李正中

傳統的光學系統的景深可以藉由降低光焦度、增加最小模糊圈容許度或是提高系統複雜度等方式來延伸。隨著繞射理論的興起，近年來許多研究開始發展波前編碼技術，許多研究利用了各種形式的相位元件，放置於孔徑光闌或出瞳，以延伸非同調光學系統中的景深。然而，波前編碼技術仍遭遇了一些困難，例如，將相位元件放置在孔徑光闌或出瞳的位置並非適用於各種系統，因為這會導致相位元件與系統機構或相鄰的透鏡互相碰撞。另外，若出瞳的位置並非位於後焦區域，則無法正確的調製波前。因此，在本論文中，本研究以立方相位板為例，通過調整立方相位板的立方係數與折射率，來使該元件可以彈性化地改變放置位置，或是於透鏡表面調變波前，同時保有相同的編碼強度，以維持正確的編碼結果。本論文以反射式、穿透式與投影式的光學系統來呈現彈性立方相位板與波前編碼之應用。首先，以反射式望遠鏡為例，立方相位板的位置改變後，該元件的直徑縮小了近三倍，並且多項式表面的立方係數提高了兩個數量級，因此，在尺寸縮小與精度降低的情況下，以減輕製造困難。再來，對顯微鏡物鏡的例子來說，本研究於透鏡表面上使用立方相位調製用以替換單個孔徑光闌的立方相位板，解決了在某些情況下會與光學元件和機械裝置發生碰撞之情形，並且降低了組裝難度。所以，具有靈活性且不損失照明水平的顯微鏡亦可以提高顯微學應用的效率。然而，考慮到離軸像差之劇烈影響，立方相位板應用在非近軸視場角的光學系統時，其效能相當受限。因此，本論文以雙高斯系統為例，提出了分離立方相位板於不同透鏡表面之方法。此方法利用不同的分配因子來調整不同的透鏡表面的編碼強度，以使得相位變化得以接近獨立於各個視場。所以，在立方相位板的位置、折射率於立方係數皆可調整的情況下，本論文以理論與應用呈現了彈性立方相位板延伸景深的可行性。最後，在不受限於立方相位板必須放置在孔徑光闌的限制條件下，本論文將立方係數應用至凹面鏡上以呈現波前編碼穿透式顯示器之應用，同時延伸投影影像之景深，該研究利用反向波前編碼程序使得人眼無需來回對焦於物體與投影影像以提高安全性。