討論

針對光學變焦系統的光學特性量測上，可發現結果與模擬有一段 差距，就各種量測的結果我們分析造成差距的原因有下列幾點：

1. 透鏡加工上的誤差，造成繞射面沒有發揮應有的效應，尤其第 三片(最後一片)透鏡上清不掉的粒子會造成嚴重的散射，產生 的散射光(雜散光)沒有機構可以擋直接打在成像面上，這對成 像品質(例如解析度)會造成嚴重的影響。

2. 鏡組在組裝和對準上的誤差，雖然這次組裝是採取光學對準的 方式，但需要將三片透鏡組起來還是會有些誤差。

3. 鏡筒加工上的誤差。

上述三個原因中，第二、三個原因主要是會造成系統元件間偏 心、傾斜和空氣厚度誤差，我們特別針對這三種誤差使用 ZEMAX 光學 模擬軟體進行公差容忍度分析，即在不考慮其他因素的影響下，僅就 這三種因素對成像的影響做模擬分析，表 6.6 為模擬所得各組態公差 的容忍度，表 6.7 為各組態在此公差容忍度下對成像面高度為 0mm、

2.912mm 和 4.160mm 之 MTF 值改變：

廣角組態 中間組態 望遠組態 離軸 ±30μm ±30μm ±30μm 傾斜 第一片 ±0.1°

第二、三片 ±0.5° ±0.5° ±0.5°

軸向誤差 ±20μm ±20μm ±20μm

表 6.6 模擬所得各組態公差的容忍度

像高 0mm 2.912mm 4.160mm 廣角組態 MTF 0.7067 0.3997 0.1603 中間組態 MTF 0.4006 0.1456 0.2616 望遠組態 MTF 0.5066 0.4244 0.1993

表 6.7 模擬所得各組態在公差容忍度下不同像高的 MTF 值

由上表可知，在表 6.6 所列的公差容忍度下，各組態的最小 MTF 值皆 在 0.14 以上，機構加工的尺寸也確認在公差容忍度內，且這次組合 三群鏡片是使用光學對準的方式，可大大減少透鏡間偏心的問題，對

準誤差可控制在 10μm 內，所以就量測結果看來，單片透鏡量測的光 學特性(MTF)是不理想的，所以我們認定透鏡的品質是影響成像品質 的主要因素。

第七章 結論

現在幾乎所有利用到光學鏡片的系統，發展到最後都脫離不了變 焦系統，例如顯微鏡、影印機、投影電視、影像掃瞄機、望遠鏡以及 照像機等，可見變焦光學系統的應用廣泛。以數位相機系統來說，其 變焦系統必須達到的高變倍比、大視角的要求，整體又須符合輕巧、

小型化的市場需求，在減少光學鏡片的使用量上，成為設計者的難題。

繞射元件具有一些折射元件無法比擬的優點，其具有相當大的功 能性，經過元件表面輪廓的精心設計，已達到預期的光波波面，從而 實現在成像系統上的應用。所以，繞射光學元件具備了可減少系統鏡 片的使用量的強大優勢。

所以，本論文便利用了繞射光學元件的功能，設計了一組數位相 機系統的十倍光學變焦鏡組，成功的僅利用了六片鏡片即達到系統要 求，其中便是因 D/ROE 可消除系統的色差、球差……等特性，修正了 系統的像差，才能以六片即達到系統在規格及像差上的要求。

但是，有一點值得注意是，在寬波段的設計中必須考量繞射元件 與波長的相關性。亦即在入射光為非設計波長時，會有一些光能量進 入其他繞射級，引起像平面上成像點的模糊，而導致光學品質的降 低；其解決的方法，可決定繞射元件的設計波長，此設計波長可使光 學元件的平均繞射效率達到最高，亦即其他繞射級的光能量達到最 小。日本 canon 公司發展積層型繞射光學元件也是為使各波長的繞射 效率皆達到 95%以上，以減少繞射現象所造成的雜散光。

本研究的結果並未實際加工，以驗證模擬結果，但在論文第六章 另外量測了一組，採用 D/ROE 複合鏡片的 3 倍光學變焦鏡組，由量測

的結果可知，與模擬結果有一段的差距，其中顯示出，由於繞射面的 作用是為補償相位，所以在元件的製作上、鏡頭的組裝上必須要求極 高的精密度，才能達到預期的結果。

雖然，繞射光學元件有繞射效率上的問題，但由 cannon 公司成 功應用繞射光學鏡片於成像系統，可預期未來複合光學元件的應用將 是相廣泛，相信在光學系統會更加蓬勃的發展。

參考文獻

1. 林明宗, “可見光波段複合式(繞射/折射)光學元件的製作與研究” 1997 年, 交 通大學光電所碩士論文

2. 徐得銘,“繞射/折射複合光學元件設計與模擬”2001 年,交通大學光電所碩士 論文

3. Kleinhans W A. “Aberration of curved zone plates and fresnel lenses” Appl. Opt., 1997, 16: 1701~1704

4. Stone T, George N. “Hybrid diffractive-refractive lenses and achromats” Appl.

Opt.,1988, 27(14):2962

5. 李林 安連生,“計算機輔助光學設計的理論與應用”, 國防工業出版社, 2002 年

6. 徐之海 李奇,“現代成像系統”, 國防工業出版社, 2001 年

7. Shin- ichi, Mihara,“VARI-FOCAL LENS SYSTEM”United States Patent, Num:4,818,083(1989)

8. Kazuo Tanaka,“ZOOM LENS” United States Patent, Num:4,859,042(1989) 9. Hiroyuki Hamano, Kenichi Kimura, Saburo Sugawara,“REAR FOCUS TYPE

ZOOM LENS” United States Patent, Num:5,134,524(1992)

10. Hironori Shibata, Astujiro Ishii,“WIDE-ANGLE ZOOM LENS SYSTEM HAVING A HIGH VARIFOCAL RATIO” United States Patent, Num:5,418,646(1995)

11. Tetsuo Nagata, Hachioji,“ZOOM LENS SYSTEM USING A DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENT AND IMAGE PICKUP DEVICE USING THE SAME”

United States Patent, Num:6,157,494(2000)

12. Robert E. Fischer, Biljana Tadic-Galeb,“Optical System Design”, McGraw-Hill Companies, 2000

13. 王俊勛,“繞射/折射複合型變焦鏡組之設計與量測”2003 年, 交通大學光電 所碩士論文

14. Stenfan Sinzinger, Jurgen Jahns,“Microoptics”, WILEY-VCH, 1999

15. Shinchi Mihara,“COMPACT REAR FOCUSING ZOOM LENS” United States Patent, Num:5,808,810(1998)

16. 邱怡萱,“利用繞射透鏡元件校正折射透鏡的球差之探討”1996 年, 交通大 學光電工程研究所碩士論文

17. ZEMAX User's Guide, Version 9.0