Code V + LightTools Camera 設 計 體 驗 營 光 學 部 王 晴 年 Richard@terasoft.com.tw
大 綱 CODE V and LightTools 介 紹 Camera 模 型 建 構 利 用 Code V 建 構 鏡 片 組 利 用 Code V 分 析 成 像 品 質 與 進 行 優 化 利 用 LightTools 完 成 Lens Module 建 構 影 像 分 析 CODE V IMS 影 像 模 擬 雜 散 光 分 析 模 型 輸 出 與 轉 換 2
幾 何 光 學 軟 體 分 類 成 像 系 統 Sequential tracing 分 析 像 差 成 像 品 質 相 對 亮 度 耦 合 效 率 強 調 優 化 公 差 與 準 確 度 照 明 系 統 Non-sequential ray tracing 分 析 能 量 均 勻 度 注 重 計 算 時 間 資 料 庫 與 準 確 度 3
序 列 與 非 序 列 性 描 光 Sequential ray trace Non-sequential ray trace 4
序 列 性 描 光 光 線 從 表 面 1 到 2 並 依 此 順 序 計 算, 不 會 從 2 到 6 到 3 光 線 在 一 個 表 面 只 做 一 次 計 算 優 點 是 可 以 作 最 佳 化, 公 差 分 析 缺 點 是 不 接 近 真 實 世 界 常 運 用 在 成 像 系 統 中 作 透 鏡 的 設 計 5
非 序 列 性 描 光 以 物 件 為 單 位, 利 用 Monte Carlo 方 式 做 計 算 光 線 在 一 個 表 面 上 並 不 只 做 一 次 計 算 優 點 是 接 近 真 實 世 界 缺 點 是 光 線 數 過 多 無 法 最 佳 化 設 計 (LightTools 例 外 ) 常 運 用 在 照 明 系 統 或 是 雜 散 光 分 析 上 6
什 麼 是 CODE V? 以 序 列 的 方 式 處 理 幾 何 光 學 問 題 世 界 上 分 析 功 能 最 全 優 化 功 能 最 強 應 用 範 圍 最 廣 具 有 國 際 領 先 水 平 的 光 學 設 計 和 分 析 軟 體 可 建 構 多 樣 性 的 光 學 系 統 利 用 圖 表 方 式 計 算 並 呈 現 出 光 學 系 統 的 性 能 利 用 限 制 條 件 與 誤 差 函 數 進 行 優 化 製 造 前 的 分 析 7
CODE V 功 能 分 析 優 化 各 種 非 對 稱 非 常 規 複 雜 光 學 系 統 系 統 軸 心 可 能 旋 轉 或 傾 斜 的 元 件 各 類 特 殊 光 學 面 繞 射 光 柵 複 雜 非 球 面 以 及 用 戶 自 己 定 意 的 面 型 梯 度 折 射 率 材 料 和 陣 列 透 鏡 等 等 其 多 重 結 構 的 概 念 包 括 了 常 規 變 焦 鏡 頭, 帶 有 可 換 元 件 可 逆 元 件 的 系 統, 掃 描 系 統 和 多 個 物 像 共 軛 的 系 統 8
CODE V 應 用 CODE V 在 全 球 被 廣 泛 運 用 在 各 種 光 學 領 域, 如 : 照 相 設 備 顯 微 物 鏡 攝 影 機 光 譜 儀 器 太 空 光 學 系 統 X- ray 掃 描 系 統 紅 外 成 像 系 統 紫 外 光 刻 系 統 醫 療 設 備 航 太 系 統 光 電 子 和 光 通 訊 系 統 的 設 計 和 分 析 9
CODE V 操 作 界 面 Title Bar Navigation Window Menu Bar Toolbar LDM Spreadshee t Tabbed Output Window Status Bar Command Window Command Line Plot Window 10
LDM and Options CODE V 藉 由 兩 種 模 式 來 執 行 :LDM and Options LDM(Lens Data Manager) 可 以 用 來 定 義 或 修 改 鏡 面 資 料 Options 是 指 針 對 特 殊 計 算 需 求 時 所 出 現 的 多 重 視 窗 如 :spot diagram, MTF, Automatic Design LDM 可 以 透 過 主 選 單 工 具 列 及 對 話 窗 的 方 式 來 輸 入 ( 或 藉 由 指 令 欄 ) Options 是 透 過 主 選 單 開 啟 並 透 過 對 話 窗 來 控 制 每 一 個 Option 執 行 時 會 有 屬 於 自 己 的 視 窗 Option 的 修 改 都 可 以 藉 由 此 視 窗 重 新 執 行 11
System Data and Surface Data LDM 分 成 兩 種 主 要 的 參 數 System Data 指 的 是 鏡 頭 系 統 參 數 如 :f/# 波 長 視 角 等 Surface Data 指 的 是 鏡 面 參 數 如 : 曲 率 材 質 非 球 面 係 數 厚 度 傾 斜 偏 移 公 差 等 System Data 可 從 主 選 單 上 Lens > System data 開 啟, 然 後 藉 由 對 話 窗 來 控 制 Surface data 可 以 藉 由 LDM 試 算 表 或 主 選 單 上 Lens > Surface Properties 來 輸 入 LDM 試 算 表 可 顯 示 基 本 的 參 數 Surface Properties 對 話 窗 列 出 了 所 有 的 參 數 12
What Is LightTools? 以 非 序 列 的 方 式 處 理 幾 何 光 學 的 問 題 LightTools 為 一 革 命 性 的 照 明 系 統 設 計 軟 體 是 一 套 具 有 互 動 式 3D 立 體 建 模 環 境 的 革 命 性 照 明 設 計 軟 體 將 完 整 的 光 學 特 性 強 大 的 光 學 與 照 明 分 析 功 能 在 一 個 環 境 下 完 整 整 合 13
LightTools 的 特 色 模 型 建 構 CAD 使 用 者 圖 形 介 面 (GUI), 使 用 簡 單 能 容 易 的 修 改 建 立 的 元 件, 包 含 布 林 運 算 可 以 讀 取 及 轉 成 IGES STEP 及 SAT 檔 案 格 式 材 質 : 折 射 率 吸 收 率 體 散 射 偏 振 表 面 : 穿 透 反 射 吸 收 散 射 塗 膜 偏 振 Fresnel loss point and shoot 光 跡 追 蹤 功 能 照 明 分 析 各 式 光 源 ( 可 自 建 角 度 空 間 分 佈 ) 多 種 觀 察 方 式 ( 照 度 强 度 輝 度 和 色 彩 ) 速 度 快 傑 出 的 靈 活 性 結 合 指 令 列 和 GUI 其 它 軟 體 搭 配,MATLAB VB VBA C++ (COM) 14
Module Of LightTools LightTools 提 供 了 多 樣 化 的 模 組 : Core Module: 提 供 了 廣 泛 的 光 學 模 組 選 擇 方 案 系 統 的 建 構 布 林 運 算 互 動 式 3D 立 體 建 模 環 境 的 革 命 性 照 明 設 計 軟 體 包 含 巨 集 語 言 和 支 援 COM 的 介 面 Illumination Module: 提 供 蒙 地 卡 羅 模 擬 法 照 明 系 統 的 模 擬 Monte Carlo 光 源 接 受 器 與 計 量 器 Four Data Transfer Module: 支 援 通 用 工 業 CAD 數 據 格 式 標 準 格 式 :STEP SAT IGES 特 殊 應 用 軟 體 的 格 式 :CATIA Optimization Module: 全 新 的 優 化 功 能 尋 找 最 佳 情 況 增 加 系 統 的 效 能 15
LightTools 應 用 LightTools 可 應 用 在 各 種 照 明 系 統 中, 包 括 目 前 最 的 光 電 產 業 最 熱 門 的 LED 與 各 種 平 面 顯 示 器, 都 可 應 用 來 作 設 計 : 顯 示 系 統 投 影 系 統 各 種 平 面 顯 示 器 (PFD):LCD OLED OLED PDP) 汽 車 系 統 儀 表 盤 照 明 汽 車 前 燈 車 箱 内 部 照 明 車 輛 內 部 顯 示 指 示 系 統 指 示 牌 照 明 警 報 燈 其 他 照 明 系 統 LED LED 内 視 鏡 照 明 手 電 筒 16
LightTools 操 作 介 面 功 能 選 單 控 制 台 視 窗 3D 設 計 視 窗 屬 性 對 話 框 系 統 導 覽 偏 好 設 定 導 覽 視 窗 導 覽 指 令 列 錯 誤 訊 息 窗 17
可 編 輯 的 COM 介 面 LightTools 可 由 COM 介 面 與 其 它 軟 體 來 結 合 MATLAB VB VBA C++ 也 有 許 多 以 編 輯 好 的 介 面 供 使 用 Utility Library Apodization Library Physical Structure Source Library 18
操 作 系 統 的 需 求 個 人 電 腦 Pentium III IV X M, Xeon AMD Athlon ( 建 議 1GB 以 上 ) 處 理 器 注 意 : 不 支 援 Intel Itanium 處 理 器 支 援 多 CPU (LightTools) 作 業 系 統 Microsoft Windows 2000 Windows XP XP 64(Code V) 記 憶 體 最 小 512 MB( 建 議 1 GB) 光 碟 機 安 裝 軟 體 USB 埠 執 行 LightTools 時 需 安 裝 key 最 小 1024x768 顯 示 器 17 吋 以 上 的 螢 幕, 建 議 解 析 度 為 1280 x1024 建 議 使 用 支 援 OpenGL 的 顯 示 卡 繪 圖 機 全 部 作 業 系 統 支 援 的 繪 圖 機 列 表 機 全 部 作 業 系 統 支 援 的 列 表 機 19
數 位 相 機 設 計 實 例 本 實 例 可 以 藉 由 CODE V Introductory User s Guide 來 更 詳 細 的 瞭 解 整 個 操 作 方 式 本 實 例 中 我 們 將 介 紹 到 : 利 用 資 料 庫 選 擇 一 個 好 的 設 計 起 點 改 變 系 統 參 數 以 達 到 規 格 要 求 藉 由 各 種 分 析 值 來 瞭 解 鏡 頭 的 性 能 使 用 CODE V 最 佳 化 功 能 來 搜 尋 較 佳 的 解 製 造 前 的 分 析 : 公 差 分 析 製 造 前 的 準 備 : 出 工 程 圖 20
成 像 系 統 設 計 流 程 Specification Mechanical Design Lens Draft Design Optimization Design Stray Light Analysis Toleranc e Analysis Lens Drawing Data export & Tooling Quality Control No Yes End 21
相 機 規 格 Small number of elements (1-3) made from common glasses or plastics Image sensor (Agilent FDCS-2020) Type CMOS Resolution 640 x 480 effective pixels Pixel size 7.4 x 7.4 microns Sensitive area 3.55 x 4.74 mm (full diagonal 6 mm) Objective Lens Focus Fixed, depth of field 750 mm (2.5 ft.) to infinity Focal length Fixed, 6.0 mm Geometric Distortion <4% f/number Fixed aperture, f/3.5 Sharpness MTF through focus range (central is inner 3 mm of CCD) Low freq., 17 lp/mm >90% (central) >85% (outer) High freq., 51 lp/mm >30% (central) >25% (outer) Vignetting Corner relative illumination > 60% Transmission Lens alone, > 80% 400-700 nm 22
孔 徑 的 具 體 指 定 EPD = Entrance pupil diameter 數 值 孔 徑 (Numerical Aperture) NAO = 物 空 間 的 數 值 孔 徑 ( 物 在 無 窮 遠 時 無 法 定 義 ) NA = 像 空 間 的 數 值 孔 徑 f/# = EFL/EPD( 當 物 在 無 窮 遠 時 ) NAO = n sinθ Θ= tan -1 (EPD / 2L) H Object Θ THI S0 EPD Θ ' Entrance pupil NA = NAO / RED = n' sin Θ ' FNO = 1 / (2 NA) H' Image RED = H' / H L 23
定 義 視 場 視 場 的 定 義 可 以 知 道 有 多 少 物 平 面 可 成 像 在 像 平 面 可 以 定 義 視 場 角 物 高 像 高 本 範 例 視 場 角 為 53 ( 半 角 26.5 ) Object height (YOB) Object Object angle (YAN) Entrance pupil Image Image height (YIM) L YOB = - YIM/RED YOB = -L*tan(YAN) 24
New Lens Wizard New Lens Wizard 是 一 個 能 快 速 幫 助 設 定 鏡 頭 參 數 的 一 個 工 具, 可 藉 由 此 功 能 來 選 擇 : CODE V 範 例 鏡 頭 專 利 資 料 庫 ( 約 2400 個 過 期 專 利 ) 我 的 最 愛 空 白 設 計 本 實 例 中, 我 們 將 利 用 專 利 資 料 庫, 搜 尋 並 過 濾 出 一 個 適 合 規 格 的 鏡 頭 File New 25
利 用 Filter 來 過 濾 專 利 資 料 庫 下 一 步 要 在 2,400 個 專 利 鏡 頭 中 尋 找 適 合 的 鏡 頭, 可 以 利 用 Filter 來 幫 助 您! 26
不 要 把 規 格 限 制 的 很 嚴 格, 因 為 專 利 資 料 庫 可 能 沒 有 您 要 求 的! 27
將 參 數 逐 一 的 輸 入 F1: 0 F2: 11 F3: 19 F4: 26.5 28
一 階 光 學 特 性 系 統 規 格 的 要 求 焦 距 為 6 mm 藉 由 開 啟 Display > List Lens Data > First Order Data 可 以 看 到 一 階 的 光 學 特 性 目 前 的 EFL 是 0.9528 mm 利 用 Edit > Scale 來 縮 放 執 行 鈕 29
初 始 設 計 值 1.04 MM Dig Cam Design Scale: 24.00 ORA 21-Aug-06 30
LDM 試 算 表 LDM 試 算 表 記 錄 了 鏡 面 的 基 本 資 料 表 面 編 號 名 稱 形 狀 曲 率 厚 度 材 料 名 稱 光 學 特 性 及 孔 徑 大 小 點 選 任 何 欄 位 按 滑 鼠 右 鍵 呼 叫 Surface Properties 就 可 以 得 到 該 表 面 的 完 整 資 訊 31
表 面 參 數 詳 述 每 個 欄 位 的 值 都 可 以 修 改 ( 也 可 以 複 製 貼 上 ) 欄 位 右 上 方 有 時 會 出 現 一 紅 色 字 母, 表 示 該 欄 位 進 行 了 設 定 ( 如 :V 表 示 該 欄 位 定 義 成 變 數 ) 若 欄 位 底 色 變 為 灰 色, 表 示 進 行 了 某 些 運 算 (Solve, Pickup, semi-aperture), 該 欄 位 不 能 修 改 點 選 欄 位 後 按 滑 鼠 右 鍵 呼 叫 Surface Properties 也 可 以 在 表 面 屬 性 對 話 窗 中 進 行 參 數 的 修 改 32
Surface Properties 33
像 差 (Aberrations) 理 想 成 像 : 物 空 間 上 每 一 同 心 光 束 ( 點 光 源 ) 至 像 空 間 仍 保 持 同 心 光 束 垂 直 光 軸 的 物 平 面 上 各 點 仍 垂 直 於 像 平 面 各 點 的 橫 向 放 大 率 是 常 數 像 差 : 偏 離 理 想 成 像 的 現 象 一 階 像 差 : 離 焦 (Defocus): 成 像 位 置 錯 誤 傾 斜 (Tilt): 成 像 方 向 錯 誤 3 5 θ θ sin θ = θ + +... 3! 5! 34
三 階 像 差 球 差 (Spherical) 孔 徑 上 各 高 度 的 焦 點 座 落 在 光 軸 上 的 位 置 不 同 彗 差 (Coma) 孔 徑 上 各 高 度 放 大 率 不 同 光 線 經 過 中 心 與 邊 緣 孔 徑 後 得 到 不 一 樣 的 像 高 位 置 像 散 (Astigmatism) 弧 矢 方 向 與 子 午 方 向 的 焦 點 不 同 場 曲 (Field curvature) 物 面 是 平 面 但 卻 產 生 彎 曲 的 像 面 通 常 跟 折 射 率 與 光 焦 度 有 關 畸 變 (Distortion) 像 的 放 大 率 與 像 高 有 關 像 非 平 面 但 焦 點 並 未 改 變 35
像 差 曲 線 縱 軸 : 像 平 面 上 主 光 線 與 光 線 的 距 離 差 異 橫 軸 : 光 圈 上 相 對 的 高 度 ( 也 可 選 擇 出 瞳 或 入 瞳 ) Aperture stop y(ρ= -0.75) ρ=1 ρ= -0.75 Chief ray y(ρ=1) y z Image plane 36
像 差 曲 線 ( 續 ) Ray error (mm) Ray error (mm) y(ρ= -0.75) Relative Aperture ρ -1-0.75 0 1 0 1 Relative Aperture ρ y(ρ=1) Tangential (y-fan) Sagittal (x-fan) 37
色 差 (Chromatic Aberration) 因 不 同 波 長 有 不 同 折 射 率 所 產 生 的 像 差 :n = n(λ) 阿 貝 數 (Abbe number) 來 描 述 色 散 特 性 V d = (n d 1)/(n F n c ) λ d = 587.6 nm λ F = 486.1 nm λ c = 656.3 nm 阿 貝 數 越 小 (V d ~ 20 50) 色 散 越 嚴 重, 顏 色 分 的 越 開 阿 貝 數 越 大 (V d ~ 55 90) 色 散 較 不 明 顯 38
Glass Map 39
光 線 與 光 波 光 是 二 相 性 光 線 是 波 前 的 法 線 方 向 光 在 行 經 孔 徑 時 會 產 生 繞 射 現 象 幾 何 光 學 理 論 可 以 成 完 美 的 像, 但 實 際 卻 不 行 點 經 成 像 後 會 變 成 為 光 斑 (Airy disk) 最 小 的 繞 射 光 斑 ( 直 徑 )= 2.44 * λ * f/# (microns) 2.44 λ f/# Intensity at image plane 40
分 析 畸 變 畸 變 是 實 際 像 高 與 近 軸 像 高 的 差 異 和 近 軸 像 高 比 值 按 下 就 可 以 分 析 場 曲 左 邊 曲 線 是 像 散 vs. 視 場 角 ; 右 邊 是 畸 變 vs. 視 場 角 最 大 約 0.2% ( 規 格 要 求 <4%) Paraxial ray θ h EFL h = (EFL)* (tan θ) 41
分 析 MTF 選 取 Analysis > Diffraction > MTF 空 間 頻 率 最 大 為 68(cycles/mm), 以 間 格 17 增 加 ORA 1.0 0.9 0.8 0.7 M O0.6 D U L 0.5 A T I O0.4 N Dig Cam Design DIFFRACTION MTF 21-Aug-06 DIFFRACTION LIMIT AXIS T R 0.4 FIELD ( 11.00 O ) T R 0.7 FIELD ( 19.00 O ) T R 1.0 FIELD ( 26.50 O ) WAVELENGTH WEIGHT 656.0 NM 1 589.0 NM 2 430.0 NM 1 DEFOCUSING 0.00000 17 lp/mm Central.931 Outer.940.875 51 lp/mm Central.725 Outer.795.561 RAD TAN 0.3 0.2 0.1 17.000 34.000 51.000 68.000 SPATIAL FREQUENCY (CYCLES/MM) 42
分 析 相 對 照 度 可 以 藉 由 MTF 視 窗 來 分 析 (58.8%) 目 標 :60% 43
Workshop Time 將 建 構 好 的 模 型, 進 行 像 差 分 析, 觀 察 : Spot Diagram Ray Aberration Field Plot MTF 44
初 始 設 計 結 果 鏡 頭 規 格 鏡 頭 非 常 的 小 畸 變 MTF 相 對 照 度 C:93/73 初 始 值 0.2% O:94(87)/80(56) 60% C:90/30 目 標 值 <4% 58.8% 第 二 個 鏡 片 厚 度 約 為 0.126 mm, 在 製 造 上 是 很 困 難 的 O:85/25 結 果 在 設 計 上 需 要 考 慮 到 製 造 上 是 否 能 實 現, 所 以 需 要 修 改 厚 度 ( 可 以 藉 由 最 佳 化 方 法 來 修 正 ) 材 料 的 選 擇 也 需 要 考 量 專 利 中 的 鏡 片 材 料 都 是 虛 擬 材 質 高 折 射 率 的 材 料 在 現 實 中 相 當 的 昂 貴 可 以 考 慮 低 折 射 率 的 玻 璃 OK OK NG Surface Glass 1 786500.501000 3 717360.295000 5 834810.429000 45
最 佳 化 設 計 最 佳 化 設 計 經 常 被 用 來 改 善 初 始 設 計 的 光 學 性 能 需 要 變 數 來 進 行 最 佳 化 需 要 誤 差 函 數 (error function, 或 評 價 函 數 ) 來 得 知 是 否 以 達 到 期 望 的 結 果 需 要 限 制 條 件 ( 或 邊 界 條 件 ) 來 限 制 變 數 CODE V 稱 為 自 動 化 設 計 (Automatic Design) 使 用 的 方 法 :Damped Least Squares 提 供 了 一 個 精 緻 的 誤 差 函 數 與 聰 明 的 初 始 設 定 使 用 者 當 然 也 可 以 自 行 編 輯 46
本 次 最 佳 化 的 規 劃 1. 定 義 變 數 全 部 的 曲 面 厚 度 材 料 2. 定 義 厚 度 與 材 料 的 邊 界 條 件 3. 將 EFL 及 其 他 規 格 限 制 定 義 成 限 制 條 件 畸 變 相 對 照 度 等 4. 將 每 次 最 佳 化 的 結 果 繪 出 5. 初 次 進 行 最 佳 化 設 計 6. 分 析 設 計 值 是 否 滿 足 各 個 規 格 要 求 7. 再 次 進 行 最 佳 化 設 計 47
定 義 變 數 變 數 的 定 義 可 以 透 過 LDM 試 算 表 來 建 立 選 擇 一 個 或 多 個 欄 位, 按 下 滑 鼠 右 鍵, 選 擇 Vary V 出 現 在 欄 位 右 上 方 表 示 設 定 成 功 將 表 面 曲 率 1-6, 厚 度 1-5 及 image 皆 設 為 變 數 表 面 6 的 厚 度 不 用 設 定 ( 已 進 行 近 軸 求 解 ) 相 同 地, 材 料 也 設 定 為 變 數 48
自 動 化 設 計 設 定 自 動 化 設 計 (AUT) 是 一 個 非 常 彈 性 的 工 具 透 過 LDM 設 定 完 變 數 後, 就 可 以 進 行 光 線 追 跡 提 供 了 許 多 內 建 的 誤 差 函 數 ( 也 可 以 自 建 ) 提 供 了 許 多 限 制 條 件 的 參 數 ( 也 可 以 自 建 ) 執 行 局 部 最 佳 化, 有 必 要 的 話 也 可 以 進 行 全 域 最 佳 化 執 行 Optimization > Automatic Design 後 會 出 現 許 多 分 頁 對 話 窗 2. 厚 度 跟 材 料 在 此 設 定 4. 圖 形 繪 出 選 單 3. 限 制 條 件 在 這 設 定 49
厚 度 與 材 料 設 定 General constraints 避 免 產 生 非 自 然 解 例 如 : 厚 度 為 負, 無 此 材 料 允 許 所 有 表 面 都 遵 循 此 限 制 條 件 初 始 設 定 為 :NFK5, NSK16, NLAF2, SF4 50
材 料 邊 界 NLAF2 SF4 NSK16 SF2 NFK5 51
光 學 限 制 條 件 Specific constraints 主 要 是 用 來 限 制 某 些 光 學 特 性 ( 或 機 構 特 性 ) 在 進 行 自 動 化 設 計 時, 能 保 有 該 性 能 最 常 使 用 的 就 是 EFL 限 制 條 件 需 加 諸 = > < minimize 盡 可 能 的 少 使 用 限 制 條 件 若 限 制 了 東 西 南 北 都 不 能 動, 那 自 動 化 設 計 就 很 難 了 本 實 例 只 有 EFL 需 要 設 定 將 所 需 要 的 目 標 6 mm 輸 入 進 去 52
EFL Constraint 53
誤 差 函 數 (Error Function) CODE V 內 部 設 定 了 五 種 誤 差 函 數 Transverse ray aberrations (default) Wavefront variance (OPD-based) MTF Fiber coupling efficiency User-defined Error Function = N i = 1 W 2 i ( A T ) i i 2 54
內 訂 誤 差 函 數 內 訂 的 誤 差 函 數 是 加 權 後 的 均 方 根 光 斑 大 小 橫 向 像 差 (DX and DY from chief ray) 所 有 的 離 軸 光 線 每 一 個 波 長 視 角 及 多 重 結 構 加 權 係 數 波 長 ( 內 定 值 與 LDM 相 同 ) 視 角 ( 內 定 值 與 LDM 相 同, 最 常 改 變 ) 孔 徑 ( 內 定 值 一 樣 大 ) y x 55
初 版 最 佳 化 後 結 果 (DEL:0.22) 56
初 版 設 計 後 的 品 質 Distortion:-2.63% OK Relative illumination:68.1% OK MTF OK 17 lp/mm Central.94 Outer.851.851 51 lp/mm Central.500 Outer.478.489 RAD TAN 57
Workshop Time 依 照 前 述 內 容, 練 習 最 佳 化 的 使 用 58
權 重 (Weight) 誤 差 函 數 的 權 重 對 於 自 動 化 設 計 的 解 有 很 大 的 影 響 力 權 重 的 給 定 與 設 計 者 的 經 驗 有 相 當 的 關 係 CODE V 提 供 Undo 幫 助 設 計 者 可 以 有 更 大 的 測 試 空 間 59
最 佳 化 後 設 計 值 60
設 計 後 的 品 質 Distortion:-1.60% OK Relative illumination:67.0% OK MTF OK 17 lp/mm Central.900 Outer.851.858 51 lp/mm Central.500 Outer.477.508 RAD TAN ORA 1.0 0.9 0.8 0.7 M O0.6 D U L 0.5 A T I O0.4 N 0.3 JAPAN PATENT 50_28 07 750129 DIFFRACTION MTF 27-Sep-06 DIFFRACTION LIMIT AXIS T R 0.4 FIELD ( 11.00 O ) T R 0.7 FIELD ( 19.00 O ) T 26.50 O R 1.0 FIELD ( ) WAVELENGTH WEIGHT 656.0 NM 1 589.0 NM 2 430.0 NM 1 26.50 O DEFOCUSING 0.00000 0.2 0.1 17.000 34.000 51.000 68.000 SPATIAL FREQUENCY (CYCLES/MM) 61
尋 找 可 用 鏡 片 材 質 在 進 行 最 佳 化 的 過 程 中, 所 使 用 的 材 料 都 是 虛 擬 材 質 ( 折 射 率 色 散 係 數 ), 所 以 還 要 確 定 實 際 是 否 有 此 材 料 可 支 援 62
Glass Fitting 63
再 進 行 分 析 與 最 佳 化 根 據 選 定 的 鏡 片 材 質, 分 析 結 果 再 做 一 次 AUT 64
Workshop Time 依 照 前 述 內 容, 練 習 最 佳 化 的 使 用 65
利 用 LightTools 建 構 Lens Module Lens 鏡 片 組 : 藉 由 CodeV 匯 出 成 LightTools 格 式, 可 以 在 LightTools 內 完 整 轉 移 CodeV 的 相 關 參 數 將 CodeV 設 計 的 Lens 匯 出 成 LightTools 格 式 Export -> LightTools 匯 出 的 檔 案 可 直 接 於 LightTools 開 啟 66
自 建 外 型 建 構 與 編 輯 快 速 建 構 各 式 各 樣 的 材 料 材 料 : 玻 璃 塑 膠 形 狀 : 圓 球 柱 狀 曲 面 : 非 球 面 拋 物 面 透 過 對 方 屬 性 方 塊, 可 以 輕 易 的 對 已 設 定 的 材 料 做 修 改 利 用 布 林 運 算, 具 有 移 動 轉 動 複 製 放 大 縮 小 等 功 能 可 以 對 材 料 做 切 割 組 合 群 組 等 的 設 計 便 利 的 2D Pattern, 3D Texture 建 立 67
Geometry Creating and Editing 快 速 建 構 各 式 各 樣 的 材 料 形 狀 大 小 位 置 材 質 選 擇 您 需 要 的 指 令 選 擇 您 需 要 的 形 狀 選 擇 您 需 要 的 曲 面 Element Place Singlet Command Line 輸 入 點 座 標 或 直 接 在 視 窗 內 做 點 選 完 成 68
Command Line Input 利 用 Snap 固 定 座 標 在 Z 軸 上 點 1 點 2 點 3 點 4 69
Change Parameters 進 入 屬 性 對 話 方 塊 修 改 參 數 在 圖 上 直 接 點 選 需 要 的 面 滑 鼠 右 鍵 Properties 在 Navigation Tree 點 選 需 要 的 面 Properties 70
Change Parameters 修 改 其 幾 何 上 的 特 性 : 位 置 旋 轉 角 度 半 徑 厚 度 幾 何 形 狀 71
Change Parameters 更 細 微 的 修 改 其 幾 何 上 的 特 性 : 曲 率 曲 面 內 半 徑 72
Geometry Creating and Editing 可 以 對 材 料 做 任 意 變 化 切 割 群 組 轉 動 移 動 選 擇 您 需 要 的 指 令 選 擇 您 需 要 的 動 作 選 擇 您 需 要 的 物 件 Modifying Element Editing 直 接 在 視 窗 點 選 命 令 完 成 73
Command Line input 點 選 兩 個 想 膠 合 的 面 點 選 Cement 74
光 學 特 性 的 設 定 物 件 材 質 定 義 物 件 表 面 光 學 特 性 定 義 75
材 料 特 性 LightTools 提 供 各 式 的 材 料 特 性 玻 璃 (Schott, Hoya, Ohara, China, Corning ) 塑 膠 (PMMA, PC, PS, Bayer ) 特 別 材 質 (AIR, Silicon ) 自 訂 材 料 76 76
材 質 設 定 利 用 對 話 視 窗 呼 叫 物 件 特 性 選 單, 設 定 材 料 Edit -> Properties 使 用 者 定 義 材 料 Edit -> User Materials 77
表 面 光 學 特 性 設 定 利 用 對 話 視 窗 呼 叫 物 件 表 面 特 性 設 定 視 窗, 根 據 不 同 表 面 可 以 給 定 對 應 特 性 78
Zone_1 vs. BareSurface 常 用 於 Lens 設 定 Front and rear surfaces 內 建 自 動 產 生 兩 組 property zones Zone_1 BareSurface (Zone_1 以 外 的 區 域 ) 每 個 zone 可 以 定 義 不 同 的 光 學 特 性 預 設 值 每 個 Zone 相 同 Zone_1 的 大 小, 形 狀, 位 置, 方 向 可 以 自 行 定 義 欲 設 值 為 整 個 表 面 區 域 Example 若 一 鏡 片 中 心 為 反 射 邊 緣 穿 透, 則 BareSurface 設 定 為 Transmitted, Zone_1 設 定 為 reflected 79
Bare Surface Properties BareSurface 包 含 所 有 Zone 以 外 的 區 域 每 個 表 面 都 會 有 BareSurface 定 義 80
Lens 的 光 學 特 性 --Coating Edit > User Coatings 81
Lens Module 機 構 設 計 除 了 由 CodeV 設 計 的 Lens 之 外, 仍 須 建 構 Lens Barrel, Spacing, Hosing, IR-cutter 等 元 件 82
Lens Barrel: 利 用 布 林 運 算 兩 個 同 心 圓 柱 相 減 產 升 空 心 環 83
Lens Barrel: 利 用 Revolve 功 能 利 用 Lens 1 或 Lens 2 的 方 法, 將 Lens 3 的 Barrel 完 成 84
利 用 VBA 編 輯 指 令 製 作 鏡 筒 及 Baffles 利 用 EXCEL 的 VBA Library, 輸 入 各 尺 寸 後, 利 用 LightTools 編 輯 完 成 Lens Barrel. 85
利 用 CAD 檔 案 匯 入 Housing Import -> STEP -> Housing.stp Edit -> Imported Geometry -> Repaire Selected Geometry 86
影 像 分 析 CodeV IMS 影 像 模 擬 LightTools 雜 光 分 析 87
影 像 模 擬 (IMS) IMS 是 一 CODE V 主 要 的 新 功 能, 模 擬 一 2D 物 件 經 過 光 學 系 統 後 的 外 觀 影 像 輸 入 的 物 件 是 一 BMP 檔 案, 可 以 設 定 為 全 視 角 或 是 部 分 區 域 視 角 畸 變 像 差 模 糊 繞 射 模 糊 及 相 對 照 度 的 影 響 都 將 被 包 含 檢 測 器 大 小 所 造 成 的 模 糊 也 可 以 設 定 可 以 輸 出 灰 階 或 是 RGB 色 彩 影 像 88
IMS 演 算 法 CODE V 計 算 光 學 系 統 中 的 PSF( 點 擴 散 函 數 ) 陣 列 並 與 輸 入 的 物 件 進 行 卷 積 PSF 可 以 是 複 色 光 或 是 R, G, B 波 段 分 開 計 算 畸 變 是 由 主 光 線 來 決 定 = 89
方 便 又 快 速 的 定 義 IMS 1. 選 擇 一 BMP 圖 檔 2. 定 義 視 場 大 小 及 位 置 3. 設 定 PSF 計 算 參 數 4. 輸 入 顏 色 計 算 方 式 5. 希 望 的 輸 出 型 態 90
Workshop Time 利 用 CodeV980\image 目 錄 下 的 檔 案, 以 此 三 片 鏡 頭 組, 利 用 IMS 功 能 觀 察 影 像 經 過 鏡 片 後 的 變 化 91
雜 散 光 分 析 --Ray Path Ray Path 功 能 是 記 錄 光 線 在 系 統 行 進 過 程 中 每 個 獨 立 的 光 學 路 徑 每 個 Path( 路 徑 ) 代 表 光 線 從 光 源 到 終 點 間, 經 過 每 個 表 面 或 Zone 的 連 續 資 料 每 個 Path 內 會 包 含 所 有 資 料 包 括 : Path 循 序 的 表 面 與 Zone 每 個 Path 的 光 線 數 每 個 Path 的 能 量 是 非 常 好 用 的 分 析 工 具, 尤 其 是 雜 散 光 的 分 析 92
Ray Path 管 理 選 單 Ray Path 管 理 選 單 新 增 了 顯 示 各 種 不 同 路 徑 的 目 錄 93
Ray Path 畫面顯示 使用者可以設定每一種路徑(Path)所要顯示的光線數 每種路徑以不同方顏色顯現 使用者可以控制這些路徑的顯示方式 94
Ray Path 顯 示 清 單 藉 由 清 單 上 的 點 選 項 目 設 定, 使 用 者 可 以 選 擇 要 顯 現 的 Path 95
Ray Path Filter 在 Filter 功 能 中, 新 增 了 Ray Path Filter 在 接 收 器 上 只 會 顯 示 有 設 定 被 開 啟 的 Path 96
Ray Path Analyzer 此 外,ORA 還 會 推 出 Ray Path 分 析 工 具, 可 以 針 對 單 一 表 面 或 多 個 表 面 的 集 合 進 行 篩 選 分 類 篩 選 的 邏 輯 可 以 是 and 或 or 或 是 not 97
三 片 式 鏡 頭 模 組 分 析 觀 察 不 同 角 度 的 入 光 造 成 的 雜 光 現 象 設 定 要 觀 察 的 不 同 光 源 位 置 98
雜 散 光 的 來 源 正 常 的 路 徑 不 正 常 的 路 徑 ( 雜 光 ) 99
開 啟 Ray Path 可 設 定 每 個 路 徑 顯 示 的 光 線 數 在 觀 察 面 上 增 設 Ray Path Filter 以 進 行 各 光 學 路 徑 的 分 析 100
進 行 光 線 追 跡 模 擬 系 統 將 會 顯 示 每 種 不 同 路 徑 的 光 線 不 同 路 徑 顯 示 的 光 線 數 目 依 照 先 前 設 定 每 條 路 徑 顯 示 1 條 光 線 每 條 路 徑 顯 示 20 條 光 線 101
Ray Path 結 果 整 理 在 Ray Path 清 單 利 用 Sort 功 能 將 路 徑 依 照 能 量 排 列 102
進 行 分 析 選 擇 要 觀 察 的 路 徑 進 行 分 析 103
改 善 設 計 就 已 經 知 道 的 雜 光 來 源, 檢 閱 其 Path Detail, 對 造 成 雜 光 的 表 面 進 行 處 理 104
模 型 輸 出 與 轉 換 CodeV 2D 出 圖 CodeV 3D 輸 出 CodeV Fabrication Data LightTools 3D 輸 出 105
Element Drawing ISO 10110 China Standard 連 公 差 都 放 進 去 了 都 可 以 存 成 DXF 檔 案 106
CAD files Export SAT, IGES 也 可 以 把 光 線 也 存 下 來 CODE V 可 以 直 接 轉 LightTools 檔 案 107
Fabrication Data ASPHERIC CONSTANTS 2 (CURV)Y 4 6 8 10 Z = ------------------------- + (A)Y + (B)Y + (C)Y + (D)Y 2 2 1/2 1 + (1-(1+K)(CURV) Y ) CURV 0.38435150 K -1.516389 A 0.862370E-02 B 0.174584E-02 C -0.315495E-02 D 0.136051E-02 CURVATURE OF BEST SPHERE = 0.377945 RADIUS OF BEST SPHERE = 2.646 Y ASPH SAG SPHERE SAG SAG DIFFERENCE (Z) ----------------------------------------------------------------------- 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.043000 0.000355 0.000349-0.000006 0.129000 0.003199 0.003147-0.000053 0.215000 0.008894 0.008750-0.000144 0.301000 0.017453 0.017177-0.000276 0.387000 0.028898 0.028455-0.000443 0.473000 0.043257 0.042622-0.000636 0.559000 0.060567 0.059724-0.000843 0.645000 0.080866 0.079821-0.001045 0.731000 0.104196 0.102984-0.001213 0.817000 0.130598 0.129296-0.001302 0.903000 0.160114 0.158859-0.001255 0.989000 0.192804 0.191789-0.001015 1.075000 0.228781 0.228224-0.000557 Asphere Surface Sag Data SURFACE VERTEX COORDINATES NUMBER FAB LIST X Y Z ------------------------------------------------------------ 1 1 0.00000 0.00000 0.00000 2 2 0.00000 0.00000 0.10000 3 3 0.00000 0.00000 0.78303 4 4 0.00000 0.00000 0.92696 5 5 0.00000 0.00000 1.87742 6 6 0.00000 0.00000 2.72955 7 7 0.00000 0.00000 3.87482 8 8 0.00000 0.00000 3.97482 9 9 0.00000 0.00000 5.00907 10 10 0.00000 0.00000 5.25000 11 11 0.00000 0.00000 6.20000 12 0.00000 0.00000 7.30018 Global Coordinate 108
LightTools 模 型 輸 出 與 轉 換 許 多 時 候 複 雜 的 元 件 會 藉 由 CAD 相 關 的 軟 體 來 建 構 資 料 轉 換 模 組 可 以 提 供 檔 案 的 匯 入 與 匯 出, 可 接 受 的 檔 案 模 式 包 括 : SAT STEP IGES CATIA 109
資 料 轉 換 對 於 資 料 轉 換 的 過 程 LightTools 實 體 模 型 架 構 的 軟 體, 每 個 物 件 都 是 實 體 SAT STEP 及 CATIA 都 是 實 體 模 型 架 構 物 件 是 實 體, 與 LightTools 的 相 容 度 高 IGES 的 格 式 是 面 架 構 物 件 是 由 許 多 無 相 關 的 面 所 構 成 的 匯 入 後 必 須 再 定 義 成 物 件, 相 容 度 相 對 的 較 低 在 資 料 轉 換 前 必 須 先 知 道 的 檔 案 裡 有 哪 些 東 西 : 物 理 模 型 光 線 資 料 或 參 考 面 等 哪 些 功 能 必 須 加 諸 的 (3D Texture) 110
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