【毕业学位论文】（Word原稿）手持的数码摄录影机用10倍光学变焦镜头设计

107 攝錄影機用 10 倍光學變焦鏡頭設計 10x 世穆 u 正堂 u 国立台北科技大学光电研究所 摘 要 摄录影机 (发展日新月异，它的解析度及像素的容量不断的提升，由于它多功能化似乎成为人们不可缺少的一个电子产品。本文的初始的设计以四群组成二群移动的理想透镜组，其中不考虑一阶及三阶象差，首先取得光学变焦的初始结构。进而选择合适的透镜组组成一个实际的四群光学变 焦结构，利用光学软体优化降低像差成份进而达到规格的需求。此设计利用三个非球面及 11 透镜组，所以镜片数及群数的减少，不但成像品质在变焦过程维持固定，且可以降低生产成本的价格。 关键词 ：摄录影机、解析度、像素、像差、光学变焦。 投稿受理时间： 93 年 3 月 23 日 审查通过时间： 93 年 7 月 5 日 he of of to it s of an a of 錄影機用 10 倍光學變焦鏡頭設計 1 108 is to a s of of to of of 1 of at to 、前言 手持的数位摄录影机 (光资讯上是一个重要的产品。 目前的摄录影机 (体积将往轻巧及多功能发展， 其中 常具有高倍率的光学变焦镜头、即时彩色影像处理模组、视讯压缩解压缩单元、高速通讯传输介面、储存媒体可重复使用性等。目前一般会搭配百万画素高解解度的电荷耦合元件 (感光。 光学变焦也成为一个重要的参考指标之一。 光学镜头可成为定焦镜头与变焦镜头(种形式。目前的摄录影机一般要求在 10 倍以上光学变焦，目前国内在光学变焦关 建技术起步较晚，人才的培训不足，再加上美日韩等产业先进国家在重要的关键技术上的专利保护。台湾若要自行设计生产的话第一个面临的问题就是光学变焦专利、光学设计、璃玻非球面镜磨造及塑胶射出参数等相关问题。虽然国有许多厂商己有设计和制造定焦镜头的能力。整个变焦镜头光学架构方面，对我们来说要突破守专利层层关卡障碍并非易事，未来国内厂商必须在光学变焦关键技术突破并取得一些关键专利，利于和其它大厂以交互授权的方式，以取得自主技术的利基。 光学变焦的设计起始点以理想的薄透镜基本理论 1，高斯光学基本理论组成四群光学变焦， 其中二群可移动达到光学变倍群效果23。光学变焦通常藉由轴上滑动某一个镜头组，进而改变光学系统的焦距或倍率。变焦镜头是一种从广角焦距到望远焦距，可以自由伸缩，以取得自己需要的影像大小，而不必改变感测尺寸。 美、日专利中可以发现光学焦的基本结构，美国专利 一个四群组成 (+ - + +)的系统、包含 10 镜片，其中 四个非球面 形成十倍光学变焦 (14，应用于 学变焦。美国专利 一个四群组成 (+ - + +)、包含 15 镜片，利用三个非球面是 六倍的光学变焦 (291935，此专利的特色是超广角约为 75度 。美国专利 一个六群组成108 台北科技大学学报第三十七之二期 109 (+ + + )的变焦系统由 16 镜片组成的5 倍光学变焦 (752926，此专利的特征是非常长的焦距及第二群有防止影振动的补偿功能 。 本研究即是在技术自主的理念下研发摄录影机用的 10 倍变焦镜头，利用高斯光学或一阶光学理论，不考虑透镜组的厚度及任何像差成份，来推论一个简单的光学变焦系统。可以得一个初始架构的 10 倍的光学变焦系统，四群组合的光学变焦系统为一个正、负 、正及正的结构。可以选择合消色差或消像差透镜组代入此光学变焦系统中，可得初步的 10 倍光学变焦系统，使用光学设计软体来改善一阶色差、三阶像差及成像品质。在本文设计的光学变焦使用三个非球面提升成像品质，本研究之特点为超广角的光学变焦及系统总长小于100实施例的广角组态、中间组态及望远组态之有效焦距分别为 光学系统。 贰、变焦理论 四群变焦的光学系统，如图 一个基本的正、负、正、正四群光学变焦系统，光学变焦的群数的增加对于光学补偿效果对增加，此时必定增加机械 结构移动过程中复杂性。目前光学系统设计中，尽可能以最少的移动群数来达到成像品质稳定。这样整体的成本可以减少及机械也不会复杂，有助于产线组装及检测光学成像品质。由于现在电脑的进步，这此些光学系统的方程式，可以由电脑计算出结果是否正确。我们设计一个光学系统也必须依者一个正确方向着手，有助于自己快速设计出一个光学变焦系统。 1u122334uu - + 图 群光学变焦系统 接着我们利用 方法可以再加推导出其它相关的方程式： 4 3 4 34h h u d(4 4 4 4u u h K (由上述两个方程式可以逆推得知3h、2h、1u、27。我可以得知一个在给定 效焦距长，限制光学系统总长为 110以利用 (方程式。 1( 2 )O V L E F L m m (其中 物到成像的距离， 光学系统的有效焦距， m 为光学变焦的放大率。因为第二群为主要的变倍组，如图 第二群和放大率的关系，当第二群最靠近物面的那一端时的放大率定为一倍的广角组态，反之，第二群最靠近成像面的那一端时的放大率定为十倍的望远组态。 攝錄影機用 10 倍光學變焦鏡頭設計 3 110 图 二群和放大率的关系 图 远到广角的变焦的轨迹过程 图 望远到广角各群移动的过程情况，当中可以得知只有第二群和第四群移动，第四群是做为一个补偿成像的位置的形式。 光学软体设定三个有效焦距值且优化而逹到目标值，因为没有考虑任何像差成份的透镜，所以可以快速得知四个理想透镜的 f 值。使用一些可以消色差的透镜组组合成一群透镜组 8。使用 体可以得到初始架构的光学变焦系统 910，图 所示为一个四群变焦群组，相当于 3540有效焦距变动范围。 图 角组态到望远组态光变焦群组 由图 四群的架构为正、负、正、正的理想透镜组，第一群的功能主要聚焦的作用，第二群的功能主要为变倍的作用，第三群为理想透镜组，第四群的功能为补偿成像面的位置。各群组的有效焦距为第一群组(二群组 (三群组 (第四群组(统总长度 (第一面到成像的距离 )为 88 参、光学变焦设计实施例 由以上对像差及光学变焦理论，我们可以很容易使用软体计算各群的 有效焦距，从中可以将 各群的透镜组实际厚透镜的组合，代入光学变焦系统，方便得光学变焦初始架构。 四群组合的 10 倍光学变焦，第一群由二4 台北科技大学学报第三十七之二期 111 个胶合透镜及一个正的透镜组成，形成一个焦距为正的群组。第二群由一个负的透镜及二个胶合透镜组成，形成一个焦距为负的群组。第三群由二个胶合透镜组成，形成一个焦距为正的群。第四群由三个胶合透镜组成，形成一个焦距为正的群组。首先，第一群组为固定群组，由于此群组主要目的是光学系统的聚焦。第二群组为可以移动且为一个变倍的群组，当广角时此群组靠近于物的一端，望远时此群组靠近于像的一端。第三群组为固定群组成，由二个胶合透镜消除像差。由于第一、二、三群组成形作准无焦的光学系统，一般来说，光学系统的重量愈来愈轻，必须加一个第四群让整体光学系统总长缩短，三个胶合透镜的组成目的消除色差及像差的成份，提高成像的品质。 一、设计流程 任何在光学设计为快速而正确的设计方法，在许多不同的讨论中或论文，我们在这提出快速的设计有几种方法。首先，我们可以许多专利中选出适合或架构接近规格，在 J. 人在 2001 年 光学变焦专利的发展 11，在文中曾对两群及三群的光学变焦的分类，在两群分成正负 及负正的结构，在三群针对正负正结构讨论，总共有 58个不同光学变焦专利的讨论，对一位光学设计初学者，提供光学设计者一个很好捷径及方法。第二个方法可以追寻 国际有名的光学设计中吸收一些对成像品质好有名标准镜头 12，提供一些标准镜头及测试透镜组的方法，有助往后光学设计者选者较好的透镜一个最佳的方法。第三个方法是根据吾人一些在光学设计中的经验法则。 在光学变焦的设计的过程中必须先决定一个光学规格，光学规格大致来说，有一些必须注意的项目。目前光学厂可制造的厚度及曲率，这些一般由光学厂给定的条件。为了是光学变焦完成能符合生产的条件，目前的玻璃的中心厚度大于 图 可以了解吾人光学设计一个流程，光学设计初始结构由许多方法，第一从专利找寻比较接近的规格，利用此光学变焦系统的结构为一个初始架构为光学设计的开始，可以在光学软体定义一些限制条件，使此光学系统接近规格内。第二使用理想透镜来设计光学变焦，本研究是使用此方法的设计，由于专利收集及分析中通常由正、负、正及正群组组合作一个大于 10 倍光学变焦。使用一些消色差及像差的透镜组合替代理想透镜，得到一个实际的光学结构。分析此 光学系统的色差及像差成份，并针对某一透镜色差及像差比较严重改善，完成一阶色差及三阶像差基本改善完成，检查成像的品质是否符合规格内， 0%以上。 一般光学变焦的设计的流程，依每一位光学设计而有所不相同，美、日光学设计的起步比我们领先了许多，光学设计的流程对一位从事光学领域一项非常的重要的程序。一个好的光学变焦设计流程及方法，可以找到一个很好的设计起点，这些流程的定义会随着一些规格的不同稍微有变化的情况。在图 的光学攝錄影機用 10 倍光學變焦鏡頭設計 5 112 理想透镜光学变焦设计 初始架构 光学变焦设计开始 光学规格 变焦设计流程中可以先从厂 商的规格了解，因为规格是一项非常重要，光学规格不清楚或不了解开始光学设计，光学完成时发现规格不对时，通常会重头开始设计，光学规格必需很清楚了解，再着手光学变焦的设计，再着手色差及像差改善。 二、规格需求 1. 光源范围： 486656. 格： 1/ (对角线为 53. 素大小为 . F/#： . 有效焦距 ( . 畸变 (50 lp/8. 第一面到成像面的总长 50 lp/像品质是符合规格内，相对照度的问题，如图 角的相对照度及图 对照度在广角组态时的值大于 般的攝錄影機用 10 倍光學變焦鏡頭設計 11 118 光学的相对照度会从上可以得知 好符合在规格内，在光学变焦设计中使用 11 透镜三个非球面，光学变焦的设计是一个超广角的设计，在广角的时半角度为 ，望远端时的半角度为 。所以广角端的全角为 76度望远端的全角为 11 度，从中可以得知广角的畸变要小于 5%是一项非常难的设计。 图 角组态的 图 远组 态的 图 角组态的相对照度 图 远组态的相对照度 肆、结论 光学变焦的设计是目前最热门的的行业，光学变焦大部份的专利权都是掌握在日本的手中，台湾也慢慢切入这一方面人才的培训，光学镜头设计需要长时间的设计经验及实际生产制造。在光学变焦设计最难部份是广角的畸变，由于为了逹到超广角且畸变要小于 4%，对一位光学设计者而言是一项大挑战。加强光学理论的阅读是唯一法门，从与产业界的合作1118 台北科技大学学报第三十七之二期 119 案中培养实战经验，才可以快速设计一个好的光学变焦镜头。 伍、参考文献 1 S. C. . B. “ 2539, 192, 1995. 2 K. “of 21, 12, 2174, 1982. 3 T. “of by , 31, 2265, 1992. 4 A. US “ 2003. 5 Y