I/I

0

 in the aberration spot calculated for the  

  hybrid lens of increased aperture (

1:4).  

  Object point on axis, 

n=60*60 points of integration 

 
  a) wavefront approximated by polynomial of order 

p=5

  b) wavefront approximated by polynomial of order 

p=10

 
 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 13 

TABLES 

 
 
 

Table 2 

 

degree of 

polynomial 

maximum deviation 

maximum error 

 of coefficients 

1.531707E-0001 

1.29E-0001 

1.489366E-0001 

1.29E-0001 

4.607052E-0005 

1.09E-0005 

4.831873E-0005 

1.90E-0005 

2.762567E-0008 

2.15E-0008 

 

 
 
 
 
 
 

Table 3 

 

degree of polynomial 

maximum error of 

Φ + kR

 

6.938544E-0003 

3.298053E-0006 

2.892207E-0007 

1.452068E-0009 

1.412045E-0009 

 

 
 
 
 
 
 

Table 4 

 

degree  

of polynomial 

error  

for 

Φ

 

error for 

Φ + kR

 

2.04E+01 

1.94E+00 

5.23E-01 

3.12E-01 

1.02E-05 

3.37E-02 

1.54E-07 

2.86E-03 

6.59E-09 

1.99E-04 

 

 
 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 14 

 
 
 

Table 5 

 

n

n

ρ

θ

=  

error 

ratio of error 

10 

1.95E-04 

31.24 

20 

6.26E-06 

31.62 

40 

1.98E-07 

 

 
 
 
 
 
 

Table 6 

 

n

n

ρ

θ

=  

Linear approximation error 

10 

3.02E-01 

20 

7.84E-02 

40 

1.99E-02 

60 

8.93E-03 

 

 
 
 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 15 

1

1 10

4

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

10

100

1 103

n

I

 

 

Fig. 1a 

Dependency of the calculated light intensity I vs the number of 
integration points n, for the example denoted "TEST #1"

 

 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 16 

1

10

100

1 103

1 104

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

I

n

 

 
 

Fig. 1b 

Dependency of the calculated light intensity I vs the number of 
integration points n, for the example denoted "TEST #2"

 

 

background image

Lewkowicz, Nowak, Zaj¹c "Calculation of the aberration spot...", p. 17 

 

Fig. 1c 

Dependency of the calculated light intensity I vs the number of 
integration points n, for the example denoted "TEST #3"