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1 國 立 虎 尾 科 技 大 學 光 電 與 材 料 科 技 研 究 所 碩 士 論 文 360 度 鏡 頭 雜 散 光 分 析 360-Degree Lens Flare & Ghost Analysis 研 究 生 : 李 敏 男 指 導 教 授 : 謝 振 榆 博 士 中 華 民 國 100 年 1 月 i

2 360 度 鏡 頭 雜 散 光 分 析 360-Degree Lens Flare & Ghost Analysis 研 究 生 : 李 敏 男 指 導 教 授 : 謝 振 榆 Student:Min-Nen Lee Advisor:Jen-Yu Shieh 國 立 虎 尾 科 技 大 學 光 電 與 材 料 科 技 研 究 所 碩 士 論 文 A Thesis Submitted to Institute of Electro-Optical and Materials Science College of Electrical and Computer Engineering National Formosa University in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science January TAIWAN 中 華 民 國 100 年 1 月 ii

3 iii

4 中 文 摘 要 隨 著 全 球 數 位 化 的 發 展, 與 網 路 通 訊 的 精 進, 視 訊 會 議 已 是 全 球 化 的 潮 流, 因 此 視 訊 鏡 頭 的 開 發 亦 顯 的 重 要, 對 視 訊 鏡 頭 解 像 品 質 而 言, 光 學 性 能 佔 據 了 很 重 要 的 部 份, 然 而 在 光 學 系 統 不 需 要 或 是 額 外 衍 生 出 來 的 光 線, 稱 為 雜 散 光 或 鬼 影, 此 雜 散 光 會 降 低 影 像 品 質, 且 會 遮 蔽 系 統 中 微 弱 的 訊 號, 降 低 訊 雜 比 與 對 比 度, 而 降 低 鏡 頭 解 像 本 論 文 主 要 是 以 光 學 設 計 軟 體, 搭 配 雜 散 光 模 擬 軟 體, 進 行 開 發 及 分 析 360 度 鏡 頭 之 雜 散 光 對 MTF 影 響, 並 探 討 2P3G 的 鏡 頭 組 入 瞳 (Stop) 位 置, 將 同 樣 是 中 置 光 圈 的 鏡 頭, 入 瞳 位 置 在 Lens 2 S2 或 Lens 3 S1 面, 經 由 光 線 追 跡 軟 體 的 模 擬 與 分 析, 並 可 得 到 最 佳 鏡 頭 的 入 瞳 位 置, 以 達 到 解 像 及 效 率 最 佳 狀 況 利 用 光 學 設 計 與 光 線 追 跡 軟 體 模 擬 與 分 析, 可 得 到 鏡 頭 結 構 入 瞳 最 佳 位 置, 並 透 過 雜 散 光 發 出 的 能 量 照 度 分 析 圖, 可 有 效 的 修 正 鏡 頭 結 構 設 計, 避 免 後 工 程 人 力 時 間 與 金 錢 的 浪 費, 已 達 成 實 際 開 發 之 需 求, 做 為 後 續 視 訊 鏡 頭 開 發 設 計 之 參 考 方 向 關 鍵 字 :360 度 鏡 頭 雜 散 光 鬼 影 iv

5 Abstract By digital development and Internet communication improvement,video conference becomes a trend globally. Therefore,Video camera also play an important role.based on quality of video camera resolution, optical design has a huge impact. Due to poor optical design, it will produce avoidless light, called flare or ghost to influence camera quality and resolution. This essay is based on optical design software CODE V, using flare simulation Light Tools to develop and analyze 360 degree camera the influence of flare which may affect MTF. In addition, this essay will include research of 2P3G camera,using same Lens 2 S2 or Lens 3 S1 part, through simulation and analysis of light tracking software, to figure out the best position for better resolution and efficiency. Using optical design and light tracking software to simulate and analyze, we can obtain best position to design camera module, through flare distribution and analysis chart, we can modify better camera structure to avoid redo,waste time v

6 and money, to achieve practical developing requirement for future video camera design reference. Key word : 360 degree Lens, Flare, Ghost, raytrace vi

7 誌 謝 首 先 誠 摯 的 感 謝 指 導 教 授 謝 振 榆 博 士 悉 心 的 指 導 及 鼓 勵, 使 我 在 撰 寫 論 文 的 過 程 當 中, 得 以 掌 握 正 確 的 研 究 方 向, 並 學 習 如 何 收 集 和 整 理 資 料, 才 能 讓 論 文 撰 寫 順 利 完 成 在 虎 尾 科 技 大 學 產 業 碩 士 專 班 生 活 中, 讀 書 與 寫 論 文 的 這 一 段 日 子 裡, 由 於 一 邊 讀 書 一 邊 上 班 工, 體 會 到 兩 種 完 全 不 同 的 學 境 環 境, 了 解 到 學 習 與 實 作 的 重 要 性, 兩 者 缺 一 不 可 的, 同 時 體 會 團 體 合 作 與 技 術 交 流 的 重 要, 更 能 提 昇 彼 此 之 間 的 技 術 與 開 發 能 力 在 這 也 特 別 的 感 謝 光 燿 科 技 公 司 的 實 習 指 導, 感 謝 貴 公 司 及 各 位 指 導 員 提 供 相 當 多 的 精 密 儀 器 設 備, 做 為 本 人 學 習 實 作 求 學 之 用, 更 教 導 如 何 應 付 將 來 工 作 上 的 職 場 論 理 同 時 也 感 謝 光 燿 科 技 相 關 主 管 的 支 持 和 教 誨, 同 學 鴻 達 實 孝 叡 易 竹 山 承 翰, 就 學 期 間 互 相 鼓 勵 互 相 扶 持, 一 起 渡 過 課 業 上 的 難 題, 最 後 還 要 感 謝 家 人 的 支 持, 由 於 全 家 人 的 支 持 才 能 在 碩 士 專 班 中, 得 到 最 佳 的 精 神 支 柱, 使 我 在 學 校 生 活 上 能 無 後 顧 之 憂 的 完 成 學 業, 並 在 此 祝 各 位 師 長 與 同 學 們 能 在 未 來 的 日 子 身 體 健 康, 事 事 如 意 vii

8 目 錄 中 文 摘 要 i Abstract iii 致 謝 iv 目 錄 vi 表 目 錄 vii 圖 目 錄 Viii 第 一 章 緒 論 前 言 文 獻 回 顧 研 究 動 機 論 文 架 構 10 第 二 章 原 理 鏡 片 的 分 類 非 球 面 的 定 義 公 鏡 片 材 質 分 類 鏡 頭 孔 徑 光 欄 與 入 瞳 介 紹 鏡 頭 對 比 度 的 概 念 鏡 頭 MTF 解 析 度 鏡 頭 MTF 解 讀 CODE V & MTF 評 價 鏡 頭 雜 散 光 原 理 鏡 頭 雜 散 光 分 析 與 評 價 慨 念 29 第 三 章 研 究 方 式 光 學 系 統 規 格 與 Sensor 規 格 確 認 光 學 設 計 機 構 設 計 光 線 追 跡 鏡 頭 組 立 鏡 頭 逆 投 影 分 析 鏡 頭 MTF 測 試 分 析 鏡 頭 實 拍 測 試 67 第 四 章 實 驗 結 果 光 學 設 計 結 果 比 較 利 用 Light Tools 光 線 追 跡 模 擬 鏡 頭 MTF 測 試 結 果 分 析 80 viii

9 4.4 鏡 頭 實 拍 測 試 比 較 鏡 頭 效 力 測 試 結 果 87 第 五 章 結 論 結 論 未 來 展 望 90 參 考 文 獻 91 Extended Abstract 簡 歷 ix

10 表 目 錄 表 視 訊 會 議 系 統 種 類 與 應 用 特 性 表 格 5 表 視 訊 會 議 設 備 機 種 比 較 6 表 光 學 塑 膠 鏡 片 使 用 材 料 物 性 表 18 表 常 用 的 光 學 鏡 片 才 利 物 性 比 較 20 表 3-1 雜 散 光 驗 證 開 發 製 作 所 需 各 項 設 備 37 表 鏡 頭 模 組 規 格 38 表 鏡 頭 光 學 設 計 參 數 40 表 鏡 頭 塑 膠 鏡 片 光 學 非 球 面 係 數 41 表 逆 投 影 記 錄 60 x

11 圖 目 錄 圖 為 SONY PSC-1 機 型 7 圖 為 Polycom VSC7000e 機 型 7 圖 為 Tandberg 6000 機 型 8 圖 凸 透 鏡 與 凹 透 鏡 10 圖 片 式 非 球 面 鏡 片 30 萬 畫 素 鏡 頭 11 圖 片 式 非 球 面 鏡 片 130/300 萬 畫 素 鏡 頭 12 圖 片 式 非 球 面 鏡 片 500/800 萬 畫 素 鏡 頭 12 圖 二 次 元 錐 曲 線 14 圖 球 面 像 差 15 圖 軸 向 色 差 16 圖 孔 徑 光 欄 與 出 入 瞳 關 係 圖 21 圖 2-4-1(a) MTF 投 影 解 像 分 析 圖 22 圖 2-4-1(b) 一 般 投 影 解 像 分 析 圖 22 圖 MTF 投 影 解 析 分 析 圖 23 圖 業 界 實 物 中 常 用 的 MTF 調 製 轉 換 函 數 的 圖 例 24 圖 攝 影 鏡 頭 MTF 解 讀 範 例 圖 25 圖 對 應 MTF 之 對 比 度 與 解 析 度 影 像 比 較 圖 26 圖 CODE V MTF 圖 示 27 圖 鏡 頭 MTF Through focus & DOF 27 圖 折 反 射 式 望 遠 系 統 中 的 光 原 質 射 29 圖 Ghost 鬼 影 30 圖 雜 散 光 導 致 影 像 品 質 對 比 降 低 31 圖 內 部 結 構 件 的 反 射 33 圖 雜 散 光 拍 攝 方 式 34 圖 Flare 雜 散 光 35 圖 Ghost 鬼 影 35 圖 3-1 鏡 頭 Flare 驗 證 流 程 圖 36 圖 Sensor 規 格 與 成 向 區 域 示 意 圖 39 圖 感 測 器 成 像 位 置 39 圖 鏡 頭 玻 璃 鏡 片 的 R 值 數 據 41 圖 鏡 頭 光 路 示 意 圖 42 圖 鏡 頭 MTF Through Focus 43 圖 3-2-7(a) 鏡 頭 MTF 全 頻 品 質 43 圖 3-2-7(b) 鏡 頭 MTF & Field 性 能 44 圖 鏡 頭 Chief Ray Angle ( 像 面 主 光 線 角 度 ) 44 圖 鏡 頭 之 相 對 照 度 示 意 圖 45 xi

12 圖 鏡 頭 之 像 散 與 畸 變 45 圖 鏡 頭 TV distortion 46 圖 鏡 頭 橫 向 色 差 46 圖 鏡 頭 像 平 面 光 點 分 佈 圖 47 圖 內 部 機 構 件 48 圖 內 部 塑 膠 Lens 圖 49 圖 內 部 玻 璃 Lens 圖 49 圖 鏡 頭 2D 機 構 光 路 圖 50 圖 鏡 頭 組 立 結 構 圖 50 圖 Light Tools 建 立 的 機 構 圖 51 圖 光 跡 圖 0 度 角 模 擬 52 圖 光 跡 圖 10 度 角 模 擬 52 圖 光 跡 圖 20 度 角 模 擬 53 圖 光 跡 圖 30 度 角 模 擬 53 圖 光 跡 圖 40 度 角 模 擬 53 圖 光 跡 圖 50 度 角 模 擬 54 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 54 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 54 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 55 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 55 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 56 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 56 圖 鏡 頭 組 立 圖 57 圖 度 鏡 頭 實 體 照 片 58 圖 PD-100 逆 投 影 機 台 59 圖 逆 投 影 成 像 原 理 59 圖 MTF 測 試 機 台 62 圖 MTF 機 台 Chart 佈 點 位 置 圖 63 圖 MTF 機 台 判 定 鏡 頭 Through Forcus 曲 線 圖 63 圖 鏡 頭 MTF 機 台 測 試 數 值 64 圖 鏡 頭 MTF 機 台 測 試 數 值 折 線 圖 圖 鏡 頭 MTF 機 台 測 試 數 值 折 線 圖 圖 鏡 頭 組 到 模 組 上 示 意 圖 圖 鏡 頭 組 到 模 組 上 示 意 圖 圖 鏡 頭 拍 攝 Chart 解 像 確 認 67 圖 鏡 頭 在 辦 公 室 環 境 雜 散 光 實 拍 67 圖 度 單 鏡 頭 拍 攝 效 果 68 xii

13 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 69 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面, 鏡 頭 焦 點 散 開 70 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 多 條 光 線 模 擬, 焦 點 散 開..70 圖 光 機 圖 0 度 角 模 擬 71 圖 光 機 圖 10 度 角 模 擬 71 圖 光 機 圖 20 度 角 模 擬 72 圖 光 機 圖 30 度 角 模 擬 72 圖 光 機 圖 40 度 角 模 擬 73 圖 光 機 圖 50 度 角 模 擬 73 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 74 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 75 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 76 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 77 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 78 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 79 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 MTF 量 測 數 據 80 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 MTF 量 測 數 據 折 線 圖 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 MTF 量 測 數 據 折 線 圖 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 MTF 量 測 數 據 81 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 MTF 量 測 數 據 折 線 圖 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 MTF 量 測 數 據 折 線 圖 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同 MTF 數 據 差 異 82 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同 MTF 平 均 值 比 較 折 線 圖 82 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同 MTF Min 比 較 折 線 圖 82 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同 MTF Max 比 較 折 線 圖 83 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面, 成 像 品 質 較 稅 力 84 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面, 成 像 品 質 不 佳 84 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同 MTF 平 均 值 比 較 折 線 圖 85 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 設 定 錯 誤, 成 像 品 質 不 佳 86 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 設 定 正 確, 成 像 品 質 銳 力 86 圖 實 際 拍 攝 辦 公 室 燈 管 87 圖 鏡 頭 MTF 量 測 數 據 平 均 MTF & Max 差 異 值 88 xiii

14 第 一 章 緒 論 1.1 前 言 隨 著 全 球 數 位 化 的 發 展, 光 學 產 業 無 疑 已 經 是 各 國 發 展 的 重 點 指 標 之 一, 成 像 光 學 台 灣 亦 是 引 領 世 界 的 領 頭 羊, 佔 有 舉 足 輕 重 的 地 位 隨 著 網 路 通 訊 的 精 進, 視 訊 會 議 已 是 公 司 全 球 化 的 潮 流, 視 訊 鏡 頭 的 開 發 亦 顯 的 重 要, 然 而 360 度 視 訊 鏡 頭 已 是 產 業 開 發 的 重 點 之 一 1.2 文 獻 回 顧 2007 年 林 彥 兆 提 出 手 機 鏡 頭 中 的 雜 散 光 構 成 因 素 不 同 於 相 機 鏡 頭 與 投 影 機 鏡 頭, 傳 統 相 機 與 投 影 機 鏡 頭 雜 散 光 發 生 時, 光 線 多 經 由 鏡 筒 反 射 或 邊 緣 漏 光 所 造 成, 若 改 變 鏡 筒 擋 光 板 (baffle) 結 構 形 狀 或 追 加 遮 光 片 (sheet) 改 變 口 徑 大 小, 可 以 減 輕 大 部 分 的 雜 散 光 ; 手 機 鏡 頭 因 為 尺 寸 的 縮 小, 鏡 片 邊 緣 形 狀 結 構 也 會 引 發 出 反 射 造 成 雜 散 光 除 了 改 變 遮 光 片 的 口 徑 大 小 與 改 變 擋 光 板 上 形 狀 結 構 外, 在 本 論 文 中, 利 用 改 變 鏡 片 有 效 徑 外 的 形 狀 結 構, 來 抑 制 雜 散 光 此 論 文 以 兩 片 式 百 萬 畫 素 手 機 鏡 頭 實 驗, 模 擬 分 析 雜 散 光 的 路 徑, 並 以 傳 統 手 法 做 初 步 改 善, 再 配 合 鏡 片 形 狀 變 更 的 新 手 法 達 到 更 佳 的 狀 態 ; 以 傳 統 遮 蔽 手 法 縮 小 口 徑 時, 可 以 將 原 本 雜 散 光 平 均 能 量 比 0.083% 的 鏡 頭 改 善 到 0.019%, 若 再 經 由 鏡 片 有 效 徑 外 的 形 狀 結 構 改 變, 將 可 改 善 到 雜 散 光 平 均 能 量 比 0.003% 的 程 度, 其 內 容 僅 探 討 鏡 筒 擋 光 板 - 1 -

15 (baffle) 結 構 口 徑 大 小, 未 研 究 其 雜 散 光 對 MTF 影 響 年 張 良 有 說 明 以 光 機 設 計 軟 體 Trace pro 搭 配 3D 機 構 設 計 軟 體 Pro-Engineer, 開 發 改 善 分 析 二 百 萬 畫 素 小 型 鏡 頭 模 組 之 雜 散 光 問 題, 將 採 取 以 低 成 本 塑 膠 成 型 鏡 頭 作 為 改 善 的 目 標, 以 整 顆 鏡 頭 結 構 的 設 計 改 善 作 為 目 標 加 以 模 擬 分 析 : 以 三 片 塑 膠 鏡 片 分 析 改 善 機 構 件 對 雜 散 光 的 影 響 與 改 善 對 策, 結 合 軟 體 光 線 追 跡 優 化 函 數 之 搭 配, 進 行 結 構 光 線 分 析 之 最 佳 化, 透 過 雜 散 光 發 出 的 能 量 強 度 分 析 圖, 有 效 的 修 正 結 構 參 數 設 計 值, 改 善 後 工 程 人 力 驗 證 解 析 拍 攝 的 缺 點 與 盲 點 採 取 以 軟 體 成 像 品 質 分 析 與 製 程 上 之 解 析 評 價 過 程 相 互 比 對, 最 後 成 功 達 到 實 際 比 對 的 效 益 性, 成 像 品 質 提 昇 達 成 實 際 開 發 之 需 求 其 設 計 架 構 是 以 Trace Pro 軟 體 進 行 雜 散 光 模 擬, 本 論 問 是 利 用 Light Tools 進 行 雜 散 光 對 MTF 的 模 擬 年 梁 永 福 說 明 以 單 波 長 準 直 雷 射 配 合 模 擬 軟 體 進 行 研 究, 首 先 實 拍 確 認 成 像 品 質 並 使 用 軟 體 模 擬 比 對 雜 散 光 成 像 能 量 和 雜 散 光 的 準 直 光 之 路 徑, 再 依 光 學 模 擬 角 度 使 用 單 波 長 準 直 雷 射 光 確 認 路 徑 並 實 拍 照 片 分 析 實 拍 雜 散 光 能 量, 以 模 擬 之 結 果 提 出 更 準 確 的 鏡 頭 雜 散 光 改 善 方 法, 改 善 後 再 以 此 系 統 確 認 比 較 改 善 前 後 之 效 果 實 驗 結 果 針 對 雜 散 光 不 同 的 成 因 改 善 效 果 最 高 可 達 99%, 幾 乎 在 實 拍 成 像 上 可 以 看 不 到 Flare 之 現 象 透 過 此 研 究, 以 單 波 長 準 直 雷 射 光 的 應 - 2 -

16 用 結 合 模 擬 軟 體 的 分 析 能 有 效 的 找 出 雜 散 光 的 產 生 路 徑 並 將 能 量 量 化, 且 應 用 模 擬 找 出 之 雜 散 光 路 徑 結 合 適 當 的 製 程 改 善 方 案 或 光 機 結 構 的 設 計 變 更 以 達 到 雜 散 光 的 抑 制, 使 鏡 頭 能 得 到 更 好 的 成 像 品 質 此 文 以 單 波 長 準 直 雷 射 光 的 應 用, 結 合 模 擬 軟 體 的 分 析, 應 用 模 擬 找 出 之 雜 散 光 路 徑 結 合 適 當 的 製 程 改 善 方 案 或 結 構 的 設 計 變 更 以 達 到 雜 散 光 的 抑 制, 使 鏡 頭 能 得 到 更 好 的 成 像 品 質, 本 論 文 則 是 以 這 種 概 念 為 基 礎 進 行 實 際 設 計 與 研 究 研 究 動 機 隨 著 全 球 數 位 化 發 展, 目 前 視 訊 會 議 系 統 正 進 入 一 個 欣 欣 向 榮 的 快 速 發 展 階 段, 新 興 的 視 訊 會 議 系 統 設 備 製 造 商 源 源 不 斷 地 進 入 需 求 日 益 膨 脹 的 市 場 可 以 說, 遠 程 視 訊 終 端 設 備 和 網 絡 視 訊 通 信 設 備 在 未 來 幾 年 有 很 大 的 市 場 潛 力, 將 得 到 大 面 積 的 普 及 另 外 隨 著 市 場 的 持 續 升 溫, 各 廠 商 已 陸 續 投 入 巨 大 的 精 力, 來 進 行 產 品 的 開 發 和 製 造 新 的 業 務 需 求, 如 遠 程 教 學 遠 程 監 控 視 訊 聊 天 等 等, 使 視 訊 會 議 系 統 切 入 個 人 應 用 領 域 成 為 可 能, 並 使 市 場 需 求 迅 速 擴 大 然 而, 市 場 上 還 沒 有 成 熟 的 產 品 和 合 理 的 運 營 模 式, 導 致 設 備 供 應 商 和 服 務 提 供 商, 對 這 些 需 求 都 處 於 起 步 和 探 索 階 段, 只 要 誰 先 踏 出 一 步, 誰 就 可 能 成 為 競 爭 市 場 中 的 勝 利 者 - 3 -

17 視 訊 會 議 系 統 未 來 的 發 展 趨 勢 有 以 下 幾 點 : (1) 編 解 碼 方 式 由 硬 件 向 軟 件 轉 化 : 由 於 計 算 機 處 理 速 度 的 提 高, 許 多 需 要 專 用 的 設 備 進 行 數 據 處 理, 此 過 程 可 以 交 由 計 算 機 計 算 來 完 成, 但 在 效 果 上 並 沒 有 太 大 的 區 別 (2) 市 場 重 心 向 低 價 位 普 通 用 戶 市 場 轉 移 : 由 於 網 絡 條 件 技 術 水 平 生 產 工 藝 等 因 素 在 該 時 期 內 的 變 化, 視 訊 會 議 系 統 已 經 從 高 價 位 專 用 市 場 走 向 低 價 位 普 通 用 戶 市 場 的 轉 移 (3) 多 媒 體 廣 播 技 術 應 用 越 來 越 多 : 大 部 分 廣 播 會 議 如 網 路 上 演 採 訪 現 場 會 議, 主 要 為 了 用 戶 傳 輸 多 媒 體 信 息, 相 互 之 間 的 交 流, 這 種 技 術 的 應 用 可 對 傳 統 視 訊 會 議 功 能 的 擴 展 (4) 企 業 虛 擬 合 作 應 用 : 大 多 數 的 跨 國 企 業 集 團 和 分 支 機 構, 在 使 用 視 訊 會 議 系 統 時, 除 了 會 議 功 能 外, 使 用 最 為 頻 繁 的 將 是 虛 擬 合 作, 如 遠 程 的 項 目 管 理 客 戶 服 務 技 術 培 訓 等 等, 這 種 應 用 在 知 識 型 企 業 特 別 明 顯 (5) 電 訊 服 務 市 場 進 入 啟 動 階 段 : - 4 -

18 金 融 行 業 企 業 集 團 跨 國 公 司 及 政 府 機 關, 對 視 訊 會 議 的 需 求 日 益 高 漲, 隨 著 網 絡 通 信 技 術 的 發 展 和 電 信 基 礎 運 營 成 本 的 降 低, 使 得 在 寬 頻 網 絡 上 能 提 供 低 成 本 高 質 量 及 專 業 級 的 視 訊 會 議 的 時 代 已 經 到 來 視 訊 通 訊 產 品 種 類 與 應 用 特 性 如 表 所 示 : 表 視 訊 會 議 系 統 種 類 與 應 用 特 性 表 格 類 別 大 型 視 訊 會 議 系 統 可 移 動 視 訊 視 訊 系 統 桌 上 型 視 訊 系 統 應 用 團 體 對 團 體 視 訊 會 議 設 備 固 定 無 法 移 定 團 體 對 團 體 視 訊 會 議 設 備 可 任 意 移 定 少 數 人 對 少 數 人 之 視 訊 會 議 視 訊 電 話 個 人 對 個 人 消 費 型 產 品 市 場 專 家 測 算, 視 訊 會 議 系 統 市 場 的 潛 在 規 模 有 100 多 億, 在 這 龐 大 的 潛 在 市 場 與 日 益 成 熟 的 網 絡 環 境, 無 疑 視 訊 會 議 將 成 為 寬 頻 互 聯 網 時 代, 最 為 燦 爛 的 " 新 星 ", 隨 著 全 球 數 化 發 展, 遠 距 離 視 訊 會 議 已 經 是, 每 個 企 業 必 備 的 設 備 然 而 跟 隨 著 視 訊 會 議 的 發 展, 對 於 鏡 頭 劃 數 也 要 求 愈 來 愈 高, 相 對 的 在 鏡 頭 影 像 品 質 上, 也 要 求 越 來 越 嚴 苛, 對 於 投 影 鏡 頭 而 言, 雜 散 光 的 產 生, 會 導 致 投 射 影 像 品 質 的 降 低 因 此 在 業 界 中, 對 於 鏡 頭 結 構 設 計 上, 如 何 防 止 雜 散 光 產 生, 此 分 析 軟 體 已 非 常 多, 均 具 有 - 5 -

19 雜 散 光 的 分 析 能 力 當 然 在 結 構 的 設 計 應 用 上, 還 是 需 要 有 一 定 基 礎 的 光 學 理 論 及 結 構 設 計 能 力, 才 能 精 確 的 運 用 分 析 軟 體 因 此 在 論 文 中, 將 針 對 360 度 視 訊 鏡 頭 組 的 結 構, 進 行 雜 散 光 探 討, 利 用 非 球 面 塑 膠 鏡 片 與 玻 璃 鏡 片 等 做 設 計, 藉 由 2P3G 的 鏡 頭 結 構 設 計 做 比 較, 針 對 鏡 頭 的 成 像 品 質 及 雜 散 光 結 構 設 計 的 差 異 性 研 究, 做 為 視 訊 鏡 頭 往 後 開 發 設 計 的 依 據 目 前 市 場 上 販 售 的 視 訊 機 台 比 較, 如 表 所 示, 最 大 視 角 為 300 度 以 內, 無 法 達 到 360 度 的 視 訊 範 圍, 此 論 文 以 360 度 視 角 鏡 頭 做 為 探 討 表 視 訊 會 議 設 備 機 種 比 較 廠 商 台 灣 新 力 國 齊 / 圓 方 / 仲 琦 系 智 / 台 通 / 數 位 全 球 機 種 SONY PCS-1 Polycom VSC7000e Tandberg 6000 Sensor 1/4"CCD 1/4"CCD 1/3"CCD 鏡 頭 解 析 度 XGA 1024*768 XGA 1024*768 XGA 1280*720 鏡 頭 10 倍 光 學 變 焦 12 倍 光 學 變 焦 7 倍 光 學 變 焦 最 大 可 視 角 300 度 265 度 250 度 外 觀 如 圖 所 示 如 圖 所 示 如 圖 所 示 - 6 -

20 圖 為 SONY PSC-1 機 型 圖 為 Polycom VSC7000e 機 型 - 7 -

21 圖 為 Tandberg 6000 機 型 - 8 -

22 1.4 論 文 架 構 第 一 章 為 序 論 : 內 容 主 要 為 說 明 文 獻 回 顧 研 究 動 機 與 論 文 架 構 第 二 章 基 本 原 理 : 內 容 說 明 研 究 視 訊 鏡 頭 相 關 技 術 介 紹 第 三 章 研 究 方 法 : 內 容 是 說 明 光 學 設 計 與 雜 散 光 模 擬 分 析 的 製 作 過 程 及 測 試 方 法 第 四 章 實 驗 結 果 : 內 容 為 將 光 學 設 計 雜 散 光 模 擬 分 析 實 拍 測 試 驗 證 比 較 第 五 章 結 論 與 建 議 : 將 對 本 研 究 實 驗 結 果 做 整 理 討 論, 並 對 未 來 研 究 與 應 用 的 方 向 提 出 建 議 - 9 -

23 第 二 章 原 理 本 章 節 主 要 介 紹 鏡 片 的 種 類 與 材 質, 並 探 討 鏡 頭 解 像 與 雜 散 光 的 原 理, 及 如 何 判 讀 鏡 頭 的 解 像 品 質, 與 雜 散 光 的 改 善 方 式 2.1 鏡 片 的 分 類 以 鏡 片 形 狀 分 類, 一 般 光 學 鏡 片 依 照 形 狀 性 質 可 分 為 四 類 : 1. 球 面 透 鏡 : 是 利 用 兩 個 折 射 面 來 構 成 透 明 體 稱 為 透 鏡, 以 構 成 光 學 系 統 裡 最 基 本 的 光 學 元 件, 以 滿 足 對 物 體 成 像 各 種 的 需 求 一 般 而 言 球 面 透 鏡 是 最 容 易 製 造 加 工 的, 也 是 最 便 於 大 量 生 產 的 球 面 體, 實 際 在 光 學 系 統 中 也 是 最 廣 泛 應 用 的 透 鏡 可 分 凸 透 鏡 和 凹 透 鏡 兩 大 類, 中 心 厚 度 大 於 邊 緣 厚 度 的 稱 凸 透 鏡, 成 像 側 焦 距 都 大 於 零, 也 稱 為 正 透 鏡 中 心 厚 度 小 於 邊 緣 厚 度 的 稱 凹 透 鏡, 成 像 側 焦 距 都 小 於 零, 也 稱 為 負 透 鏡, 如 圖 所 示 4 圖 凸 透 鏡 與 凹 透 鏡

24 2. 非 球 面 透 鏡 現 今 光 學 系 統 研 發 都 朝 向 著 手 於 薄 型 化 輕 量 化 結 構 簡 單 化 高 性 能 價 格 比 的 方 向 發 展 因 此 隨 著 研 發 設 計 製 造 加 工 等 技 術 的 提 高, 非 球 面 透 鏡 製 造 已 逐 漸 成 為 光 學 系 統 中 應 用 最 廣 泛, 且 最 有 效 的 元 件 之 一 在 光 學 系 統 中 引 用 非 球 面, 可 以 有 效 地 精 簡 結 構 設 計, 運 用 一 個 非 球 面 透 鏡 可 取 代 若 干 球 面 透 鏡 ; 同 時 可 以 採 用 非 球 面 透 鏡 來 提 高 成 像 品 質 實 際 上 簡 化 結 構 與 提 高 像 質 是 一 體 兩 面 的 問 題 能 在 同 樣 簡 單 的 結 構 條 件 之 下, 由 於 使 用 了 非 透 鏡 而 達 到 改 善 的 效 果, 這 就 是 非 球 面 透 鏡 的 作 用 另 外 非 球 面 鏡 片 還 可 以 為 我 們 完 成 採 用 球 面 鏡 片 系 統 難 以 完 成 的 工 作 在 傳 統 的 光 學 系 統 中, 一 般 都 必 須 以 較 多 球 面 鏡 組 合 而 成, 才 能 達 預 期 的 成 像 效 果, 越 多 的 鏡 片 組 合 的 設 計 會 造 成 鏡 片 繁 多 且 十 分 笨 重, 若 能 善 用 非 球 面 鏡 片 則 可 以 減 少 重 量, 再 加 上 採 用 射 出 成 型 技 術, 更 有 在 製 作 上 快 速 成 型 機 身 結 構 輕 量 化 的 優 點, 如 圖 2-1-2,2-1-3, 分 別 為 2 片 式 非 球 面 鏡 片 設 計 30 萬 畫 素 VGA 鏡 頭,3 片 式 非 球 面 鏡 片 設 計 130/200 萬 畫 素 1.3/2M 鏡 頭,4 片 式 非 球 面 鏡 片 設 計 500/800 萬 畫 素 5/8M 鏡 頭 圖 片 式 非 球 面 鏡 片 30 萬 畫 素 鏡 頭

25 圖 片 式 非 球 面 鏡 片 130/300 萬 畫 素 鏡 頭 圖 片 式 非 球 面 鏡 片 500/800 萬 畫 素 鏡 頭 非 球 面 的 公 式 非 球 面 的 定 義 公 式,1940 年 美 國 拍 立 得 (Polaroid) 公 司 首 先 發 表 非 球 面 塑 膠 鏡 片, 此 後 各 光 學 大 廠 陸 續 投 入 非 球 面 鏡 片 的 開 發, 1982 年 簡 單 型 的 照 相 機 首 度 使 用 非 球 面 塑 膠 鏡 片 1980 年 代 開 始 非

26 球 面 鏡 片 使 用 射 出 成 形 進 行 大 量 生 產, 生 產 成 本 大 幅 降 低, 與 玻 璃 鏡 片 相 比 較 具 有 更 低 的 成 本 更 大 的 量 產 性, 因 此 而 被 廣 泛 地 運 用 5 現 代 的 鏡 頭 設 計 裡, 光 學 系 統 中 較 常 應 用 於 高 項 次 非 球 面 系 數 相 對 於 基 準 二 次 曲 面 基 礎 上 作 一 些 非 球 面 形 狀 變 化, 以 達 到 像 差 校 正 的 目 的, 一 般 採 用 在 二 次 曲 面 上 附 加 變 形 的 表 示 方 法 來 表 示 旋 轉 對 稱 非 球 面, 可 以 由 一 組 多 項 式 來 描 述 6 非 球 面 (Aspheric Surface) 其 曲 率 會 隨 著 曲 面 各 點 的 位 置 而 改 變, 並 非 一 定 值 的 曲 面, 包 括 橢 圓 面 雙 曲 面 拋 物 面 等 數 學 曲 面 在 光 學 設 計 上, 鏡 片 為 旋 轉 的 對 稱 面, 非 球 面 的 定 義 如 下 列 多 項 式 所 示 7 其 中 z= 非 球 面 的 旋 轉 對 稱 軸 c = 1 /r, 頂 點 曲 率 r = 頂 點 曲 率 半 徑 k = 圓 錐 常 數 (conic constant)

27 α1,α2,α3 α10: 高 階 修 正 項 而 當 所 有 的 α1,α2 這 些 高 階 修 正 項 都 設 為 0 時, 其 中 當 r 值 相 同 時,k 值 的 變 化 與 形 狀 之 關 係 如 圖 2-3 所 示 k<-1 雙 曲 面 (Hyperboloid) k=-1 拋 物 面 (Paraboloid) -1<k<0 橢 圓 面 (Ellipsoid), 以 長 軸 為 旋 轉 軸 k=0 球 面 (Sphere) k>0 扁 橢 圓 面 (Oblate ellipsoid), 以 短 軸 為 旋 轉 軸 圖 二 次 圓 錐 曲 線 球 面 鏡 片 (Sphere lens) 成 像 時, 會 有 像 差 的 問 題 這 是 因 為 不 同 波 長 的 光 線, 入 射 至 鏡 片 上 不 同 的 位 置 時, 在 成 像 面 上 不 能 聚 焦 成 一

28 點, 因 而 影 響 成 像 的 品 質 如 圖 所 示, 當 沿 著 光 軸 的 平 行 入 射 光 不 能 完 全 聚 焦 時, 稱 之 為 球 面 像 差 圖 球 面 像 差 不 同 波 長 的 光 線 在 光 軸 方 向 有 不 同 的 聚 焦 點, 如 圖 所 示, 我 們 稱 之 為 軸 向 色 差, 通 常 紅 色 光 的 焦 距 比 藍 光 大 一 些

29 圖 軸 向 色 差 非 球 面 鏡 片 的 曲 面 是 依 規 格 需 求 所 設 計 出 來 的 非 球 面 的 設 計 就 是 要 讓 光 線 入 射 到 鏡 面 時, 能 夠 將 光 線 集 中 於 一 點, 並 且 能 夠 消 除 各 種 像 差 和 變 形 3. 平 面 鏡 在 鏡 頭 模 組 的 平 面 鏡 運 用 上, 大 多 使 用 於 濾 光 鏡 或 特 效 鏡 片 為 主, 相 機 上 的 濾 光 鏡 主 要 是 用 來 濾 除 紅 外 光 由 於 紅 外 光 若 進 入 數 位 相 機, 將 對 影 像 感 測 器 產 生 負 作 用, 使 得 影 像 色 彩 失 真 或 雜 散 光 等 目 前 亦 有 製 造 商 將 濾 光 功 能 直 接 鍍 在 玻 璃 球 面 ( 非 球 面 ) 鏡 上, 以 節 省 濾 光 鏡 片 的 成 本 2.2 鏡 片 材 質 分 類 1. 塑 膠 鏡 片 塑 膠 鏡 片 材 料 主 要 是 以 合 成 樹 脂 為 原 料, 利 用 模 具 與 射 出 成 型 機 來 生 產 成 型 製 造 過 程 中 主 要 必 須 審 慎 掌 管 合 成 樹 脂 原 料 的 透 光 率,

30 以 及 整 個 鏡 片 折 射 率 的 一 致 性 其 中 模 具 的 開 發 製 造 也 是 技 術 關 鍵 所 在 一 般 而 言, 塑 膠 鏡 片 單 價 較 低, 但 透 光 率 的 表 現 及 環 境 適 應 性 差 不 耐 高 溫, 由 於 塑 膠 比 玻 璃 的 折 射 率 低, 鏡 片 厚 度 也 較 厚 此 種 塑 膠 鏡 片 產 品 僅 適 用 於 低 階 的 產 品, 如 : 低 畫 素 數 位 相 機 手 機 內 建 相 機 模 組 或 玩 具 相 機 產 品 等 等 塑 膠 鏡 片 材 料 是 屬 於 高 分 子 聚 合 物, 種 類 大 致 可 分 為 : (1)PMMA( 聚 酯 酸 乙 烯 ): 光 譜 波 長 約 在 250nm 開 始, 在 可 見 光 範 圍 400~700nm 吸 收 率 低, 呈 無 色 透 明 體 透 過 率 可 達 92% 以 上, 雙 折 射 率 很 低, 飽 和 吸 溼 率 2% 左 右 為 表 面 硬 度 高 的 聚 合 物, 對 於 氧 或 UV 的 作 用 相 當 安 定 耐 候 性 佳 (2)PC( 聚 碳 酸 酯 ): 為 折 射 率 較 高 的 熱 塑 性 高 分 子 材 料, 具 耐 熱 性 耐 撞 擊 性 吸 溼 性 小, 透 明 性 耐 熱 性 稍 差, 且 雙 折 射 率 大, 惟 因 PC 表 面 易 於 刮 傷, 因 此 常 用 以 製 作 光 學 內 部 的 零 件, 減 少 與 外 界 的 接 觸 (3)PS( 聚 苯 乙 烯 ): 為 折 射 率 較 高 的 熱 塑 性 高 分 子 材 料, 較 適 用 於 薄 件 品 射 出 成 形, 成 形 時 因 分 子 配 向 的 關 係, 較 易 產 生 雙 折 射 現 象, 耐 熱 性 較 差, 成 形 與 機 械 特 性 都 非 常 的 好 且 吸 溼 率 低 由 於 光 學 塑 膠 材 料 需 要 將 光 線 透 過 或 傳 送 形 成 清 晰 鮮 明 之 影 像, 希 望 具 有 再 現 性 與 穩 定 性, 因 此 一 般 希 望 光 學 塑 膠 材 料 具 備 以 下 基 本 特 性 : 高 透 明 性 大 折 射 率 低 色 散 特 性 小 的 雙 折 射 性 潔 淨 性 易 成 形 性 高 耐 熱 性 低 吸 水 性 及 適 當 的 強 度 特 性

31 表 光 學 塑 膠 鏡 片 使 用 材 料 物 性 表 名 稱 PC PCXA ZEONEX ARTON 規 格 AD-5503 E48R FX4520 熔 融 體 積 流 (cm /10 min) 比 重 (g / cm ) 3 密 度 (g / m ) 吸 水 率 (%) < 透 光 率 (%) 折 射 率 比 熱 (J / kg/ C) - 92 拉 伸 模 量 ( MPa) 拉 伸 屈 服 應 力 ( MPa) 拉 伸 屈 服 伸 長 率 (%) 拉 伸 斷 裂 公 稱 伸 長 率 (%) > 彎 曲 模 量 ( MPa) 彎 曲 強 度 ( MPa) 鉛 筆 硬 度 2B F H H 懸 臂 樑 衝 擊 強 2 度 (KJ / m ) 熱 撓 曲 溫 度 沒 缺 口 帶 缺 口 MPa ( C) 0.45MPa 維 卡 特 軟 化 點 ( C) TG 轉 移 溫 成 形 收 縮 率 平 行 方 向 (%) 垂 直 方 向 0.5~ ~ ~ ~0.7 線 膨 脹 係 數 平 行 方 向 ( 10 / C) 垂 直 方 向 熱 傳 導 率 (Kcal/ m hr C)

32 特 殊 光 學 塑 膠 材 料 與 一 般 塑 膠 材 料 不 同, 其 具 有 良 好 的 等 向 性, 所 以 在 不 同 方 向 下 的 折 射 率 差 異 不 大 透 光 率 90% 表 示 與 玻 璃 有 相 同 等 級 的 透 明 度 ; 吸 水 率 低 表 是 在 不 同 潮 溼 環 境 下 不 會 因 為 吸 水 的 原 因 兒 造 成 尺 寸 的 不 穩 定 性 ;TG 轉 移 溫 度 越 高, 代 表 耐 熱 溫 度 也 越 高, 越 適 合 在 高 溫 環 境 下 使 用, 這 也 是 本 論 文 研 發 重 點 之 一 2. 玻 璃 鏡 片 原 始 玻 璃 最 初 是 由 火 山 噴 出 來 的 酸 性 岩 凝 固 而 得 玻 璃 的 透 光 性 極 佳, 廣 用 於 各 種 單 透 鏡 全 反 射 稜 鏡 等, 長 久 以 來 就 是 光 學 產 品 的 重 要 原 料 可 用 於 光 學 儀 器 中 的 透 鏡 稜 鏡 反 射 鏡 及 窗 品 等, 是 光 學 儀 器 中 的 關 鍵 零 組 件 之 一 早 期 的 玻 璃 鏡 面 常 使 用 球 面 鏡, 近 代 在 非 球 面 玻 璃 鏡 片 的 製 造 方 面 已 有 非 常 大 的 進 步, 大 體 分 為 研 磨 玻 璃 鏡 片 及 模 造 玻 璃 鏡 片 兩 種 模 造 玻 璃 鏡 片 的 製 造 方 式 與 塑 膠 鏡 片 較 為 類 似, 都 必 須 先 設 計 製 造 模 具, 先 將 玻 璃 球 毛 胚 置 入 模 具 中, 再 加 熱 壓 合 而 成 模 造 玻 璃 鏡 片 較 適 用 於 少 樣 多 量 的 鏡 片 產 品, 鏡 片 口 徑 愈 小 愈 具 生 產 優 勢 ; 而 研 磨 玻 璃 鏡 片 則 較 適 用 於 少 量 多 樣 的 產 品, 鏡 片 口 徑 愈 大 愈 具 優 勢 光 學 玻 璃 的 選 擇 運 用 需 注 意 折 射 率 Abe 數 耐 候 性 著 色 度 熱 特 性 等 最 常 用 的 材 料 為 硼 冕 BK7, 具 有 耐 酸 性 耐 候 性 強 硬 度 高 材 質 均 勻 光 譜 分 散 低

33 表 為 常 用 的 光 學 鏡 片 材 料 物 性 比 較 材 料 名 稱 性 質 FPL TIH BSM Nd 折 射 率 Vd 阿 貝 數 Tg 轉 移 點 膨 脹 係 數 - 高 溫 膨 脹 係 數 - 常 溫 硬 度 HK 磨 耗 度 Aa 比 重 d 膠 合 鏡 片 膠 合 鏡 片 主 要 是 用 於 兩 玻 璃 球 面 鏡 上 黏 著 接 合 一 層 薄 厚 度 之 膠 合 膜, 藉 以 修 正 球 面 像 差 的 一 種 鏡 片, 可 適 用 於 兩 種 不 同 球 面 玻 璃 材 料 鏡 片 膠 合 在 一 些 性 能 要 求 不 高 的 望 遠 鏡 系 統 和 低 倍 顯 微 鏡 系 統 中, 由 於 孔 徑 不 大 視 場 很 小, 常 被 採 用 在 獨 立 鏡 小 視 場 的 應 用 下, 為 應 用 於 校 正 色 差 球 差 和 近 軸 彗 差 膠 合 物 鏡 有 三 個 變 量, 在 玻 璃 組 配 恰 當 的 狀 況 下, 有 可 能 在 定 焦 距 下 同 時 校 正 好 三 種 像 差 目 前 在 掃 描 器 鏡 頭 投 影 鏡 頭 等 仍 有 一 定 比 例 使 用 該 種 產 品

34 2-3 孔 徑 光 欄 與 入 瞳 圖 孔 徑 光 欄 與 出 入 瞳 關 係 圖 入 瞳 (Entrance pupil): Aperture stop 在 物 空 間 所 成 的 像 ( 在 物 側 面 看 aperture stop, 非 實 際 存 在 的 元 件 ) 10 來 決 定 物 點 成 像 光 束 的 最 大 孔 徑, 且 為 物 面 上 各 點 成 像 的 公 共 入 口 出 瞳 (Exit pupil): Aperture stop 在 像 空 間 所 成 的 像, 而 aperture stop 是 非 實 際 存 在 的 元 件, 在 物 面 上 各 點 的 成 像 光 束, 來 自 系 統 出 射 時 的 公 共 出 口 主 光 線 (Chief ray ): 主 光 線 為 通 過 aperture stop 中 心 的 斜 向 光 線, 也 同 時 會 入 瞳 與 出 瞳 的 中 心

35 2.4. 鏡 頭 MTF 解 析 度 Modulation 像 的 對 比 度 (contrast) 解 析 度 一 般 以 lp/mm (Line-Pair per/mm, 或 稱 為 " 本 ", 即 每 mm 內 部 所 包 含 的 黑 白 線 對 數 目 ) 當 成 評 價 鏡 頭 解 析 度 的 單 位 一 般 使 用 逆 投 影 機 或 MTF 機 做 為 鏡 頭 解 析 度 好 壞 之 判 斷 如 圖 2-4-1(a) 之 lp 數 = 1 / d, 黑 白 分 明 的 條 紋 經 過 光 學 系 統 後 其 成 像 若 為 A( 模 糊 一 片 ) 則 此 鏡 頭 解 析 度 不 良 需 再 改 善 若 為 B( 可 以 辨 識 其 條 紋 數 及 方 向 ), 則 可 以 據 此 評 價 此 光 學 系 統 的 解 析 度 可 行 其 可 分 辨 的 條 紋 數 越 細 ( 即 Line-Pair 數 越 高 ), 鏡 頭 的 解 析 度 越 好 11 A B 圖 2-4-1(a) MTF 投 影 解 像 分 析 圖 B 圖 2-4-1(b) 一 般 投 影 解 像 分 析 圖

36 圖 MTF 投 影 解 像 分 析 圖

37 2.5 MTF 對 比 度 (Contrast) 的 概 念 MTF % 相 同 於 某 個 lp/mm(frequency) 之 下 的 像 的 對 比 與 物 的 對 比 的 比 值 如 式 MTF% (I m ax I m in) (Imax Imin) I'max : 為 最 大 像 高 ; I'min : 為 最 小 像 高 I max : 為 最 大 物 高 ;I min : 為 最 小 物 高 採 用 MTF 評 價 光 學 鏡 頭 解 析 度 的 優 點 : (1) 將 解 析 度 判 定 量 化 / 數 值 化, 避 免 一 般 投 影 解 像 人 為 判 讀 誤 差 以 及 對 判 讀 基 準 的 不 一 致 所 造 成 的 差 異 (2) 機 器 評 價 提 高 量 產 檢 驗 效 率, 作 業 者 只 須 依 照 已 設 定 標 準 之 電 腦 顯 示 OK 或 NG 作 好 壞 之 判 定 判 斷, 如 圖 所 示

38 圖 業 界 實 物 中 所 常 用 的 MTF 調 制 轉 換 函 數 的 圖 例 2.6 鏡 頭 MTF 解 讀 : 對 比 度 (Contrast): 以 5 或 10 本 ( lp/mm) 來 評 價 該 鏡 頭 之 對 比 度 性 能 在 此 頻 率 之 MTF 雖 然 有 2~3 % 之 差 異, 但 人 眼 可 輕 易 分 辨 其 差 別, 好 鏡 頭 在 頻 率 5 lp/mm, 小 光 圈 時 T 及 S 方 向 MTF 需 達 95 %, 若 低 於 90% 就 算 是 較 差 之 影 像 品 質 解 析 度 (Sharpness): 以 40 本 (lp/mm) 來 評 價 該 鏡 頭 之 解 析 度 性 能 40 lp/mm 代 表 一 個 鏡 頭 可 以 分 辨 較 細 的 物 體, 如 圖 所 示 在 此 頻 率 之 MTF 有 約 10 % 之 差 異, 是 人 眼 所 不 太 能 分 辨 其 差 異 性 通 常 傳 統 攝 影 鏡 頭 在 20 lp/mm 時 需 達 50% MTF 則 可 算 是 好 鏡 頭 了 圖 攝 影 鏡 頭 MTF 解 讀 範 例 圖

39 一 個 鏡 頭 若 有 較 佳 的 對 比 度, 但 較 差 的 解 析 度, 其 整 體 影 像 會 比 較 差 的 對 比 度, 但 較 佳 的 解 析 度 的 鏡 頭 來 的 銳 利, 感 覺 也 比 較 好 一 般 而 言, 鏡 頭 若 有 較 好 的 對 比 度, 其 解 析 度 也 會 較 好, 如 圖 所 示 完 美 之 影 像 對 比 度 好 解 析 度 差 對 比 度 差 解 析 度 好 對 比 度 差 解 析 度 差 圖 對 應 MTF 之 對 比 度 與 解 析 度 影 像 比 較 圖 2.7 CODE V MTF 評 價 (1) 像 值 的 評 價 標 準 最 大 值 為 1 (2) 表 示 法 : 200 lp (line pair)/mm (3) 人 眼 MTF=0.07 即 可 鑑 別 (4) MTF 與 波 長 及 波 長 比 率 有 強 烈 關 係 (5) 圖 可 看 出 MTF 再 不 同 空 間 頻 率,MTF 數 值 的 差 異

40 3P ELEMENTS FOR 1.3M DIFFRACTION MTF 08-May-06 T R T R T R T R DIFFRACTION LIMIT AXIS 0.3 FIELD ( O ) 0.5 FIELD ( O ) 0.8 FIELD ( O ) 1.0 FIELD ( O ) WAVELENGTH WEIGHT NM NM NM 1 3P ELEMENTS FOR 1.3M DIFFRACTION MTF 08-May-06 T R T R T R T R DIFFRACTION LIMIT AXIS 0.3 FIELD ( O ) 0.5 FIELD ( O ) 0.8 FIELD ( O ) 1.0 FIELD ( O ) WAVELENGTH WEIGHT NM NM NM DEFOCUSING DEFOCUSING M O 0.6 D U L 0.5 A T I O 0.4 N M O D U L A T I O N SPATIAL FREQUENCY (CYCLES/MM) SPATIAL FREQUENCY (CYCLES/MM) 圖 CODE V MTF 圖 示 Through Focus MTF & DOF, 如 圖 可 看 出 鏡 頭 MTF 不 同 視 場 的 位 置 與 數 值 的 高 低 3P ELEMENTS FOR 1.3M DIFFRACTION MTF 08-May DIFFRACTION LIMIT AXIS T R 0.3 FIELD ( O ) T 0.5 FIELD ( ) R O T R 0.8 FIELD ( O ) T R 1.0 FIELD ( O ) WAVELENGTH WEIGHT NM NM NM 1 FREQUENCY 100 C/MM M O 0.6 D U L 0.5 A T I O 0.4 N DEFOCUSING POSITION ( MM)

41 圖 為 鏡 頭 MTF Through focus & DOF 2.8 雜 散 光 原 理 何 謂 雜 散 光 雜 散 光 簡 單 說, 就 是 光 學 系 統 不 需 要 或 是 額 外 衍 生 出 來 的 光 線, 雜 散 光 會 降 低 影 像 品 質, 且 會 遮 蔽 系 統 中 微 弱 的 訊 號, 降 低 訊 雜 比 (SNR) 與 對 比 度 (Contrast) 等 對 於 不 同 的 系 統, 雜 散 光 造 成 的 影 響, 也 會 不 同, 在 光 輻 射 度 及 光 度 量 測 系 統 中, 在 光 幅 度 及 光 度 量 測 系 統 則 它 會 量 測 上 的 誤 差, 在 高 功 率 的 雷 射 系 統 中, 也 會 導 致 光 學 元 件 或 是 感 測 的 毀 損 一 般 引 發 雜 散 光 的 因 素 眾 多, 大 致 可 分 類 為 13 : (1). 光 源 直 射 ( Straight-ghost); (2). 穿 透 式 光 學 元 件 的 鬼 影 反 射 ( ghost reflection ); (3). 光 學 表 面 及 機 械 表 面 的 散 射, 即 散 射 雜 散 光 ( Scatter stray light ); (4). 其 它, 如 光 圈 (Stop) 及 檔 光 板 (Baffles) 的 邊 緣 繞 射 (edge diffraction) 光 柵 所 產 生 的 多 餘 光 線 (unwanted diffraction orders), 甚 至 於 紅 外 線 系 統 中 機 構 與 光 學 元 件 的 溫 度 輻 射 效 應 (thermal emission effect) 也 會 形 成 雜 散 光 以 下 為 前 三 種 常 見 的 類 型 :

42 1. 光 源 直 射 ( Straight-ghost) 在 反 射 式 或 是 折 射 式 望 遠 系 統 中, 視 角 外 的 光 線 按 照 設 計 的 光 路 徑, 即 不 經 過 主 反 射 鏡 與 次 反 射 鏡 反 射, 直 接 入 設 於 焦 平 面 上, 對 正 常 影 像 造 成 干 擾, 如 圖 所 示 圖 折 反 射 式 望 遠 系 統 中 的 光 源 直 射

43 2. 穿 透 式 光 學 元 件 的 鬼 影 反 射 (ghost reflection) 鬼 影 (ghost image) 是 由 強 光 源 產 生 的 離 焦 (out of focus) 或 是 鬼 魅 般 的 成 像, 因 為 光 學 表 面 並 非 具 有 100% 穿 透 率, 所 以 當 光 線 與 光 學 表 面 產 生 作 用 時, 會 有 部 分 光 線 穿 透, 部 分 光 線 反 射 的 情 況, 產 生 額 外 的 子 光 線 及 子 光 線 等 光 源 在 光 學 系 統 內 經 過 各 個 鏡 片 多 重 反 射 折 射 後 成 像 於 焦 平 面 (CCD 感 測 器 ) 上 的 能 量 分 布, 便 是 鬼 影, 如 圖 所 示 圖 Ghost_ 鬼 影 3. 散 射 雜 散 光 (Scatter stray light)

44 由 入 射 光 源 照 射 在 光 學 表 面 或 是 機 構 結 構 表 面 的 散 射 雜 散 光 束 所 引 起 的 雜 散 光 此 類 的 雜 散 光 略 分 為 單 次 散 射 雜 散 光 (single scatter stray light) 與 多 次 散 射 雜 散 光 (multiple scatter stray light) 當 光 源 入 射 於 光 學 系 統 內 時, 部 分 的 雜 散 光 會 直 接 的 或 是 經 由 折 射 而 抵 達 焦 平 面 上, 這 些 散 射 於 系 統 視 角 內 的 雜 散 光, 即 稱 為 單 次 雜 散 光 而 多 次 散 射 雜 散 光 則 是 經 過 多 次 表 面 間 的 散 射 所 產 生 一 般 而 言, 多 次 散 射 雜 散 光 的 強 度 遠 小 於 單 次 散 射 雜 散 光, 在 一 般 的 成 像 系 統 可 能 影 響 不 大, 但 是 對 於 某 些 光 訊 號 微 弱, 需 要 高 雜 訊 比 的 高 靈 敏 系 統, 多 次 散 射 雜 散 光 的 效 應 就 不 能 忽 略 如 圖 為 雜 散 光 使 用 影 像 對 比 度 降 低 的 情 況 圖 雜 散 光 導 致 影 像 品 質 對 比 度 降 低

45 2.9 鏡 頭 雜 散 光 分 析 與 評 價 概 念 雜 散 光 就 是 鏡 頭 在 形 成 物 體 實 像 時, 除 了 基 本 成 像 光 線 外, 另 外 還 有 其 他 非 成 像 光 線 散 射 到 成 像 面 上, 形 成 非 成 像 光 線 稱 為 雜 散 光 雜 散 光 是 一 種 會 影 響 成 像 的 有 害 光 影, 它 會 使 成 像 面 上 暗 的 部 分 和 亮 的 部 分 同 樣 增 加 照 度, 使 成 像 的 對 比 和 MTF 調 制 傳 遞 函 數 下 降, 尤 其 對 於 暗 場 的 部 分 影 響 最 大, 這 會 使 整 個 畫 面 的 層 次 感 減 少 清 晰 度 變 差, 也 將 使 色 彩 的 飽 和 度 下 降, 而 影 響 色 平 衡 嚴 重 時, 所 拍 攝 的 景 物 影 像, 會 形 成 霧 濛 濛 的 感 覺, 有 時 甚 至 會 產 生 明 顯 的 雜 散 光 斑 點 和 大 區 塊 的 鬼 影 14 鏡 頭 雜 散 光 造 成 被 攝 目 標 的 亮 度 分 佈 不 均 和 攝 影 條 件 有 很 大 的 關 係 一 般 而 言 在 拍 攝 大 面 積 目 標 物 時, 且 全 區 亮 度 大 致 相 同 的 情 況 下, 大 口 徑 光 圈 的 雜 散 光 一 般 會 均 勻 的 分 佈 在 畫 面 上, 小 口 徑 光 圈 時, 雜 散 光 會 集 中 到 畫 面 的 中 心 部 分, 形 成 如 同 曝 光 過 度 似 的 雜 散 光 斑 點 當 拍 攝 小 面 積 目 標 物, 且 物 體 亮 度 有 強 光 時, 則 在 畫 面 上 可 能 會 產 生 鬼 影, 這 些 主 要 是 由 於 鏡 片 表 面 的 二 次 折 反 射 所 造 成 15 一 般 常 見 雜 散 光 產 生 的 原 因, 大 致 可 分 為 : 1. 鏡 頭 中 鏡 片 的 多 重 反 射 與 散 射, 如 玻 璃 表 面 的 反 射 與 散 射, 鏡 片 內 部 缺 陷 造 成 的 散 射, 鏡 片 內 的 全 反 射, 鏡 片 邊 緣 表 面 的 反 射 等

46 2. 內 部 機 構 件 的 反 射 與 散 射, 鏡 筒 內 壁 的 反 射 和 散 射, 光 圈 間 隙 片 及 內 部 結 構 件 的 反 射 及 散 射, 如 圖 2-9-1, 藍 色 線 條 為 內 面 反 射 一 般 常 見 雜 散 光 解 決 方 法, 大 致 分 為 : a. 鏡 片 邊 緣 塗 黑 b. 鏡 片 抗 反 射 處 理 c. 機 構 件 染 黑 d. 黑 物 塑 膠 件 表 面 特 殊 處 理 圖 內 部 結 構 件 的 反 射 雜 散 光 測 試 方 式 光 學 鏡 頭 的 開 發 中, 搭 配 感 應 器 元 件 的 方 式 實 際 拍 攝 取 像 測 試 雜

47 散 光, 為 現 況 業 界 最 常 使 用 的 方 法, 採 取 以 新 開 發 的 鏡 頭 搭 配 該 光 學 系 統 所 屬 的 感 應 器 模 組, 配 合 拍 攝 軟 硬 體 作 拍 攝 解 析 的 動 作, 如 圖 所 示 2 圖 雜 散 光 拍 攝 方 式 為 利 用 鏡 頭 模 組 架 設 於 旋 轉 支 架 上, 利 用 軟 硬 體 的 取 像 設 備, 可 在 一 般 室 內 光 源 及 強 光 光 源 下 以 不 同 的 變 化 角 度 下, 拍 攝 檢 測 某 固 定 近 距 離 及 無 窮 遠 距 離 的 雜 散 光 現 象 整 個 照 相 模 組 拍 攝 取 像 後 的 圖 片 在 辨 別 雜 散 光 及 鬼 影 特 徵 上, 可 由 圖 片 取 像 現 象 中 解 讀 而 得, 如 圖 像 火 焰 及 霧 氣 般 的 形 狀, 沒 有 固 定 的 成 像 則 稱 為 雜 散 光 如 圖 有 固 定 的 成 像, 一 般 是 形 成 一 個 圓 形 光 圈 的 形 狀, 如 同 入 射 光 圈 的 形 狀 或 入 射 物 光 影 疊 影, 一 般 此 種 現 象 稱 為 鬼 影

48 圖 Flare_ 雜 散 光 圖 Ghost_ 鬼 影

49 第 三 章 研 究 方 法 本 論 文 的 實 驗 流 程 如 圖 3-1 所 示, 針 對 360 度 鏡 頭 進 行 結 構 雜 散 光 模 擬 改 善 與 探 討, 從 光 學 的 角 度 切 入, 藉 由 Light Tools 軟 體 進 行 模 擬 分 析, 找 出 鏡 頭 結 構 設 計 的 盲 點, 減 少 製 程 上 的 錯 誤, 預 防 避 免 開 發 失 敗 圖 3-1 鏡 頭 Flare 驗 證 流 程 圖

50 在 光 學 設 計 上 使 用 CODE V 與 Tight Tools 做 光 機 模 擬 之 前, 首 先 需 對 光 學 系 統 規 格 做 一 瞭 解, 並 從 光 學 的 設 計 資 料 中, 可 以 事 先 確 認 瞭 解 鏡 片 形 狀 材 料 系 數 使 用 波 長 範 圍 感 測 器 感 測 範 圍 大 小 另 外, 也 可 以 針 對 光 學 設 計 提 供 的 資 料, 找 到 一 個 好 的 結 構 設 計 與 雜 散 光 分 析 的 出 發 點, 進 行 鏡 頭 模 型 分 析 雜 散 光 驗 證 開 發 製 作 所 需 各 項 設 備 如 圖 表 3-1 所 示 表 3-1 雜 散 光 驗 證 開 發 製 作 所 需 各 項 設 備 NO. 軟 體 及 設 備 名 稱 類 別 用 途 1 CODE V 光 學 軟 體 光 學 設 計 2 LightTools 光 學 軟 體 光 路 分 析 3 MTF 檢 驗 機 台 驗 證 設 備 解 像 驗 證 4 Demo Board 驗 證 設 備 雜 散 光 驗 證 3.1 光 學 系 統 規 格 及 Sensor 規 格 確 認 在 鏡 頭 設 計 之 前, 必 須 先 針 對 光 學 系 統 規 格 先 確 定, 從 光 學 的 設 計 資 料 中, 可 以 事 先 確 認 瞭 解 鏡 片 數 量 鏡 頭 光 通 亮 鏡 頭 視 角 大 小 鏡 頭 高 度 與 感 測 器 感 測 範 圍 大 小, 找 到 一 個 好 的 鏡 頭 結 構 設 計, 本 論 文 主 要 採 用 Micron MI2010 (1/3.2")CMOS Sensor, 以 撘 配 3G2P 的 鏡 頭 為 例, 作 為 論 文 之 研 究, 鏡 頭 模 組 規 格 如 表 所 示,Sensor 規 格 與 成 像 區 域 示 意 圖 如 圖 所 示 在 此 使 用 了 1/3.2"Micron MI2010 的 Sensor 畫 素 大 小 為 2.8µm*2.8µm, 矩 陣 畫 數 大 小 1600x

51 為 Sensor 可 接 收 的 最 大 成 像,Sensor 封 裝 後 的 成 像 接 收 面 位 置 距 離 如 圖 所 示 由 於 光 學 設 計 系 統 是 針 對 不 同 感 測 器 的 規 格 所 設 計 的, 所 以 在 Sensor 的 應 用 上 相 對 的 也 會 有 所 差 異 表 鏡 頭 模 組 規 格 項 目 內 容 COMPOSTION 3G2P TTL <17.22mm SENSOR 1/3.2" CMOS IMAGE CIRCLE MAX 4.6mm F.NO 2.2±5% OPTICAL FOV (HORIZONTAL)67.1 OPTICAL FOV (VERTICAL)54 FOV OPTICAL FOV (DIAGONAL)89 OPTICAL FOV (MECHANICAL)64.5 機 構 後 焦 (BFL) 1.4mm 光 學 後 焦 (EFL) 2.8mm CHIEF RAY ANGLE <20.3 TV-DISTORTION <20% IR-CUT T50% 650nm±10nm BARREL 螺 牙 M9*P0.5 PIXELS 2M OPERATION TEMP -20 ~

52 圖 Sensor 規 格 與 成 像 區 域 示 意 圖 感 測 器 成 像 位 置 圖 感 測 器 成 像 位 置

53 3.2 光 學 設 計 本 節 的 光 學 設 計 將 會 應 用 到 前 面 幾 章 的 基 本 觀 念 利 用 已 知 的 鏡 頭 模 組 規 格, 來 將 已 知 3 片 玻 璃 鏡 片 與 2 片 塑 膠 鏡 片 的 架 構, 與 TTL 及 F/no 數 值, 利 用 CODE V 光 學 設 計 軟 體 進 行 非 球 面 透 鏡 的 參 數 設 定, 最 後 進 行 優 化, 運 算 之 後 便 可 以 到 最 佳 的 光 學 設 計 值, 如 圖 所 示, 與 鏡 頭 鏡 片 的 非 球 面 係 數, 如 圖 所 示, 及 玻 璃 鏡 片 R 值, 如 圖 所 示 表 鏡 頭 光 學 設 計 參 數

54 表 鏡 頭 塑 膠 鏡 片 光 學 非 球 面 係 數 玻 璃 鏡 片 R 值 圖 鏡 頭 玻 璃 鏡 片 的 R 值 數 據 可 得 到 鏡 頭 光 學 架 構 和 光 路 圖, 如 圖 所 示, 並 可 以 看 出 鏡 頭 光 線 行 進 的 路 線, 與 光 線 經 過 鏡 片 時 的 折 射 及 成 像 路 徑, 做 一 完 整 的 確 認, 與 針 對 鏡 頭 架 構 的 形 狀 及 位 置 做 評 估

55 圖 鏡 頭 光 路 示 意 圖 並 由 CODE V 光 學 設 計 軟 體, 產 生 鏡 頭 的 MTF 解 像, 可 看 出 鏡 頭 MTF 解 像 Through focus 品 質, 如 圖 所 示, 與 全 頻 的 MTF 品 質, 如 圖 所 示, 及 鏡 頭 MTF VS Field 性 能, 如 圖 所 示, 鏡 頭 Chief Ray Angle ( 像 面 主 光 線 角 度 ), 如 圖 所 示, 鏡 頭 之 像 散 與 畸 變, 如 圖 所 示, 鏡 頭 橫 向 色 差, 如 圖 所 示, 鏡 頭 TV distortion 桶 狀 (Distortion 為 負 ), 如 圖 所 示, 鏡 頭 橫 向 色 差, 如 圖 所 示, 還 有 鏡 頭 焦 點 光 點 分 佈 圖, 如 圖 所 示, 等 鏡 頭 光 學 規 格

56 圖 鏡 頭 MTF Through focus

57 圖 鏡 頭 MTF 全 頻 品 質 圖 鏡 頭 MTF VS Field 性 能

58 圖 鏡 頭 Chief Ray Angle ( 像 面 主 光 線 角 度 ) 圖 鏡 頭 之 相 對 照 度 示 意 圖 圖 鏡 頭 之 像 散 與 畸 變

59 圖 鏡 頭 TV distortion 桶 狀 (Distortion 為 負 ) 圖 鏡 頭 橫 向 色 差

60 圖 鏡 頭 像 平 面 光 點 分 佈 圖

61 3.3 機 構 設 計 針 對 鏡 頭 模 組 規 格 需 求, 進 行 鏡 頭 內 部 結 構 與 外 觀 的 設 計, 便 可 以 得 到 符 合 要 求 的 設 計 結 果 而 開 始 設 計 結 構 的 安 排 是 很 重 要 的, 利 用 設 定 好 的 透 鏡 形 狀 為 起 始 值 以 及 邊 界 形 狀 條 件, 進 行 內 部 機 構 件 形 狀 與 內 部 Lens 形 狀 設 計, 如 圖 與 所 示, 而 得 到 符 合 開 模 的 形 狀 與 尺 寸 公 差, 在 來 確 認 鏡 頭 光 路 模 擬, 看 機 構 件 是 否 有 遮 到 光 路, 如 圖 所 示, 最 後 完 成 整 顆 鏡 頭 之 結 構 設 計, 並 得 到 鏡 頭 組 立 結 構 圖, 如 圖 所 示 圖 內 部 機 構 件

62 圖 內 部 Lens 圖 圖 鏡 頭 2D 機 構 光 路 圖

63 圖 鏡 頭 2D 機 構 光 路 圖 圖 鏡 頭 組 立 結 構 圖

64 3.4. 光 線 追 跡 鏡 頭 2D 結 構 設 計 完 成 後, 後 續 將 光 學 軟 體 結 合 3D 實 體 結 構 設 計, 模 擬 分 析 改 善 結 構 的 不 良 特 性 首 先 需 以 2D 與 3D 軟 體 之 間 的 轉 檔 格 式 進 行 轉 檔, 轉 換 為 分 析 軟 體 Light Tools 可 接 受 的 格 式, 並 由 光 學 設 計 所 提 供 的 相 關 數 據, 作 為 後 續 雜 散 光 分 析 時, 所 設 定 分 析 的 相 關 資 料 再 來 利 用 Light Tools 建 立 鏡 頭 零 組 件, 如 圖 所 示, 再 以 Light Tools 進 行 模 擬, 並 做 分 析 與 確 認, 確 認 鏡 頭 Stop 位 置 不 同, 對 於 雜 散 光 的 影 響, 而 導 致 MTF 成 像 品 質 不 佳, 藉 由 Light Tools 分 析, 可 以 更 明 確 的 知 道 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 擺 放 位 置 圖 Light Tools 建 立 的 3D 機 構 圖

65 鏡 頭 雜 散 光 模 擬 分 析 時, 為 了 準 確 性 的 找 出 問 題 點, 利 用 Light Tools 軟 體, 以 不 同 角 度 的 光 跡 圖 進 行 模 擬 分 析, 如 圖 3-4-2,3,4,5,6,7 所 示, 並 可 看 出 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同, 在 不 同 角 度 的 光 跡 圖 模 擬 分 析 下, 可 看 出 不 同 角 度 的 照 度 分 布 圖, 如 圖 3-4-8,9,10,11,12,13 所 示, 利 用 模 擬 的 成 像 焦 點 的 圖 形, 來 看 出 鏡 頭 入 瞳 位 置 是 否 為 最 佳 位 置, 且 對 於 MTF 成 像 品 質 是 否 有 影 響 圖 光 跡 圖 0 度 角 模 擬 圖 光 跡 圖 10 度 模 擬

66 圖 光 跡 圖 20 度 模 擬 圖 光 跡 圖 30 度 模 擬 圖 光 跡 圖 40 度 角 模 擬

67 圖 光 跡 圖 50 度 角 模 擬 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 圖 度 照 度 分 佈 圖

68 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 圖 度 角 照 度 分 佈 圖

69 圖 度 角 照 度 分 佈 圖 圖 度 角 照 度 分 佈 圖

70 3.5 鏡 頭 組 立 集 結 鏡 頭 相 關 部 品, 確 認 各 部 品 尺 寸 是 否 符 合 規 格 值, 再 依 據 鏡 頭 組 立 圖, 如 圖 所 示, 將 鏡 頭 單 部 品 依 序 放 入 Barrel 中, 首 先 放 入 Glass 3 膠 合 鏡 片, 在 放 入 Spacer 3 墊 片, 之 後 依 順 序 將 Glass 1 Spacer 2 Lens 2 Spacer 1 與 Lens, 最 後 在 鎖 上 Retaner, 並 完 成 此 鏡 頭, 如 圖 所 示, 之 後 在 安 排 鏡 頭 測 試 MTF, 確 認 此 鏡 頭 是 否 達 到 設 計 規 格 值 圖 為 鏡 頭 組 立 圖

71 圖 為 360 度 鏡 頭 成 品 圖 3.6 鏡 頭 逆 投 影 分 析 利 用 逆 投 影 機 台, 如 圖 所 示, 將 鏡 頭 放 在 機 台 前 方, 打 開 機 台 燈 源, 燈 源 透 過 Chart, 在 通 過 鏡 頭, 將 Chart 投 影 在 牆 面 上, 此 時 將 可 進 行 鏡 頭 解 像 判 訂, 如 圖 所 示, 並 可 記 錄 鏡 頭 解 像 品 質, 確 認 是 否 達 到 設 計 標 準, 如 表 所 示

72 圖 PD 100 逆 投 影 機 台 圖 逆 投 影 成 像 原 理

73 表 逆 投 影 記 錄 NO. NO.1 NO.2 NO.3 NO.4 NO.5 NO.6 NO.7 NO.8 NO.9 NO.10 φ1 φ1.9 φ2.6 中 心 上 右 下 左 上 右 上 右 右 下 下 左 下 左 左 上 上 H V T S T S T S T S T S T S T S T S T S T S T S T S T S 右 上 T

74 S φ4 右 右 下 下 左 下 左 左 上 上 右 上 右 右 下 下 左 下 左 左 上 T S T S T S T S T S T S T S T S T S T S T S T S T S T S

75 3.7 鏡 頭 MTF 測 試 分 析 鏡 頭 經 過 逆 投 機 台 確 認, 再 來 利 用 逆 投 影 機 台 判 定 OK 的 鏡 頭, 來 設 定 MTF 測 試 機 台, 如 圖 所 示, 並 設 立 機 台 Chart 的 佈 點 位 置, 點 1~8 為 0.4 視 場 位 置,9~16 為 0.8 視 場 位 置, 如 圖 所 示, 來 確 認 鏡 頭 MTF Through Forcus 如 圖 所 示, 與 MTF 數 值, 如 圖 與 折 線 圖 所 示, 並 可 利 用 機 台 來 判 定 鏡 頭 是 否 達 到 出 貨 標 準, 藉 由 此 機 台 的 檢 測 鏡 頭, 可 縮 短 鏡 頭 解 像 測 試 時 間, 增 加 生 產 產 量

76 圖 MTF Chart 佈 點 位 置 圖 圖 MTF 機 台 判 定 鏡 頭 Through forcsu 曲 線 圖

77 圖 鏡 頭 MTF 測 定 數 值 圖 鏡 頭 MTF 測 定 數 值 折 線 圖

78 圖 鏡 頭 MTF 測 定 數 值 折 線 圖 鏡 頭 實 拍 測 試 將 鏡 頭 裝 到 模 組 上 進 行 實 際 拍 攝, 確 認 鏡 頭 實 際 解 像 與 是 否 有 雜 散 光 的 產 生, 如 圖 所 示, 首 先 會 針 對 單 鏡 頭 進 行 Chart 實 拍 解 像 確 認, 確 認 MTF 品 質, 如 圖 所 示, 再 來 確 認 鏡 頭 在 辦 公 室 環 境 下 的 雜 散 光, 確 認 鏡 頭 是 否 有 散 雜 光, 如 圖 所 示, 以 上 都 沒 有 問 題 後, 再 來 確 認 整 顆 鏡 頭 模 組 拍 攝 像 果, 如 圖 所 示, 為 此 顆 產 品 360 度 拍 攝 的 效 果

79 圖 鏡 頭 組 到 模 組 上 示 意 圖 圖 鏡 頭 到 模 組 上 示 意 圖

80 由 圖 鏡 頭 拍 攝 確 認 Chart, 可 明 顯 看 出 Chart 中 心 與 週 邊 的 解 像 清 晰, 因 此 鏡 頭 判 定 結 果 為 OK 圖 鏡 頭 拍 攝 Chart 解 像 確 認 圖 鏡 頭 辦 公 室 環 境 雜 散 光 確 認

81 圖 度 單 鏡 頭 拍 攝 效 果

82 4.1 光 學 設 計 結 果 比 較 第 四 章 研 究 結 果 光 學 設 計 時, 針 對 2 種 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同 規 格 進 行 比 較, 在 光 學 設 計 階 段, 主 要 是 將 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 擺 放 在 Lens 2 S2 面, 如 圖 所 示, 與 Lens 3 S1 面, 如 圖 所 示, 利 用 光 線 追 跡 CODE V 軟 體 模 擬, 可 看 出 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同, 對 於 光 路 焦 點 有 很 大 的 差 異, 入 瞳 在 Lens 3 S1 面 的 焦 點 有 散 開 現 象, 增 加 光 線 數 量 模 擬, 更 可 看 出 光 路 焦 點 散 開, 如 圖 所 示, 此 現 象 將 造 成 雜 散 光, 而 導 致 鏡 頭 MTF 降 低, 所 以 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 結 構 位 置 設 計 的 不 同, 將 大 大 的 影 響 成 像 品 質, 所 以 在 整 體 的 鏡 頭 系 統 中, 結 構 設 計 需 注 意 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 擺 放 位 置 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面

83 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面, 鏡 頭 焦 點 散 開 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 L3 S1 面 多 條 光 線 模 擬, 鏡 頭 焦 點 散 開

84 4.2 利 用 Tight Tools 進 行 光 線 追 跡 模 擬 利 用 Tight Tools 進 行 光 線 追 跡 模 擬, 首 先 模 擬 光 源 在 0,10,20,30,40 & 50 度 角 的 位 置, 可 看 出 入 瞳 (Stop) 再 Lens 3 S1 面 的 鏡 頭, 焦 點 沒 有 聚 焦 的 現 象, 如 圖 4-2-1,2,3,4,5 所 示 其 中 以 10~30 最 為 嚴 重, 如 圖 4-2-2,3,4 所 示 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面 圖 光 跡 圖 0 度 角 模 擬 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面 圖 光 跡 圖 10 度 角 模 擬

85 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面 圖 光 跡 圖 20 度 角 模 擬 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面 圖 光 跡 圖 30 度 角 模 擬

86 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面 圖 光 跡 圖 40 度 角 模 擬 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面 圖 光 跡 圖 50 度 角 模 擬 確 認 過 光 跡 圖 的 模 擬 結 果, 再 來 利 用 Light Tools 散 佈 圖 模 擬 功 能, 更 可 看 出 鏡 頭 沒 有 焦 點 沒 有 聚 焦 的 情 況 下, 焦 點 能 量 的 差 異, 利 用 不 同 角 度 的 光 源 模 擬, 我 們 可 看 出 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 在 Lens 3 S1 面, 照 度 分 佈 圖 的 差 異, 如 圖 4-2-7,8,9,10,11 所 示

87 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面 圖 度 照 度 分 佈 圖

88 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面 圖 度 照 度 分 佈 圖

89 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面 圖 度 照 度 分 佈 圖

90 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面 圖 度 照 度 分 佈 圖

91 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面 圖 度 照 度 分 佈 圖

92 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面 鏡 頭 入 瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面 圖 度 照 度 分 佈 圖 4.3 鏡 頭 MTF 測 試 結 果 分 析 本 實 驗 進 行 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同 下, 設 定 2 個 條 件 進 行 實 驗, 主 要 目 的 是 要 探 討 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 產 生 的 雜 散 光 對 於 MTF 的 影 響 首 先 我 們 將 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面, 與 Lens 3 S1 面 部 品, 拿 到 MTF 機 台 測 試, 可 看 出 MTF 量 測 數 據, 如 圖 & 所 示, 再 將 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 不 同 位 置 的 MTF 量 測 數 據 匯 整 成 折 線 圖, 如 圖 & 所 示, 從 MTF 折 線 圖 可 看 出, 鏡 頭 入 瞳 (Stop)

93 位 置 在 Lens 3 S1 面 的 鏡 頭,MTF 量 測 數 值 0.6Fiedl 降 了 2~5%, 0.8Field 降 了 5~7%, 如 圖 所 示 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 MTF 量 測 數 據 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 MTF 量 測 數 據 折 線 圖 -1 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 MTF 量 測 數 據 折 線 圖

94 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 MTF 量 測 數 據 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 MTF 量 測 數 據 折 線 圖 -1 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 MTF 量 測 數 據 折 線 圖

95 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同 MTF 數 據 差 異 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同 MTF 平 均 值 比 較 折 線 圖 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同 MTF Min 比 較 折 線 圖

96 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同 MTF Max 比 較 折 線 圖 4.4 鏡 頭 實 拍 測 試 比 較 將 本 實 驗 鏡 頭 裝 到 模 組 上, 實 拍 辦 公 室 環 境, 可 發 現 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 的 鏡 頭, 鏡 頭 成 像 品 質 較 為 銳 力, 如 圖 所 示, 相 較 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 的 鏡 頭, 鏡 頭 成 像 品 質 較 差, 如 圖 所 示, 此 現 象 將 嚴 重 影 響 鏡 頭 解 析 度 品 質, 造 成 鏡 頭 實 拍 有 模 糊 現 象 與 燈 管 拖 影 現 象

97 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面, 成 像 品 質 較 銳 力 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 成 像 品 質 不 佳

98 4.5 鏡 頭 效 率 測 試 結 果 從 以 上 的 測 試 結 果 比 較, 可 以 看 出 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 的 設 定, 對 於 同 樣 是 中 置 光 圈 系 統 的 鏡 頭 架 構, 雜 散 光 有 大 的 影 響, 且 雜 散 光 也 對 會 降 低 鏡 頭 的 MTF 品 質, 如 圖 所 示, 可 看 出 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同,MTF 實 測 值 入 瞳 位 置 在 Lens 2 S1 面, 較 入 瞳 (Stop) 位 置 在 Lens 3 S1 面,0.6 視 場 高 2~4%;0.8 視 場 則 有 5~9% 差 異 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 不 同 MTF 平 均 值 比 較 折 線 圖 利 用 實 際 拍 攝 辦 公 室 環 境, 更 可 看 出 鏡 頭 入 瞳 位 置 不 同, 所 產 生 的 雜 散 光 現 象, 入 瞳 位 置 設 定 錯 誤, 會 造 成 實 際 拍 攝 辦 公 室 環 境, 產 生 嚴 重 雜 散 光, 導 致 鏡 頭 成 像 品 質 較 差, 如 圖 所 示, 此 現 象 將 嚴 重 影 響 鏡 頭 解 析 度 品 質, 造 成 鏡 頭 實 拍 有 模 糊 現 象 與 燈 管 拖 影 現 象 相 對 的 鏡 頭 入 瞳 位 置 設 定 正 確, 鏡 頭 成 像 品 質 較 銳 力, 雜 散 光 較 為 輕 微, 實 際 拍 攝 辦 公 室 環 境, 可 看 出 拍 攝 效 果 較 為 銳 力 且 燈 管 也 沒 有 托 影 現 象, 如 圖 所 示

99 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 設 定 錯 誤, 造 成 成 像 品 質 不 佳 圖 鏡 頭 入 瞳 (Stop) 位 置 設 正 確, 成 像 品 質 銳 力

100 第 五 章 結 論 與 未 來 展 望 5.1. 結 論 由 此 論 文 可 知,360 度 鏡 頭 以 2G3P 結 構, 入 瞳 (Stop) 位 置 的 擺 放, 在 同 樣 是 中 置 光 圈, 入 瞳 位 置 在 Lens 2 S2 與 Lens 3 S1 面, 利 用 雜 散 光 分 析 軟 體 Light Tools 模 擬, 及 鏡 頭 MTF 實 際 量 測, 可 以 發 現 入 瞳 位 置 在 Lens 3 S1 面, 以 雜 散 光 分 析 軟 體, 利 用 光 線 追 跡 分 析, 明 顯 看 到 此 鏡 頭 架 構, 像 面 上 不 能 聚 焦 成 一 點 有 分 離 現 象, 此 現 象 利 用 實 拍 驗 證, 實 際 拍 攝 辦 公 室 燈 管, 可 看 出 燈 管 有 明 顯 的 雜 散 光 現 象, 如 圖 所 示, 可 看 出 燈 管 週 邊 有 托 影, 此 現 象 為 雜 散 光 圖 實 際 拍 攝 辦 公 室 燈 管 將 此 鏡 頭 以 MTF 機 台 測 試, 發 現 此 架 構 較 入 瞳 位 置 在 Lens 2 S2 面 的 鏡 頭 架 構,MTF 0.6 Field ( 視 場 ) 低 了 2~5%, 外 圈 0.8 Field ( 視 場 ) 更 是 降 低 了 5~9%, 如 圖 所 示, 依 此 模 擬 與 實 際 測 試 比 較,

101 可 驗 證 設 計 與 實 際 是 否 吻 合, 因 此 此 方 式 可 提 供 未 來 光 學 設 計 製 造 參 考, 以 減 少 開 發 時 間 與 金 錢 的 浪 費, 提 昇 開 發 效 益 圖 鏡 頭 MTF 量 測 數 據 平 均 Min & Max 值 差 異 5.2. 未 來 展 望 隨 著 全 球 數 位 化 的 發 展, 視 訊 會 議 將 取 代 電 話 會 議, 傳 統 的 視 訊 鏡 頭, 只 能 顯 示 一 個 方 向 位 置, 因 此 本 論 研 究 360 度 鏡 頭, 對 於 視 訊 相 關 產 品 將 具 指 標 性 意 義, 從 設 計 開 發 與 生 產 製 造 等 技 術 方 面 均 可 獲 得 市 場 經 濟 價 值, 且 目 前 國 內 外 同 業 均 未 有 此 項 設 計 產 品 推 出, 因 此 該 項 產 品 研 發 除 了 提 昇 產 品 應 用 成 面 外, 更 具 備 創 新 造 領 的 技 術 成 面, 因 此 希 望 此 產 品 創 新 方 式 能 帶 給 國 內 光 電 產 業 增 加 思 維 的 方 式

102 參 考 文 獻 1 林 兆 彥 手 機 鏡 頭 的 雜 散 光 抑 制 研 究 ", 虎 尾 科 技 大 學 光 電 與 材 料 科 技 研 究 所 在 職 專 班, 碩 士 論 文, 民 國 96 年 2 張 良 有 CCM 用 鏡 頭 雜 散 光 分 析 與 改 善 之 研 究 ", 國 立 中 興 大 學 精 密 工 程 研 究 所, 碩 士 論 文, 民 國 97 年 3 梁 永 福 單 波 長 準 直 雷 射 光 應 用 於 鏡 頭 雜 散 光 分 析 改 善 之 研 究 " 虎 尾 科 技 大 學 光 電 與 材 料 科 技 研 究 所, 碩 士 論 文, 民 國 97 年 4 李 曉 彤, 岑 兆 丰, 幾 何 光 學 像 差 光 學 設 計 ", 浙 江 大 學 出 版 社, pp , 陳 善 明, 蔡 麗 玲, 非 球 面 光 學 之 未 來 發 展, 光 電 資 訊 第 12 期, pp. 1-2, 鄧 高 生 王 俊 欽 非 球 面 模 造 鏡 片 製 造 技 術 " 光 學 工 程 第 49 卷,pp.35~39, 民 國 84 年 3 月 7 潘 君 驊 光 學 非 球 面 的 設 計 加 工 與 檢 驗 " 科 學 出 版 社 ( 中 國 大 陸 ),1994 年 8 耿 繼 業, 何 建 娃 幾 何 光 學 " 全 華 科 技 圖 書 股 份 有 限 公 司, pp.267~289,2006 年 10 月 9 王 志 方, 數 位 相 機 光 學 鏡 頭 之 技 術 展 概 況, 台 灣 工 業 pp. 1-3, 袁 旭 滄 光 學 設 計 " 北 京 理 工 大 學 出 版 社 ( 中 國 大 陸 )

103 11 孫 文 信, 光 學 設 計 技 術 ( 一 ) 近 軸 光 線 追 跡 虎 尾 科 技 大 學, code V 網 頁 13 科 儀 新 知 第 二 十 七 卷 第 四 期 C. F. Ho, T. M. Huang, S. T. Chang, "Stray Light Analysis and Suppression in Opical System," pp , 科 儀 新 知 第 二 十 七 卷 第 四 期, 包 學 城, 攝 影 鏡 頭 的 光 學 原 理 與 應 用 技 巧, 上 海 交 通 大 學 出 版 社, pp , pp ,