本文研究目的在利用複合式折射繞射元件進行手機變焦鏡頭設計，此變焦鏡頭係由一片光學玻璃和三片塑膠材質的兩群正負鏡組所組成，其中第一群為變倍組，第二群為補償像面漂移的補償組。為了縮小系統長度與遠心角(光線入射至CMOS sensor之角度)，將光欄設計在系統第一面且使用折繞射複合式元件來解決非對稱性結構所造成的像差。此系統特色為遠心角≦28.5°和折繞射複合式元件之使用。最終的設計結果為變焦範圍7.15 – 11.65 mm、F/# 4 - 5、畸變量≦5 %、MTF的截止頻率在155 LP/mm≧0.3、周邊光亮≧50 %，且各組態全長皆能保持在11.5 mm以內。

The paper deals with the Hybrid refractive-diffractive elements in the zoom lens of the mobile phone, The system made up of two groups of two optical glass and two plastic materials, The first group is positive variator (the group that used for zooming), and second group is negative compensator (the group that used for being stabilize an image.). In order to reduced system size and the telecentric angle (Angle of the ray incidence on the CMOS sensor), We place the stop at the first surface of the system and used Hybrid refractive-diffractive elements to solve the aberration. The characteristic of zoom lens is that the telecentric angle is less than 25° and the Hybrid refractive-diffractive elements is used. The final results is zooming from 7.15 to 11.65mm, the telecentric angle≦28.5°, F/4-5, relative illumination≧50%, distortion≦5%, and MTF at 155LP/mm≧0.3. We can also maintain all configurations within 11.5mm.

第一章 緒論 1
1.1 相機手機市場 1
1.2 研究動機 2
1.3 研究目的 3
1.4 論文架構 4
第二章 變焦光學系統基本理論 5
2.1 變焦系統 5
2.2 光學系統符號設定 6
2.3 一群變焦架構 10
2.4 兩群變焦架構 13
2.4.1 無限共軛變焦系統 14
2.4.2 有限共軛變焦系統 15
第三章 折/繞射複合式元件原理 17
3.1斯維特模型(Sweatt Model) 18
3.1.1 等效透鏡 18
3.1.2 等效透鏡轉換成波帶結構 20
3.1.3 等效透鏡之相位分布函數 21
3.1.4等效透鏡之波帶結構 23
3.2 消色差理論 27
第四章 像差理論與像質評價 31
4.1像差理論 31
4.1.1 幾何像差 31
4.1.2 球差(spherical aberration) 31
4.1.3 慧差(coma) 34
4.1.4 像散(astigmatism)與像散彎曲(curvature of field) 36
4.1.5 畸變(distortion) 41
4.2像質評價 43
4.2.1光斑直徑(Spot diagrams) 43
4.2.2調制轉換函數MTF(modulation transfer function) 46
第五章 手機變焦鏡頭設計實例 49
5.2 系統規格 50
5.1.1 規格書 50
5.1.2 Image sensor規格 51
5.2 設計流程 52
5.3 設計鏡面 56
5.3.1 球面 56
5.3.2 非球面 58
5.4 手機變焦鏡頭設計 60
5.4.1 US Patent 4815830 60
5.4.2 遠心角(Telecentric angle) 61
5.4.3 優化過程 63
5.5 設計結果與性能 66
第六章 結論 80
參考文獻 82

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