數位狙擊鏡光學系統

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：73

、訪客IP：3.139.80.43

姓名

王翔生(Siang-Sheng Wang) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

數位狙擊鏡光學系統
(Digital Sniper Scope Optical System)

相關論文

★ 白光LED於住宅照明之設計與應用	★ 超廣角車用鏡頭設計
★ 適用於色序式微型投影機之微透鏡陣列積分器光學系統研製	★ 發光二極體色溫控制技術及其於色序式微型投影機之應用
★ 光學變焦之軌跡優化控制	★ LED光源暨LED與太陽光混和照明於室內照明之模擬與分析
★ 利用光展量概念之微型投影機光學設計方法與實作	★ 光學顯微鏡之鏡頭設計
★ 手機上隱藏式指紋辨識設計	★ DLP微型投影系統之光路設計
★ 高效率藍光碟片讀取頭	★ 模組化雙波長光學讀寫頭的設計與光學讀寫頭應用在角度量測的研究
★ 數位相機之鏡頭設計	★ 單光電偵測器之複合式光學讀寫頭
★ 三百萬畫素二點七五倍光學變焦手機鏡頭設計	★ 稜鏡玻璃選取對色差的影響與校正

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

至系統瀏覽論文 (2029-4-10以後開放)

摘要(中)

本論文設計一種口徑為40 mm、放大倍率為十六倍的狙擊鏡光學系統。該狙擊鏡光學系統可以分為物鏡系統、反轉鏡系統和目鏡系統。我們分別對這三個系統進行設計。物鏡系統具有最大0.7度的半視角入射角度，176 mm的焦距，以及40 mm的入瞳口徑；反轉鏡系統的橫向放大率為2倍；目鏡系統則擁有最大11.06度的半視角出射角度，22 mm的焦距，2.5 mm的出瞳，並在50 mm的良視距離內提供清晰的視野。最終，確保它們在保持初階規格的條件下將這三個系統組合成一個狙擊鏡系統。
此研究提出一種適用於狙擊鏡之數位攝影機光學系統設計。該系統使用500萬畫素的CCD影像感測器，其有效面積尺寸為2.903 mm × 2.177 mm，焦距為9.282 mm，半視角範圍為11.06°，F/# 為3.71。
針對數位狙擊鏡所含的四個系統，我們分別進行波前像差、光學畸變和橫向色差的全面分析。在各系統獨立完成設計後，再進行公差分析，以確保每個系統都滿足預定的設計要求。在各系統完成後，將狙擊鏡的三個鏡組組合成一個狙擊鏡系統，其放大倍率為16X，最後接上數位攝影機系統，可將狙擊鏡的影像能供給人眼或數位攝影機使用。

摘要(英)

This thesis presents the optical system design of a sniper scope with a caliber of 40 mm and a magnification of sixteen times. The sniper scope optical system comprises three main components: the objective lens system, the erecting prism system, and the eyepiece system. Each of these systems was designed individually.
The objective lens system has a maximum semi-field angle of 0.7 degrees, a focal length of 176 mm, and a 40 mm entrance pupil diameter. The erecting prism system provides a lateral magnification of 2 times. The eyepiece system offers a maximum semi-field angle of 11.06 degrees, a focal length of 22 mm, a 2.5 mm exit pupil, and ensures clear vision within a 50 mm eye relief distance. Finally, the three systems are combined into one sniper scope system while maintaining the initial specifications.
This thesis presents an optical system design for a digital camera suitable for sniper scopes. The system utilizes a 5-megapixel CCD image sensor with an effective area size of 2.903 mm × 2.177 mm, a focal length range of 9.282 mm, a half field of view of 11.06°, and an F/# of 3.71.
Comprehensive analyses of wavefront aberration, optical distortion, and lateral chromatic aberration were conducted for the three systems of the sniper scope and the zoom digital camera system. After the independent design of each system, tolerance analysis was performed to ensure that each system meets the specified design requirements. Upon completion of each system, the three lens groups of the sniper scope are assembled into one sniper scope system with a magnification of 16X, and then connected to the digital camera system to provide images for either human eyes or digital cameras.

關鍵字(中)

★ 狙擊鏡
★ 數位狙擊鏡
★ 物鏡
★ 反轉鏡
★ 目鏡
★ 光學變焦攝影機系統

關鍵字(英)

★ Sniper scope
★ Digital sniper scope
★ Objective lens
★ Prism
★ Eyepiece
★ Eyepiece, Optical zoom camera system

論文目次

摘要 i
Abstract ii
致謝 iv
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 xi
第一章緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-2-1 狙擊鏡的發展 2
1-2-2 數位攝影機鏡頭發展 3
1-3 章節概要 6
第二章原理與系統架構 8
2-1 基本光學原理 8
2-1-1 符號定義 8
2-1-2 像高、半視角與有效焦距的關係 9
2-1-3 橫向放大率 10
2-1-4 折射不變量(Refraction Invariant)與拉氏不變量(Lagrange Invariant) 13
2-2 狙擊鏡系統 14
2-2-1 物鏡系統 15
2-2-2 反轉鏡系統 16
2-2-3 目鏡系統 18
2-2-4 狙擊鏡系統架構 19
2-2-5 狙擊鏡系統公式 22
2-3 數位攝影機 23
2-3-1 X(水平)像高、Y(垂直)像高、XY(對角)像高 23
2-3-2 水平視場、垂直視場、對角視場 24
2-4 MTF、光學畸變、電視畸變、橫向色差之原理介紹 26
2-4-1 MTF 26
2-4-2 TMTF, SMTF與像散關係 28
2-4-3 光學畸變(Optical distortion) 28
2-4-4 電視畸變(TV distortion) 29
2-4-5 橫向色差(Lateral color) 30
2-5 其他 31
2-5-1 非球面方程式 31
2-5-2 玻璃折射率計算方式和波長的關係 33
2-5-3 非球面玻璃鏡片與其Tg值關係 34
2-5-4 艾里斑(Airy disk) 35
2-5-5 定心係數 36
第三章初階設計 39
3-1 狙擊鏡設計 39
3-1-1 出瞳大小與良視距離的決定 39
3-1-2 物鏡口徑與放大倍率的決定 41
3-1-3 視角的決定 42
3-1-4 RMS 與 Strehl ratio 44
3-2 數位攝影機鏡組設計 46
3-2-1 感測器規格 46
3-2-2 像高、半視角、焦距計算 46
3-2-3 光圈 47
3-2-4 MTF 48
3-2-5 橫向色差 49
3-3 設計規格整理 50
第四章設計結果 53
4-1 狙擊鏡設計 54
4-1-1 優化過程 54
4-1-2 物鏡設計 57
4-1-3 反轉鏡設計 61
4-1-4 目鏡設計 65
4-2 數位攝影機設計 69
4-2-1 優化過程 69
4-2-2 數位攝影機鏡組設計 70
4-2-3 成像品質分析 72
4-2-4 畸變分析 73
4-2-5 橫向色差分析 74
4-3 數位狙擊鏡設計 75
4-3-1 接合分析 75
4-3-2 設計分析 76
4-3-3 成像品質分析 81
第五章公差分析 82
5-1 公差介紹 82
5-2 公差範圍 83
5-3 公差分析流程 85
5-4 公差結果 87
5-4-1 物鏡 87
5-4-2 反轉鏡 88
5-4-3 目鏡 90
5-4-4 數位攝影機鏡組 91
第六章結論與未來展望 94
6-1 結論 94
6-2 未來展望 95
參考文獻 96

參考文獻

[1] https://www.itnews.com.au/news/us-army-delays-rellout-of-microsolf-ar-goggles-571328
[2] https://cxocard.com/ar-uses-in-military/
[3] https://web.archive.org/web/20101024174728/http://www.snipercountry.com/Articles/1860TargetRifle.asp
[4] Earle N.Phillips, Roanoke ,Va, “TELESCOPIC SIGHT FOR DAY/NIGHT VIEWING, ” United States Patent,US005084780A (1992)
[5] M. F. Tompsett,“Charge transfer imaging devices,”U.S. Patent 4,085,456 (18 April 1978).
[6] S.K. Nayar, “Computational Cameras: Redefining the Image,” Proc. SPIE 6213, 30-38 (2006).
[7] T. A. Jackson, C. S. Bell, “A 1.3 megapixel resolution portable CCD electronic still camera,” Proc. SPIE 1448, 2-12 (1991).
[8] T. Binder, F. Kriener, C. Wichner, “How to make a small phone camera shoot like a big DSLR:creating and fusing multi-modal exposure series,” Proc. SPIE 8291, 829106-1-10 (2012).
[9] 鍾承鎧，「手勢辨認使用飛時相機應用於智慧型眼鏡」，國立臺灣大學資訊工程研究所(2023)。
[10] https://www.asia-optical.com/product_detail.php?serial=7506&lang=tc
[11] W. S. Sun, C. L. Tien, J. W. Pan, K. C. Huang, P. Y. Chu, “Simulation of autofocus lens design for a cell phone camera with object distance from infinity to 9.754 mm,” Appl. Opt. 54, E203-E209 (2015).
[12] 孫文信，「幾何光學」，中央大學光電科學與工程學系(2022)。
[13] D. Malacara and Z. , “Malacara,Telescope Eyepieces ,” in Handbook Of Optical Design,Second Edition, Marcel Dekker (2004)
[14] Smith, W. J., “The Foucault Test in Modern Optical Engineering, ” (2000).
[15] https://www.getit01.com/p20190306551580992/
[16] https://www.kui.com.tw/PA25666D25712SO9/
[17] https://www.sgss8.net/tpdq/24840828/
[18] https://www.sohu.com/a/657116799_121116014
[19] Goodman, J. W., “Introduction to Fourier optics ,” Roberts and Company publishers (2005).
[20] 孫文信，「光學系統設計」，中央大學光電科學與工程學系(2015)。
[21] 孫文信，「幾何光學」，中央大學光電科學與工程學系(2010)。
[22] "Schott abbe diagram nd-vd jam".
[23] Schott, “TIE-29: Refractive index and dispersion, ” in Proc. Schott Technical information U.S (2016).
[24] Wyant, J. C., Creath, K. J. A. o., “Basic wavefront aberration theory for optical metrology, ” 11(part 2), 28-39 (1992).
[25] Hua, H., Krishnaswamy, P., & Rolland, J. P. J. O. E. , “Video-based eyetracking methods and algorithms in head-mounted displays, ” 14(10), 4328-4350 (2006).
[26] https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%9E%B3%E5%AD%94
[27] Smith, W. J. , “Modern Optical Engineering, Third Edition, ” McGraw-Hill Companies, Inc., Chap. 5 (2000).
[28] http://www.arms-cool.net/viewtopic.php?t=2220
[29] 林岦品，「狙擊鏡光學設計與其瞄準系統設定」，國立中央大學光電科學研究所(2022)。
[30] A. J. M. Janssen, S. V. Haver, P. Dirksen and J. J. M. Braat , “Zernike representation and Strehl ratio of optical systems with variable numerical aperture, ” Journal of Modern Optics 55, 1127-1157 (2008).
[31] V. N. Mahajan, “Strehl ratio for primary aberrations: some analytical results for circular and annular pupils, ” J. Opt. Soc. Am. 72, 1258 (1982).
[32] http://compotech.com.tw/a/ji_fen_/xi_jizhou_/_weixiao_0/2008/1009/19041.html
[33] https://snapshot.canon-asia.com/tw/article/zh_tw/camera-basics-16-aperture-priority-ae
[34] https://snapshot.canon-asia.com/tw/article/zh_tw/camera-basics-1-aperture
[35] Horst, K. , “Two-lens telescope objective with reduced secondary spectrum, ” Google Patents (1958).
[36] Shannon, R. R., “Tolerancing Technique, ” in Handbook of Optics I, chap. 36, McGraw-Hill (2009).

指導教授

孫文信(Wen-Hsin Sun)

審核日期

2024-4-24

推文