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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:賴正益
研究生(外文):lai-zheng-yi
論文名稱:應用田口法於變焦鏡頭設計之優化
論文名稱(外文):Application of Taguchi Method to the zoom lens design optimization
指導教授:陳政雄陳政雄引用關係
指導教授(外文):chen-zheng-xiong
學位類別:碩士
校院名稱:國立中正大學
系所名稱:光機電整合工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:118
中文關鍵詞:變焦鏡頭光學設計田口法
外文關鍵詞:zoom lensoptical designTaguchi Method
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摘 要
本論文主要目的是應用田口法於變焦鏡頭之優化,首先建立直交表以選擇焦距組合、鏡片數量、材料等參數,利用ZEMAX軟體模擬變焦鏡頭與修正像差,將模擬所得結果分析並找出最佳的參數選擇,得到最佳成像品質的變焦鏡頭。
本文以一用於35厘米相機之兩群鏡組變焦鏡頭為研究範例,有效焦距30-66(mm),利用田口法調整焦距組合及透鏡材料,配合ZEMAX軟體模擬,所得之最佳結果可將三個焦距組態光斑圖之方均根半徑平均值降至20 以下。同時針對非球面的選取,利用田口法分析各球面改成非球面後之成像品質改善,成功找出最佳之非球面位置,進一步將三個焦距組態光斑圖之方均根半徑平均值降至約10 。
本文另外應用田口法評估用於數位攝影機之四群鏡組變焦鏡頭專利,變倍比為12,針對非球面鏡部分,分析各球面改成非球面後之成像品質改善,選出最佳的非球面鏡位置與原專利之設計相同,並以田口法輔助ZEMAX軟體找出非球面係數,將方均根半徑平均值降至10 以下,由二群及四群鏡組變焦鏡頭之研究,證明田口法有助於變焦鏡頭之優化。


(關鍵字:變焦鏡頭、光學設計、田口法)
Abstract
The aim of the thesis is to prove that the optimization for zoom lens can be reached by using Taguchi Method, with the applying of which the best zoom lens of image quality is landed by discovering and analyzing the most successful parameter option resulted from simulating zoom lens and correcting aberration of parameter options, which are chose from the focal length, lens number, and material in the established orthogonal table, by using ZEMAX software.
This text regards two-group zoom lens for 35 (mm) camera, which efficient focal length ranges from 30 to 66 (mm), as the example of studying. The most successful result, lowering the RMS radius of the spot diagram to under 20 ( ), can be landed by utilizing the Taguchi Method to adjustment focal length and material of lenses and by cooperating with the software simulation of ZEMAX.
Meanwhile, by picking out the aspheric surface and analyzing the quality of image after sphere surface is made into aspheric surface, the best position of aspheric surface is found out and further help the RMS radius of spot diagram drop to about 10 ( ).
Taguchi Method is applied to evaluate four-group zoom lens patent for the digit camera as well. The room radio is twelve. The aspheric surface is focused to analyze the improved quality of image after sphere surface is made into aspheric surface and to choose the most excellent aspheric surface position, which is the same as the design of the original patent. The coefficient of aspheric surface is dig up by using ZEMAX software with auxiliary Taguchi Method, and then the RMS radius of spot diagram is decreased to under 10 ( ). Proved Taguchi Method contributes to the zoom lens designed for optimization by studying two-group and four-group zoom lenses.














(Key word: zoom lens, optical design, Taguchi Method)
目錄
摘要…………………………………………………………….…………I
Abstract…………………………………………………………………..II
目錄…………………………………………………...…………...……IV
圖目錄………………………………………………………………..…Ⅶ
表目錄……………………………………………………………......ⅩⅡ

第一章 緒論
1-1 變焦鏡頭簡介 …………………………………………….1
1-2 研究主題與動機 …………………………………………6
1-3 文獻回顧 …………………………………………………7
1-4 研究目標 ………………………………………………...13

第二章 優化及像質評價
2-1 評價函數與局部最小值…………………………………14
3-2 像質評價…………………………………………………16
3-3 像差與像質評價…………………………………………21

第三章 變焦鏡組移動曲線分析
3-1 符號定義與近軸薄透鏡成像….…………………………27
3-2 變焦系統近軸薄鏡分析…………………………………33
3-3 形狀因子與透鏡加厚……………………………………50

第四章 田口法於兩鏡組變焦鏡頭設計
4-1 田口法與鏡頭設計………………………….……………61
4-2 變焦鏡頭移動曲線……………………………………….63
4-3 田口法輔助兩鏡組變焦鏡頭設計……………………….71
4-4 田口法於非球面選取…………………………………….78

第五章 田口法於變焦鏡組非球面之最佳化
5-1 四群鏡組變焦鏡…………………………………………85
5-2 軸上像差分析……………………………………………89
5-3 三面非球面鏡分析………………………………………93
5-4 田口法找出非球面係數………………………………….97

第六章 結論
結論…………………………………………………………..104

參考文獻……………………………………….………..…105

附錄A……………………………………………..………107
附錄B……………………………………………..………112

















圖目錄
第一章 緒論
圖1-1:變焦鏡組模擬圖……………………………………………1
圖1-2:變焦鏡組立體圖……………………………………………2
圖1-3:機械補償變焦鏡頭 ………………………………………3
圖1-4:機械補償變焦鏡頭鏡組移動圖 …………………………3
圖1-5:光學補償變焦鏡頭 ………………………………………4
圖1-6:光學補償變焦鏡頭鏡組移動圖 …………………………5
圖1-7:光學補償變焦鏡頭 ………………………………………6
圖1-8:機械補償變焦鏡頭 ………………………………………6
圖1-9:第一步驟之一階設計………………………………………8
圖1-10:各鏡組鏡片設計…………………………………………..8
圖1-11:優化後之結果……………………………………………..8
圖1-12:兩鏡組方法………………………………………………..9
圖1-13:整體性優化變焦鏡頭流程圖……………………………11
圖1-14:各種變焦鏡頭設計圖……………………………………11



第二章 優化及像質評價
圖2-1:假想兩變數的績效函數之地形圖………………………15
圖2-2:光扇圖……………………………………………………17
圖2-3:光斑示意圖………………………………………………..19
圖2-4:三個波長之光斑圖………………………………………19
圖2-5:藍光波長光斑圖…………………………………………19
圖2-6:綠光波長光斑圖 …………………………………………19
圖2-7:紅光波長光斑圖…………………………………………19
圖2-8: MTF圖 …………………………………………………20
圖2-9:球差之光扇形圖…………………………………………22
圖2-10:慧差之光斑圖……………………………………………23
圖2-11:慧差之光扇圖……………………………………………24
圖2-12:像散之光扇圖……………………………………………24
圖2-13:場曲及畸變圖……………………………………………25
圖2-14:色差之光扇圖……………………………………………25

第三章 變焦鏡頭之理論與分析
圖3-1:符號規定圖………………………………………………27
圖3-2:近軸薄透鏡成像…………………………………………..29
圖3-3:主平面位置圖……………………………………………...32
圖3-4:二鏡組圖………………………………………………….33
圖3-5:二薄透鏡物像關係……………………………………….34
圖3-6:鏡組距離變化圖………………………………………….38
圖3-7:軟體模擬圖………………………………………………...38
圖3-8:負正型變焦移動軌跡……………………………………...39
圖3-9:負正型變焦鏡組三組態圖………………………………...40
圖3-10:鏡組距離變化圖…………………………………………41
圖3-11:正負型變焦移動軌跡……………………………………42
圖3-12:正負型變焦鏡組三組態圖………………………………42
圖3-13:三鏡組變焦系統…………………………………………43
圖3-14:第二三鏡組組合圖……………………………………….44
圖3-15:三鏡組圖………………………………………………….45
圖3-16:三鏡組移動軌跡………………………………………….49
圖3-17:形狀因子示意圖 ………………………………………...52
圖3-18:透鏡形狀與球差及慧差關係圖………………………….53
圖3-19:薄透鏡之立體圖………………………………………….54
圖3-20:厚度1mm透鏡元件圖…………………………………56
圖3-21:厚度3mm透鏡元件圖…………………………………56
圖3-22:厚度5mm透鏡元件圖…………………………………57

第四章 田口法於兩鏡組變焦鏡頭設計
圖4-1:鏡組示意圖………………………………………………60
圖4-2:25.-30mm鏡頭移動軌跡…………………………………..65
圖4-3:18.-13mm鏡頭移動軌跡…………………………………..65
圖4-4:20 .-10mm鏡組移動軌跡………………………………….66
圖4-5:近軸薄透鏡示意圖………………………………………...69
圖4-6:有效焦距30之離焦光斑圖…………….…………………70
圖4-6:有效焦距48離焦光斑圖…………………………………70
圖4-7:有效焦距66離焦光斑圖…………………………………..71
圖4-9:鏡組示意圖………………………………………………...72
圖4-10:透鏡曲率步驟…………………………………………….73
圖4-11:各鏡面架構圖……………………………………………78
圖4-12:田口法選取最佳非球面示意圖……………………….....80
圖4-13:田口法與非田口法所選取之非球面………………….....81
圖4-14:田口法-有效焦距30光斑圖………….…………………81
圖4-15:非田口法-有效焦距30光斑圖…………………………81
圖4-16:田口法-有效焦距48光斑圖………………………..……82
圖4-17:非田口法-有效焦距48光斑圖…………………………..82
圖4-18:田口法-有效焦距66光斑圖……………………………82
圖4-19:非田口法-有效焦距66光斑圖…………………………83

第五章 田口法於變焦鏡組非球面之最佳化
圖5-1:變焦鏡組立體圖…………………………………………87
圖5-2:變焦鏡組平面圖………….…………………………...…87
圖5-3:變交鏡組多重組態表……………………………………..88
圖5-4:無非球面f=4.1光扇圖…………………….………………89
圖5-5:無非球面f=4.1光斑圖…………………….………………89
圖5-6:無非球面f=20光扇圖……………………………………90
圖5-7:無非球面f=20光斑圖……………………………………90
圖5-8:無非球面f=48光斑圖圖…………………………………90
圖5-9:無非球面f=48光斑圖……………………………………90
圖5-10:分析鏡面示意圖圖………………………………………93
圖5-11:田口法非球面鏡位置示意圖……………………………97
圖5-12:非球面與軸之距離圖……………………………………98
圖5-13:原專利-有效焦距30mm光斑圖…………………………99
圖5-14:直接優化--有效焦距30mm光斑圖……………………99
圖5-15:原專利設計—有效焦距30mm光斑圖………………...103
圖5-16:田口法—有效焦距30mm光斑圖……………………...103
表目錄
第三章 變焦鏡組移動曲線分析
表3-1:符號整理表………………………………………………..28
表3-2:符號表……………………………………………………...35
表3-3:單片透鏡資料……………………………………………...54
表3-4:厚度1mm賽得像差……………………………………….57
表3-5:厚度3mm賽得像差……………………………………….57
表3-6:厚度5mm賽得像差……………………………………….58
表3-7:不同厚度透鏡像差比較表………………………………...58

第四章 田口法於兩鏡組變焦鏡頭設計
表4-1:系統規格………………..………………………………….59
表4-2:田口法輔助設計流程表…………………………………...60
表4-3:單因子實驗表……………………………………………...62
表4-4:直交表 ……………………………………………….63
表4-5:直交表 ……………………………………………….63
表4-6:各因子之水準表.….……………….………………………64
表4-7:三個焦距組合之鏡組間距………………………………...67
表4-8:三水準焦距組合薄透鏡資料……………………………...67
表4-9:三個水準焦距組合之多重組態資料……………………...68
表4-10:鏡組組合參數表………………………………………….72
表4-11:各組合之單透鏡焦距值……………………………….…74
表4-12:第一組實驗形狀因子…………………………………….75
表4-13:第一焦距第一材料薄透鏡曲率…………………………75
表4-14:第一焦距第一材料之厚透鏡曲率 ……………………...76
表4-15:實驗所得之平均值及S/N比…………………………….77
表4-16:S/N比回應值表…………………………………………..77
表4-17:直交表 ……………….…………………………….78
表4-18:各因子水準……………………………………………….78
表4-19:光斑數據………………………………………………….79
表4-20:各因子回應值…………………………………………….79
表4-21:各因子MTF回應值……………………………………80
表4-22:田口法選取與非田口法選取之非球面比較…………….83

第五章 田口法於變焦鏡組非球面之最佳化
表5-1:分析流程表………………………………………………85
表5-2:鏡頭規格…………………………………………………...86
表5-3:鏡片資料…………………………………………………...86
表5-4:變焦系統多重組態表……………………………………...88
表5-5:初步分析所得各實驗球面像差…………………………...91
表5-6 光斑大小………………………………...…...…………….92
表5-7:直交表 ………………..……………………………..93
表5-8:各因子的水準……………………………………………...94
表5-9:第一次實驗結果…………………………………………...94
表5-10:第二次實驗結果………………………………………….95
表5-11:第三次實驗結果 ………………………………………...95
表5-12:實驗結果及S/N比………...…………………………..…96
表5-13:各因子之水準S/N比回應值表…………………………96
表5-14:光斑比較表……………………………………………….98
表5-15:直交表 …………………………………………….100
表5-16:圓錐常數各因子之水準………………………………...100
表5-17:9組實驗光斑大小………………………………………100
表5-18:平均回應值……………………………………………...101
表5-19:優化後圓錐常數………………………………………...101
表5-20:田口法非球面係數……………………………………...101
表5-21:原專利非球面係數……………………………………...102
表5-22:光斑比較表……………………………………………...102
【1】Arthur Cox, “A survey of zoom lenses,” SPIE Vol. 3129, 1997.
【2】光學設計,袁旭淪,北京理工大學出版社。
【3】Arthur Cox, “Zoom Lens Design,” SPIE Vol. 4487, 2001.
【4】Yeh, M.S. Shiue, S.G.. Lu, M.H., “Two-optical-component method for designing zoom system,” SPIE optical engineering, vol.34 No. 6, 1995.
【5】Kazuo TANAKA,”General paraxial analysis of mechanically compensated zoom lenses,” SPIE Vol. 3729, 1999.
【6】Kazuo TANAKA,”zooming-component loci mechanically compensated zoom lenses,” SPIE Vol. 3729, 1999.
【7】Kazuo Tanaka,” Paraxial analysis of mechanically compensatedzoom lenses.1:Four-component type,” APPLIED OPTICS, Vol. 21, No. 12, 1982.
【8】Kazuo Tanaka, “Recent development of zoom lenses,” SPIE, 1997.
【9】Andrey V. Ivanov, “Automatic computation of displacements of zoom lens movable components,” SPIE Opt. Eng. 3780, 1999.
【10】Antonin Milks, “Modification of the formulas for third-order aberration coefficients,” OSA, 2002.
【11】M. Herzberger, “Replacing a Thin Lens by a Thick Lens,” OSA 1944.
【12】Xiaotong Li and Zhaofeng Cen, “Optmization design of zoom lens systems,” SPIE, 2002.
【13】T.G. Kuper and T.I. Harris, “A practical strategy for global optimization of zoom lenses,” SPIE Vol. 3482, 1998.
【14】Weimin Shi, Michael P.Newell,Robert E.Fischer, “design study of a 2.2X Zoom lens using plastic materials,” SPIE Vol. 4093, 2000.
【15】林永昌,新型變焦鏡頭設計,碩士論文,中央大學光電科學研究所,民國九十年。
【16】王俊勛,繞射/折射複合型變焦鏡組之設計與量測,碩士論 文,交通大學光電工程研究所,民國九十二年。
【17】Eric Ford, “Active temperature compensation of an infrared zoom lens,” SPIE, 1997.
【18】難波則廣,“ ,”JP patent 特開P2001-228394.

【19】Warren J. Smith, “Modern Optical Engineering,” McGraw-Hill, Inc.
【20】Joseph M. Geary,“Introduction to Lens Design,” Center for Applied Optics.
【21】Gregory Hallock smith, ”Lens Design, ” Willmann Bell inc.
【22】易明,現代幾何光學,凡異出版社。
【23】Michael J. Salter, “Zoom lens aberration correctionalgorithm,” SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 4487 (2001).
【24】劉光原,複合繞射/折射光學元件之設計與分析,中正大學機械所,民國九十三年。
【25】Xuemin Cheng, Yongtian Wang, and Qun Hao, “Expert system for zoom lens design,” SPIE, Opt. Eng.Vol. 5249, 2004.
【26】張弘,幾何光學,國立編譯館主編。
【27】Kjell J. Gasvik, “Optical Metrology” JOHN WILEY&SONS,LTD.
【28】J. Warren Blaker, ”OPTICS” Macmillan Publishin Company.
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