幾何光學：光學原理與設計應用

　　傳統變焦距鏡頭的設計是相當困難的工作，本書對變焦系統的結構，利用兩群鏡組式的方法加以分析，可以將其簡化，並同時提出新的變焦鏡頭設計的概念，在新型變焦系統設計的概念用在在兩鏡系統上，可利用變換鏡片的方法達到變化焦距的效果。

　　本書創新之處在於嘗試不同以往伸縮型的變焦鏡頭設計。光學設計是門學問也是門藝術，要完成好的設計需要時間與經驗的累積，雖然傳統光學的理論發展已經相當完備，但其相關應用產品仍然有無窮的潛力，相信未來也將與人們的生活習習相關、趨於便利。

作者簡介

張榮森

　　學歷
　　美國亞里桑那大學光電博士
　　以色列希伯來大學應用物理系碩士
　　中正理工學院物理系學士

　　現職
　　國立中央大學光電科學研究所教授

　　學術專長
　　光電工程、光學設計、視光學、人工智慧、生物晶片奈米光電、微機電製程、腦科學、潛意識科學、中醫科學化

序

第一篇　鏡頭設計的種類
鏡頭設計的種類3
參考文獻28

第二篇　變焦鏡頭自動調焦機的光學系統
第1章｜緒論31
1.1前言32
1.2大綱32
1.3目的32
1.4自動調焦機（Auto-focusing machine）特徵33
1.5優點33
1.6本篇簡介33
第2章｜調焦方式及規格考量35
2.1調焦（Focusing）意義36
2.2調焦方式36
2.3定焦鏡頭調焦之鏡頭移動量37
2.4變焦鏡頭調焦時調焦模組移動量計算38
2.5調焦之規格考量45
第3章｜測出離焦量的原理及計算方式51
3.1前言52
3.2一般準直儀測出離焦量原理52
3.3位相差測出離焦量原理54
3.4明暗比測出離焦量原理56
3.5調焦模組的移動量計算61
第4章｜調焦機光學系統構造65
4.1前言66
4.2光學系統大略66
4.3F治具光學系統66
第5章｜調焦機使用的參數求法69
5.1位相差法離焦測定用的參數求法70
5.2明暗比法之離焦測定用的參數求法71
5.3中繼鏡片（relay lens）的橫倍率（SBR）的求法
5.4位相差光學系的橫倍率（SBI）的求法76
第6章｜各參數的實際計算及調焦結果79
6.1前言80
6.2位相差參數計算80
6.3明暗比參數之計算結果83
6.4調焦結果與規格比較84
第7章｜檢討87
7.1位相差檢知型式88
7.2明暗比之檢知幅度88
7.3樣板大小和CCD檢知器像素數89
7.4後群移動量精密度91
7.5調整困難或不能分析92
7.6外部補正參數94
第8章｜疊紋法之焦面檢查97
8.1前言98
8.2疊紋確認　Bf量優點98
8.3疊紋原理99
8.4疊紋節距與夾角100
8.5疊紋的角度測量焦距102
8.6疊紋實驗裝置103
8.7實驗104
8.8結果與檢討104
8.9小結109
第9章｜結論111
參考文獻124

第三篇　新型變焦鏡頭設計
第1章｜序言127
1.1研究背景128
1.2研究動機128
第2章｜三階像差公式131
2.1三階像差公式132
2.2結構參數表示式134
2.3優化理論──阻尼最小二乘法（Damped Least
Square Method）135
2.4其它設計上的概念[3]137
第3章｜變焦高斯結構分析143
3.1單透鏡系統[7]144
3.2兩群鏡組系統[7][8]145
3.3三群鏡組系統[6][8][10]151
3.4新式變焦鏡頭[11]158
第4章｜設計實例161
4.1設計流程162
4.2設計實例164
第5章｜結論189
參考文獻191

第四篇　輕薄短小的DLP變焦投影鏡頭之設計探討
第1章｜緒論195
1.1前言196
1.2本文目的196
第2章｜DMD簡介197
第3章｜規格決定時的考量205
3.1DMD的選擇206
3.2DMD的offset206
3.3最大像高206
3.4投射的畫面大小206
3.5F no207
3.6變倍比（Zoom ratio）207
3.7對焦（Focusing）範圍207
3.8MTF207
3.9Lateral Color208
3.10歪曲（Distortion）208
3.11周邊光量（Relative Illumination）208
3.12出瞳位置（Exit Pupil Position）208
3.13後焦距208
3.14外形限制208
3.15重量209
第4章｜整理選定的目標規格211
第5章｜鏡頭型式選擇時的考量213
5.1變焦型式的選擇考量214
5.2三群變焦鏡頭的特性及初始架構215
5.3各群鏡片構成219
5.4優化220
第6章｜實際設計結果221
6.1設計值與規格的比較222
6.2鏡頭配置圖223
6.3群間隔變化值224
6.4性能226
6.5公差模擬266
第7章｜結論與討論271
參考文獻272

第五篇　Double Cassegrain紅外線熱成像鏡頭之研究
第1章｜緒論277
1.1前言278
1.2研究目的及範圍279
1.3文獻探討280
1.4研究方法281
第2章｜紅外線熱成像系統簡介283
2.1紅外線系統284
2.2熱輻射及大氣288
2.3探測器及致冷光圈290
2.4光學成像系統292
第3章｜成像品質預估299
3.1整體考量300
3.2光學設計考量301
3.3設計規格305
第4章｜Doublet 折射式鏡頭設計成果309
4.1設計完成規格310
4.2光學性能311
4.3討論318
第5章｜Cassegrain 反射式鏡頭設計成果321
5.1設計完成規格323
5.2光學性能324
5.3討論331
第6章｜Double Cassegrain反射式鏡頭設計成果335
6.1設計完成規格337
6.2光學性能338
6.3討論346
第7章｜總結351
7.1設計成果比較352
7.2研究限制與建議354
參考文獻354

第六篇　利用光扇理論建構初階鏡頭模型與五百萬畫素手機鏡頭設計
第1章｜緒論359
1.1研究背景360
1.2研究目的360
1.3研究方法360
1.4研究貢獻360
第2章｜薄透鏡理論361
2.1薄透鏡的原理362
2.2像差364
2.3光扇（Ray fan）367
2.4光斑（Spot size）369
2.5色散像差（Chromatic aberration）371
2.6形狀因子與光扇光斑間的關係373
第3章｜兩片式與三片式鏡頭的分析377
3.1兩片式鏡頭378
3.2三片式鏡頭380
第4章｜五百萬畫數手機鏡頭設計383
4.1設計流程與規格384
4.2CMOS感測器與CCD感測器的比較386
4.3鏡頭材料選取392
4.4初值計算394
4.5特性分析408
4.6結果412
第5章｜優化413
5.1初階鏡頭模型的優化414
5.2最終模型的結果與分析431
5.3討論437

參考文獻438

附　　件439
（選列張榮森教授發表與本書相關之SCI論文二篇）
1. Design of Double Cassegrain Reflective Mirrors for
Optical System of IR Cameras439
2. Focal Length Measurement by the Analysis of MOIRE
Fringes Using the Wavelet Transformation446

索　　引453

序

　　本書深入淺出，適用於大學及研究所課程，亦可適用於產業界或光電公司之產品研發如：液晶顯示器、LED、太陽能、手機、照相機等光學設計課程。