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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

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. 2011 TAIWAN 中華民國 100 年 1 月 ii

iii

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

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

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

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

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 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 1 1.3 研究動機 3 1.4 論文架構 10 第二章原理 11 2.1 鏡片的分類 11 2.1.1 非球面的定義公 13 2.2 鏡片材質分類 17 2.3 鏡頭孔徑光欄與入瞳介紹 22 2.4 鏡頭對比度的概念 23 2.5 鏡頭 MTF 解析度 25 2.6 鏡頭 MTF 解讀 26 2.7 CODE V & MTF 評價 28 2.8 鏡頭雜散光原理 28 2.9 鏡頭雜散光分析與評價慨念 29 第三章研究方式 38 3.1 光學系統規格與 Sensor 規格確認 39 3.2 光學設計 42 3.3 機構設計 50 3.4 光線追跡 53 3.5 鏡頭組立 59 3.6 鏡頭逆投影分析 60 3.7 鏡頭 MTF 測試分析 64 3.8 鏡頭實拍測試 67 第四章實驗結果 71 4.1 光學設計結果比較 71 4.2 利用 Light Tools 光線追跡模擬 73 4.3 鏡頭 MTF 測試結果分析 80 viii

4.4 鏡頭實拍測試比較 84 4.5 鏡頭效力測試結果 87 第五章結論 89 5.1 結論 89 5.2 未來展望 90 參考文獻 91 Extended Abstract 簡歷 ix

表目錄表 1-3-1 視訊會議系統種類與應用特性表格 5 表 1-3-2 視訊會議設備機種比較 6 表 2-2-1 光學塑膠鏡片使用材料物性表 18 表 2-2-2 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 3-1-1 鏡頭模組規格 38 表 3-2-1 鏡頭光學設計參數 40 表 3-2-2 鏡頭塑膠鏡片光學非球面係數 41 表 3-6-1 逆投影記錄 60 x

圖目錄圖 1-3-1 為 SONY PSC-1 機型 7 圖 1-3-2 為 Polycom VSC7000e 機型 7 圖 1-3-3 為 Tandberg 6000 機型 8 圖 2-1-1 凸透鏡與凹透鏡 10 圖 2-1-2 2 片式非球面鏡片 30 萬畫素鏡頭 11 圖 2-1-3 3 片式非球面鏡片 130/300 萬畫素鏡頭 12 圖 2-1-4 4 片式非球面鏡片 500/800 萬畫素鏡頭 12 圖 2-1-5 二次元錐曲線 14 圖 2-1-6 球面像差 15 圖 2-1-7 軸向色差 16 圖 2-3-1 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 2-4-2 MTF 投影解析分析圖 23 圖 2-5-1 業界實物中常用的 MTF 調製轉換函數的圖例 24 圖 2-6-1 攝影鏡頭 MTF 解讀範例圖 25 圖 2-6-2 對應 MTF 之對比度與解析度影像比較圖 26 圖 2-7-1 CODE V MTF 圖示 27 圖 2-7-2 鏡頭 MTF Through focus & DOF 27 圖 2-8-1 折反射式望遠系統中的光原質射 29 圖 2-8-2 Ghost 鬼影 30 圖 2-8-3 雜散光導致影像品質對比降低 31 圖 2-9-1 內部結構件的反射 33 圖 2-9-2 雜散光拍攝方式 34 圖 2-9-3 Flare 雜散光 35 圖 2-9-4 Ghost 鬼影 35 圖 3-1 鏡頭 Flare 驗證流程圖 36 圖 3-1-2 Sensor 規格與成向區域示意圖 39 圖 3-1-3 感測器成像位置 39 圖 3-2-3 鏡頭玻璃鏡片的 R 值數據 41 圖 3-2-4 鏡頭光路示意圖 42 圖 3-2-6 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 3-2-8 鏡頭 Chief Ray Angle ( 像面主光線角度 ) 44 圖 3-2-9 鏡頭之相對照度示意圖 45 xi

圖 3-2-10 鏡頭之像散與畸變 45 圖 3-2-11 鏡頭 TV distortion 46 圖 3-2-12 鏡頭橫向色差 46 圖 3-2-13 鏡頭像平面光點分佈圖 47 圖 3-3-1 內部機構件 48 圖 3-3-2 內部塑膠 Lens 圖 49 圖 3-3-3 內部玻璃 Lens 圖 49 圖 3-3-4 鏡頭 2D 機構光路圖 50 圖 3-3-5 鏡頭組立結構圖 50 圖 3-4-1 Light Tools 建立的機構圖 51 圖 3-4-2 光跡圖 0 度角模擬 52 圖 3-4-3 光跡圖 10 度角模擬 52 圖 3-4-4 光跡圖 20 度角模擬 53 圖 3-4-5 光跡圖 30 度角模擬 53 圖 3-4-6 光跡圖 40 度角模擬 53 圖 3-4-7 光跡圖 50 度角模擬 54 圖 3-4-9 0 度角照度分佈圖 54 圖 3-4-10 10 度角照度分佈圖 54 圖 3-4-11 20 度角照度分佈圖 55 圖 3-4-12 30 度角照度分佈圖 55 圖 3-4-13 40 度角照度分佈圖 56 圖 3-4-14 50 度角照度分佈圖 56 圖 3-5-1 鏡頭組立圖 57 圖 3-5-2 360 度鏡頭實體照片 58 圖 3-6-1 PD-100 逆投影機台 59 圖 3-6-2 逆投影成像原理 59 圖 3-7-1 MTF 測試機台 62 圖 3-7-2 MTF 機台 Chart 佈點位置圖 63 圖 3-7-3 MTF 機台判定鏡頭 Through Forcus 曲線圖 63 圖 3-7-4 鏡頭 MTF 機台測試數值 64 圖 3-7-5 鏡頭 MTF 機台測試數值折線圖 -1 64 圖 3-7-6 鏡頭 MTF 機台測試數值折線圖 -2 65 圖 3-8-1 鏡頭組到模組上示意圖 -1 66 圖 3-8-2 鏡頭組到模組上示意圖 -2 66 圖 3-8-3 鏡頭拍攝 Chart 解像確認 67 圖 3-8-4 鏡頭在辦公室環境雜散光實拍 67 圖 3-8-5 360 度單鏡頭拍攝效果 68 xii

圖 4-1-1 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 69 圖 4-1-2 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面, 鏡頭焦點散開 70 圖 4-1-3 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面多條光線模擬, 焦點散開..70 圖 4-2-1 光機圖 0 度角模擬 71 圖 4-2-2 光機圖 10 度角模擬 71 圖 4-2-3 光機圖 20 度角模擬 72 圖 4-2-4 光機圖 30 度角模擬 72 圖 4-2-5 光機圖 40 度角模擬 73 圖 4-2-6 光機圖 50 度角模擬 73 圖 4-2-7 0 度角照度分佈圖 74 圖 4-2-8 10 度角照度分佈圖 75 圖 4-2-9 20 度角照度分佈圖 76 圖 4-2-10 30 度角照度分佈圖 77 圖 4-2-11 40 度角照度分佈圖 78 圖 4-2-12 50 度角照度分佈圖 79 圖 4-3-1 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 MTF 量測數據 80 圖 4-3-2 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 MTF 量測數據折線圖 -1 80 圖 4-3-3 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 MTF 量測數據折線圖 -2 80 圖 4-3-4 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 MTF 量測數據 81 圖 4-3-5 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 MTF 量測數據折線圖 -1 81 圖 4-3-6 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 MTF 量測數據折線圖 -2 81 圖 4-3-7 鏡頭入瞳 (Stop) 位置不同 MTF 數據差異 82 圖 4-3-8 鏡頭入瞳 (Stop) 位置不同 MTF 平均值比較折線圖 82 圖 4-3-9 鏡頭入瞳 (Stop) 位置不同 MTF Min 比較折線圖 82 圖 4-3-10 鏡頭入瞳 (Stop) 位置不同 MTF Max 比較折線圖 83 圖 4-4-1 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面, 成像品質較稅力 84 圖 4-4-2 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面, 成像品質不佳 84 圖 4-5-1 鏡頭入瞳 (Stop) 位置不同 MTF 平均值比較折線圖 85 圖 4-5-2 鏡頭入瞳 (Stop) 位置設定錯誤, 成像品質不佳 86 圖 4-5-3 鏡頭入瞳 (Stop) 位置設定正確, 成像品質銳力 86 圖 5-1-1 實際拍攝辦公室燈管 87 圖 5-1-2 鏡頭 MTF 量測數據平均 MTF & Max 差異值 88 xiii

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 -

(baffle) 結構口徑大小, 未研究其雜散光對 MTF 影響 1 2007 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 2 2008 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 -

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 3 1.3 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 -

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 -

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 1-3-1 所示 : 表 1-3-1 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 -

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 1-3-2 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 1-3-2 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 1-3-1 所示如圖 1-3-2 所示如圖 1-3-3 所示 - 6 -

圖 1-3-1 為 SONY PSC-1 機型圖 1-3-2 為 Polycom VSC7000e 機型 - 7 -

圖 1-3-3 為 Tandberg 6000 機型 - 8 -

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 -

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 2-1-1 所示 4 圖 2-1-1 凸透鏡與凹透鏡 - 10 -

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 2-1-2 2 片式非球面鏡片 30 萬畫素鏡頭 - 11 -

圖 2-1-3 3 片式非球面鏡片 130/300 萬畫素鏡頭圖 2-1-4 4 片式非球面鏡片 500/800 萬畫素鏡頭 2.1.1 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 - 12 -

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) - 13 -

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 2-1-5 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 - 14 -

點, 因而影響成像的品質如圖 2-1-6 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 2-1-6 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 2-1-7 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 8-15 -

圖 2-1-7 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, - 16 -

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 - 17 -

表 2-2-1 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) 54 3.7 25.25 60 3 比重 (g / cm ) 3 密度 (g / m ) 1.20 1.19 1.01 1.08 1.2 1.19 - 吸水率 (%) 0.2 0.18 <0.01 0.4 透光率 (%) 90 89 92 93 折射率 1.585 1.608 1.53 1.512 比熱 (J / kg/ C) - 92 拉伸模量 ( MPa) 2450 2780 2452 - 拉伸屈服應力 ( MPa) 63 81 70.6 130 拉伸屈服伸長率 (%) 6 3 10 10 拉伸斷裂公稱伸長率 (%) >50 14 - - 彎曲模量 ( MPa) 2500 2800 2452 3050 彎曲強度 ( MPa) 96 127 104 14 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 104 - - - - - 2.1 10 1.80MPa 124 170 123 162 ( C) 0.45MPa 138 182 - - 維卡特軟化點 ( C) TG 轉移溫 143 187 140 164 成形收縮率平行方向 (%) 垂直方向 0.5~0.7 0.5~0.7 0.45~0.6 0.5~0.7 線膨脹係數平行方向 0.7 0.7 0.6 0.9 4 ( 10 / C) 垂直方向 0.7 0.7 0.6 0.9 熱傳導率 (Kcal/ m hr C) - - - 0.17-18 -

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 - 19 -

表 2-2-2 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 1.497 1.717 1.582 Vd 阿貝數 81.6 29.5 46.4 Tg 轉移點 458 622 572 膨脹係數 - 高溫 155 96 100 膨脹係數 - 常溫 131 82 85 硬度 HK 350 550 520 磨耗度 Aa 449 161 155 比重 d 3.62 3.06 2.75 3. 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 9-20 -

2-3 孔徑光欄與入瞳圖 2-3-1 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 - 21 -

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 - 22 -

圖 2-4-2 MTF 投影解像分析圖 - 23 -

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 2-5-1 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 2-5-1 所示 - 24 -

圖 2-5-1 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 2-6-1 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 2-6-1 攝影鏡頭 MTF 解讀範例圖 - 25 -

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 2-6-2 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 2-6-2 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 : 0.5 @ 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 2-7-1 可看出 MTF 再不同空間頻率,MTF 數值的差異 12-26 -

3P ELEMENTS FOR 1.3M DIFFRACTION MTF 08-May-06 T R T R T R T R DIFFRACTION LIMIT AXIS 0.3 FIELD ( 10.01 O ) 0.5 FIELD ( 18.46 O ) 0.8 FIELD ( 28.21 O ) 1.0 FIELD ( 33.57 O ) WAVELENGTH WEIGHT 620.0 NM 1 550.0 NM 1 460.0 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 ( 10.01 O ) 0.5 FIELD ( 18.46 O ) 0.8 FIELD ( 28.21 O ) 1.0 FIELD ( 33.57 O ) WAVELENGTH WEIGHT 620.0 NM 2 550.0 NM 7 460.0 NM 1 1.0 DEFOCUSING 0.00000 1.0 DEFOCUSING 0.00000 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 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 0.6 0.5 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 SPATIAL FREQUENCY (CYCLES/MM) 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 SPATIAL FREQUENCY (CYCLES/MM) 圖 2-7-1 CODE V MTF 圖示 Through Focus MTF & DOF, 如圖 2-7-2 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-06 1.0 DIFFRACTION LIMIT AXIS T R 0.3 FIELD ( 10.01 O ) T 0.5 FIELD ( ) R 18.46 O T R 0.8 FIELD ( 28.21 O ) T R 1.0 FIELD ( 33.57 O ) WAVELENGTH WEIGHT 620.0 NM 2 550.0 NM 7 460.0 NM 1 FREQUENCY 100 C/MM 0.9 0.8 0.7 M O 0.6 D U L 0.5 A T I O 0.4 N 0.3 0.2 0.1-0.08000-0.04000 0.00000 0.04000 0.08000 DEFOCUSING POSITION ( MM) - 27 -

圖 2-7-2 為鏡頭 MTF Through focus & DOF 2.8 雜散光原理 2.8.1 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 : - 28 -

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 2-8-1 所示圖 2-8-1. 折反射式望遠系統中的光源直射 - 29 -

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 2-8-2 所示圖 2-8-2 Ghost_ 鬼影 3. 散射雜散光 (Scatter stray light) - 30 -

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 2-8-3 為雜散光使用影像對比度降低的情況圖 2-8-3 雜散光導致影像品質對比度降低 - 31 -

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 - 32 -

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 2-9-1 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 - 33 -

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 2-9-2 所示 2 圖 2-9-2 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 2-9-3 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 2-9-4 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 - 34 -

圖 2-9-3 Flare_ 雜散光圖 2-9-4 Ghost_ 鬼影 - 35 -

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 - 36 -

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 3-1-1 所示,Sensor 規格與成像區域示意圖如圖 3-1-2 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 1600x1200-37 -

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 3-1-3 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 3-1-1 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 ~85-38 -

圖 3-1-2 Sensor 規格與成像區域示意圖感測器成像位置圖 3-1-3 感測器成像位置 - 39 -

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 3-2-1 所示, 與鏡頭鏡片的非球面係數, 如圖 3-2-2 所示, 及玻璃鏡片 R 值, 如圖 3-2-3 所示表 3-2-1 鏡頭光學設計參數 - 40 -

表 3-2-2 鏡頭塑膠鏡片光學非球面係數玻璃鏡片 R 值圖 3-2-3 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 3-2-4 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 - 41 -

圖 3-2-4 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 3-2-5 所示, 與全頻的 MTF 品質, 如圖 3-2-6 所示, 及鏡頭 MTF VS Field 性能, 如圖 3-2-7 所示, 鏡頭 Chief Ray Angle ( 像面主光線角度 ), 如圖 3-2-8 所示, 鏡頭之像散與畸變, 如圖 3-2-9 所示, 鏡頭橫向色差, 如圖 3-2-10 所示, 鏡頭 TV distortion 桶狀 (Distortion 為負 ), 如圖 3-2-11 所示, 鏡頭橫向色差, 如圖 3-2-12 所示, 還有鏡頭焦點光點分佈圖, 如圖 3-2-13 所示, 等鏡頭光學規格 - 42 -

圖 3-2-5 鏡頭 MTF Through focus - 43 -

圖 3-2-6 鏡頭 MTF 全頻品質圖 3-2-7 鏡頭 MTF VS Field 性能 - 44 -

圖 3-2-8 鏡頭 Chief Ray Angle ( 像面主光線角度 ) 圖 3-2-9 鏡頭之相對照度示意圖圖 3-2-10 鏡頭之像散與畸變 - 45 -

圖 3-2-11 鏡頭 TV distortion 桶狀 (Distortion 為負 ) 圖 3-2-12 鏡頭橫向色差 - 46 -

圖 3-2-13 鏡頭像平面光點分佈圖 - 47 -

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 3-3-1 3-3-2 與 3-3-3 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 3-3-4 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 3-3-5 所示圖 3-3-1 內部機構件 - 48 -

圖 3-3-2 內部 Lens 圖圖 3-3-3 鏡頭 2D 機構光路圖 - 49 -

圖 3-3-4 鏡頭 2D 機構光路圖圖 3-3-5 鏡頭組立結構圖 - 50 -

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 3-4-1 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 3-4-1 Light Tools 建立的 3D 機構圖 - 51 -

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 3-4-2 光跡圖 0 度角模擬圖 3-4-3 光跡圖 10 度模擬 - 52 -

圖 3-4-4 光跡圖 20 度模擬圖 3-4-5 光跡圖 30 度模擬圖 3-4-6 光跡圖 40 度角模擬 - 53 -

圖 3-4-7 光跡圖 50 度角模擬圖 3-4-8 0 度角照度分佈圖圖 3-4-9 10 度照度分佈圖 - 54 -

圖 3-4-10 20 度角照度分佈圖圖 3-4-11 30 度角照度分佈圖 - 55 -

圖 3-4-12 40 度角照度分佈圖圖 3-4-13 50 度角照度分佈圖 - 56 -

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 3-5-1 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 3-2-2 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 3-5-1 為鏡頭組立圖 - 57 -

圖 3-5-2 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 3-6-1 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 3-6-1 所示, 並可記錄鏡頭解像品質, 確認是否達到設計標準, 如表 3-6-2 所示 - 58 -

圖 3-6-1 PD 100 逆投影機台圖 3-6-2 逆投影成像原理 - 59 -

表 3-6-1 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 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 V 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 160 200 160 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 160 200 160 200 160 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 右上 T 200 200 200 200 200 160 160 200 160 200-60 -

S 200 200 200 200 200 160 160 200 200 200 φ4 右右下下左下左左上上右上右右下下左下左左上 T 200 200 200 200 200 160 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 160 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 160 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 160 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 160 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 S 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 T 100 125 125 125 100 125 100 125 125 125 S 125 160 160 160 125 160 125 125 125 125 T 125 125 160 160 125 100 125 125 125 125 S 160 160 160 160 125 125 160 160 100 160 T 125 160 125 160 125 125 125 160 125 125 S 160 160 160 160 125 125 125 160 100 160 T 160 160 125 160 125 160 125 160 125 125 S 160 160 160 160 125 160 160 160 125 160 T 160 160 125 160 160 160 160 160 160 160 S 160 160 160 160 160 160 160 160 160 160 T 160 160 160 160 160 160 160 160 160 160 S 160 125 160 160 160 160 125 125 160 160 T 160 160 160 160 160 160 160 160 160 160 S 160 160 160 160 160 160 160 125 160 160 T 160 160 160 160 160 160 160 160 160 160 S 160 160 160 160 160 160 160 160 160 160-61 -

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 3-7-1 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 3-7-2 所示, 來確認鏡頭 MTF Through Forcus 如圖 3-7-3 所示, 與 MTF 數值, 如圖 3-7-4 3-7-5 與 3-7-6 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 - 62 -

圖 3-7-2 MTF Chart 佈點位置圖圖 3-7-3 MTF 機台判定鏡頭 Through forcsu 曲線圖 - 63 -

圖 3-7-4 鏡頭 MTF 測定數值圖 3-7-5 鏡頭 MTF 測定數值折線圖 -1-64 -

圖 3-7-6 鏡頭 MTF 測定數值折線圖 -2 3.8 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 3-8-1 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 3-8-2 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 3-8-3 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 3-8-4 所示, 為此顆產品 360 度拍攝的效果 - 65 -

圖 3-8-1 鏡頭組到模組上示意圖圖 3-8-2 鏡頭到模組上示意圖 - 66 -

由圖 3-8-3 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 3-8-3. 鏡頭拍攝 Chart 解像確認圖 3-8-4 鏡頭辦公室環境雜散光確認 - 67 -

圖 3-8-5 360 度單鏡頭拍攝效果 - 68 -

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 4-1-1 所示, 與 Lens 3 S1 面, 如圖 4-1-2 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 4-1-3 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 4-1-1 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 - 69 -

圖 4-1-2 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面, 鏡頭焦點散開圖 4-1-3 鏡頭入瞳 (Stop) 在 L3 S1 面多條光線模擬, 鏡頭焦點散開 - 70 -

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 4-2-1 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 4-2-2 光跡圖 10 度角模擬 - 71 -

鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面圖 4-2-3 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 4-2-4 光跡圖 30 度角模擬 - 72 -

鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面圖 4-2-5 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 4-2-6 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 - 73 -

鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面圖 4-2-7 0 度照度分佈圖 - 74 -

鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面圖 4-2-8 10 度照度分佈圖 - 75 -

鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面圖 4-2-9 20 度照度分佈圖 - 76 -

鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面圖 4-2-10 30 度照度分佈圖 - 77 -

鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面圖 4-2-11 40 度照度分佈圖 - 78 -

鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 2-S2 面鏡頭入瞳 (STOP) 在 Lens 3 S1 面圖 4-2-12 50 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 4-3-1 & 4-3-3 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 4-3-2 & 4-3-4 所示, 從 MTF 折線圖可看出, 鏡頭入瞳 (Stop) - 79 -

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 4-3-6 所示圖 4-3-1 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 MTF 量測數據圖 4-3-2 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 MTF 量測數據折線圖 -1 圖 4-3-3 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面 MTF 量測數據折線圖 -2-80 -

圖 4-3-4 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 MTF 量測數據圖 4-3-5 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 MTF 量測數據折線圖 -1 圖 4-3-5 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面 MTF 量測數據折線圖 -2-81 -

圖 4-3-6 鏡頭入瞳 (Stop) 位置不同 MTF 數據差異圖 4-3-7 鏡頭入瞳 (Stop) 位置不同 MTF 平均值比較折線圖圖 4-3-8 鏡頭入瞳 (Stop) 位置不同 MTF Min 比較折線圖 - 82 -

圖 4-3-9 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 4-4-1 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 4-4-2 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 - 83 -

圖 4-4-1 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 2 S2 面, 成像品質較銳力圖 4-4-2 鏡頭入瞳 (Stop) 在 Lens 3 S1 面成像品質不佳 - 84 -

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 4-5-1 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 4-5-1 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 4-5-2 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 4-5-3 所示 - 85 -

圖 4-5-2 鏡頭入瞳 (Stop) 位置設定錯誤, 造成成像品質不佳圖 4-5-3 鏡頭入瞳 (Stop) 位置設正確, 成像品質銳力 - 86 -

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 5.1.1 所示, 可看出燈管週邊有托影, 此現象為雜散光圖 5-1-1 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 5-1-2 所示, 依此模擬與實際測試比較, - 87 -

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 5-1-2 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 - 88 -

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. 48-252, 2004 5 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, 1991 6 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, 2003 10 袁旭滄光學設計 " 北京理工大學出版社 ( 中國大陸 ) - 89 -

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