光學(xué)與光學(xué)設(shè)計講義

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1、 -與光學(xué)設(shè)計基本概念 1. 一般稱為可見光是位於光波帶中400~770 nm (0.1~0.77μ )，而波長較短為藍光，波長較長的為紅光。波長比可見光短的紫外光(UV)，而波長比可見光長的稱為紅外光(IR)，一般的光學(xué)玻璃或塑膠材料可應(yīng)用之400~1500nm，而波長更長的IR區(qū)域(1.5~15μ )使用的光學(xué)材料為鍺或矽。 2. 光學(xué)鏡片置於空氣界面中，當光線經(jīng)過透鏡時，光線會產(chǎn)生穿透與反射現(xiàn)像，而其中一部份會被光學(xué)材料吸收。所以折射率n之材料於空氣中的反射率計算式如下： R(反射率)={(n-1) / (n+1)}2 T(穿透率)=(1-R)X X為透鏡的面數(shù)，而此

2、計算值時是忽略材料的吸收率。 3. 當鏡片產(chǎn)生反射現(xiàn)像，而此時反射光被別的面再反射或鏡筒內(nèi)面產(chǎn)生反射而到達成像面時，這會造成降低像質(zhì)之有害光，而有害光擴大至像面整體時，則會產(chǎn)生某種像，我們稱為鬼影(像)。而防止鬼影的產(chǎn)生與界面反射的方法：(1)鏡片鍍膜(Coating)( 2)鏡片塗墨。 光線射入n和n’的交界處的情形，有些光線被反射，有些被折射，而產(chǎn)生反射線和折射線，而反射線在同介質(zhì)中依據(jù)光程的極值行進方向，這就是反射現(xiàn)象。另外折射線在折射率為n的介質(zhì)裡斜射入折射率為n’的介質(zhì)時，由於光在不同介質(zhì)裡的速率不相同，因此就改變了進行方向，這就是折射現(xiàn)象。如下圖： 這些光線都

3、遵守下面這些光學(xué)基本原則： · 入射線、反射線、折射線和法線在同一平面上。 · 入射角 i 等於反射角 r（反射律）。 · 入射角i至折射角t的關(guān)係必遵循Snell's law 由於折射率是波長的函數(shù)n(λ)，因各單色光的折射率各不相同，所以造成折射方向有所差異，或是說不同波長的光在介質(zhì)內(nèi)行進的速度不同所造成，這個現(xiàn)象，稱之為色散(dispersion)。 由上圖，我們定義色散能力(dispersion power) V= ，效率愈大，色散效果愈好，稜鏡分光效果較佳。而色散率(

4、Abbe數(shù)) (dispersion index) ，此值與製造光學(xué)玻璃有關(guān)(之間)。 另外，我們也可以由稜鏡（prism）做分光來了解色散。當白光通過一狹縫（silt）兒轉(zhuǎn)入一稜鏡（prism）如上圖所示，則各色光因在稜鏡中的折射角不同而分散。故在鏡後的白屏上出現(xiàn)一列有色的光帶稱之為光譜（spectrum）。有色光帶各色光的鄰接處，並無明顯的分界，但是各色的順序為：紅（red）、橙（orange）、黃（yellow）、綠（green）、藍（blue）、靛（indigo）、紫（violet）等七色，而這樣的現(xiàn)象就是光的色散。 ??????? 鏡片本身的材質(zhì)影響進入鏡片的光線，並造

5、成各種顏色的光,其折射率不同，讓藍色光系在離透鏡較近處成像，紅色系則在較遠處。(如下圖) 消色差可以利用強的色散力(值小的材料)，可以使凹透鏡具有抵消凸透鏡之色差的逆向像差，使合成焦距變成一樣。如下圖 畫面是由許多點所構(gòu)成的，解析度代表的就是這些點的數(shù)量，如 800 x 600 SVGA，就代表畫面是由800 x 600個點所構(gòu)成。下列幾種標準規(guī)格： ?VGA: 640(橫)x480(縱) 畫素數(shù) ? SVGA: 800(橫)x600(縱) 畫素數(shù) ? XGA: 1,024(橫)x768(縱) 畫素數(shù) ? UXGA: 1,600(橫)x1,200

6、(縱)畫素數(shù) ? SXGA: 1,280(橫)x1,024(縱)畫素數(shù) 影像是利用影像的小方格就是所謂的「像素」（Pixel）所構(gòu)成的，這些小方格是影像中最小的單位，每一個小方格都有一個明確的位置，和單一的色彩，而這些一格格的位置和色彩就決定了該影像所呈現(xiàn)出來的樣子。 數(shù)位影像測試兩大項目：『解像力』和『色彩』，測試解像力簡單的說就是量度、計算影像從清晰 --> 模糊之間的轉(zhuǎn)換點。解像力測試就是應(yīng)用科學(xué)的方法將這個極限找出來。 反差（Contrast）指明暗對比所造成的清淅範圍大小，在彩色來說還有所謂的色彩濃淡的分色能力。能夠容納明暗對比越大的鏡頭其所表現(xiàn)的細節(jié)越

7、豐富，相反的就不是一個透光性很好的鏡頭。 ??????? 首先，為了可以清楚的計算解像力的數(shù)據(jù)，目前使用歷史最悠久，也同時是最多人採用的就是 MTF = Modulation Transfer Function為基礎(chǔ)的測試程序。MTF主要是引進反差對比的概念來檢定鏡頭解像力 ，使用者必須對「空間頻率 / Spatial frequency」這個概念進行瞭解。所謂空間頻率就是1mm的寬度中 （或是等寬的其他單位），正弦濃度變化反覆有幾次的意思（請想像空間頻率如同海浪一樣的波型變化）。 銳利度和反差的對比 空間頻率由小-----------------

8、-->大 (原始尺寸）1 （1X放大）2 （3X放大）3 鏡頭的解像力 100%的反差比 解像力較差 但對比反差尚可 解像力和反差均無法比對(表示鏡頭已達極限) 原本充足的反差可以很容易辨識出兩條線來，而當空間頻率加大時，也就是線條越緊密時，反差也逐漸縮小，終於反差衰減到全部變成灰色，再也分辨不出黑白條紋來，就表示鏡頭的解像力已到極限（如 上圖所示）。 在一個（理論上的）無像差系統(tǒng)中，影像點（image point）具有最小的維度，但尺寸並不是無限小的。光的衍射效應(yīng)，實際上決定了一個最小光點的實體大小。這個光點直徑稱為「光暈圓」（Airy-disc）

9、，其大小取決於光波長與光圈直徑，形狀則類似具有一圈環(huán)狀分佈的核（core），核中央聚集最多能量的光子，周圍則環(huán)繞著光環(huán)。 光束穿越影像平面繼續(xù)前行，接著形成另外一個分散而非集聚的光錐。由於影像的點實際上是一道光束，因此集中與分散的光錐體形成的並不是一個「絕對銳利」的影像平面（參見下圖）。 穿越影像平面的光束的形狀，很像是沙漏時鐘，它的正式名稱為「焦散面」（caustic surface）。這個焦散面的外型變化，與像差校正程度有很大的關(guān)係，其實有兩種不同意義的焦平面。其中一種我們稱為「光暈焦平面」（paraxial focal plane），理論上它是影像成像的最佳位置，有最大量

10、的光束集中在這一平面上，光束形成了一個很小的高密度核，但是外圍有著大面積、低反差的光暈。因此光點雖然小，但對比卻很低。 另外一種情況，是光束本身形成了一個直徑最小的光暈圓，稱為「最小模糊圓」（Circle of Least Confusion）。光束形成的「核」直徑會較大，但是外圍的低反差光暈卻比較小，整體有較高的反差。 模糊圓是一個很簡單的概念：它是光束（或一個焦散面）聚焦在影像平面上時，所能形成的最小直徑。 當然，位於焦平面以外的影像點，就是失焦（out of focus）。這些影像點一樣會有相同結(jié)構(gòu)的焦散面，但是在焦平面上產(chǎn)生的橫斷面，和位於焦平面上的最小模糊圓是截然不同的。假如這

11、個橫斷面向最小模糊圓位置靠近，這個點會變小，但是外圍會低反差的光暈；如果橫斷面遠離最小模糊圓，光點會形成一個漫射的光束。 在光線通過鏡片時因介質(zhì)不同所以會有不同的折射率而鏡片與空氣接觸的界面上約有5％的光線反射，而這個反射也是光斑跟鬼影所以產(chǎn)生的由來，為了使這種反射不至於影響鏡片透光率的減少所作的處理，這種加膜的處理就叫做鍍膜。 紅、綠、藍三種色光依照不同分量的比例混合，可以配成自然界的一切色光，故此三種顏色稱為三原色。 光為電磁波,速度約為m/s,而可見光波長約為400nm~700nm之間,其中短波長為藍光,長波長為紅光,人眼感覺最靈敏的波長為550nm,也就是綠光,而波

12、長較可見光短的為紫外光(UV),波長較可見光長的為紅外光(IR) 鏡頭名詞 1. 焦距(EFL) A. 物方焦距( f )：由前主面到前焦點的距離。 B. 像方焦距(f*)：由前後主面到後焦點的距離。 焦距公式：f*= h / tanU* f = h / tanU 2. 後焦距(BFL) A. 由鏡頭或光學(xué)系統(tǒng)最後一面到像面的距離為光學(xué)後焦距(BFL) B. 由下座端部到像面的距離為機械後焦距(BFL*) 3. F / NO (F數(shù)) F / NO=f*/D入 f*---焦距(EFL

13、) D入---入瞳直徑 入瞳為光欄經(jīng)其前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像。 4. 畸變量(DIST) 在視場角較大或者很大時，所產(chǎn)生的像變形稱為畸變(Distoration)。 DIST=( (Y, - Y0, )/ Y0,) *100% Y, 實際像高 Y0,---理想像高 5. 相對照度(REL) 是指像面邊緣照度和中心照度之比。 6. 光學(xué)總長(TOTR) 是指由鏡頭第一面到像面的距離。 7.光能的損失因素： (1)光在折射面折射時伴隨少量反射損失。 (2)材質(zhì)對光能吸收損失。 (3)反射面的損失 (4)光學(xué)材質(zhì)的氣泡、雜質(zhì)、條紋、

14、局部混濁等等，導(dǎo)致光散射的損失。 (5)光學(xué)表面磨光不良和庇病造成光的漫反射，嚴重損失光能，並形成雜散光，嚴重影響像質(zhì)。 鏡頭問題分析 1.光暈： ● 何謂光暈現(xiàn)像：相機置於太陽底下，而鏡頭之光軸方向朝向太陽，使得拍照時太陽位於底片之中心位置，因為鏡頭之鏡片會產(chǎn)生繞射現(xiàn)像，使得照片會有太陽光芒現(xiàn)像產(chǎn)生，若光芒過足則造成照片的影物產(chǎn)生無法辨識，我們稱為光暈現(xiàn)像。 ● 光暈之排除：鏡片鍍膜以增加鏡片之穿透率。 2.內(nèi)面反射： ● 何謂內(nèi)面反射：相機置於太陽下，鏡頭之光軸與太陽中心軸產(chǎn)生協(xié)議角度，若是在特定角度內(nèi)拍照，若使得照片產(chǎn)生非太陽光影像，也就由反射的太陽影像

15、之現(xiàn)像產(chǎn)生，我們稱為內(nèi)面反射。 ● 內(nèi)面反射之排除： (1) 鏡片鍍膜：使得R值面增加穿透率，而不易產(chǎn)生面間反射現(xiàn)像。 (2) 鏡片塗墨：鏡片週邊(有效徑之外區(qū))會產(chǎn)生反射的區(qū)域施以塗墨處理，使得黑墨能把反射光給予吸收而不再反射。 (3) 鏡頭之前蓋製作消光環(huán)，使得消光暈?zāi)馨岩暯且酝獾墓饩€給予反射與分佈至鏡片以外，並使得雜光而不至於進入鏡頭內(nèi)。 (4) 縮小鏡片之有效徑或下座孔徑，此做法是不影響光圈值之狀況下實施。 3.照片暗角問題： ● 發(fā)生原因：(1)鏡頭的像高比底片對角線小。 (2)鏡頭之週邊亮度不足。 (3

16、)檢查相機之結(jié)構(gòu)是否有遮蔽到鏡頭光線路徑。 (4)光圈之位置是否於設(shè)計理論值處。 (5)鏡片之有效徑是否過小，而產(chǎn)生入射角度不足。 4.照片清淅度與銳利度不足： ● 發(fā)生原因：(1)鏡頭之光圈是否正確 (2)鏡頭之解析度(投影本數(shù))是否有達到。 (3)鏡頭投影是否有拖影現(xiàn)像產(chǎn)生。 5.光暈與鬼影發(fā)生原因： 1、 空氣中的灰塵造成鏡片不潔而產(chǎn)生雜光。 2、 視場角過大使得-雜散光進入鏡頭。 3、 鏡片邊緣反射、折射造成的雜光等等。 4、 鏡片之穿透率不足

17、，而造成反射現(xiàn)象。 6.產(chǎn)生暗角的原因： (1) 鏡頭之成像面比SENSOR感應(yīng)面小，也就說：像高不夠大，此像現(xiàn)嚴重會產(chǎn)生黑角現(xiàn)像，若是要考慮到機械之公差依判經(jīng)驗至少像高要大於感應(yīng)面0.2mm以上，如此能確保此問之產(chǎn)生。 (2) 邊緣相對照度偏低，也說是說週邊之照度值與中心之照度比值過小(低)，依客戶訂立標準相對照度比至少為50%以上，若是曲線是急遽下降則會非常明顯看到差異量，而不在此標準限內(nèi)。 (3) 鏡頭光軸傾斜嚴重，也就說螺牙配合問題，此現(xiàn)像會造成單邊暗角產(chǎn)生。 (4) 鏡頭光軸並非正中於sensor中心位置，而造成位置偏移。 ●解決暗角方式： (1) 確認鏡頭之有效徑

18、是否正確，另外確認是否可適時放大部份鏡片之有效徑，已增加成像面積，但須考量解析度降低問題。 (2) 光學(xué)設(shè)計進行優(yōu)化以拉大成像高來解決暗角問題。 (3) 光學(xué)設(shè)計優(yōu)化來以提高週邊相對亮度值。 (4) 嚴格檢驗鏡頭螺牙與holder配合問題，是否造成過鬆現(xiàn)像。 (5) HOLDER之定位是否有偏差。 7.鏡頭模糊發(fā)生原因： (1)鏡頭像高不足。 (2)鏡頭週邊投影解析度不足。 (3)塑膠透鏡週邊之面精度有嚴重問題。 (4)光學(xué)設(shè)計問題，設(shè)計之MTF週邊解析度低。 ●解決方式： (1)評估光學(xué)設(shè)計之MTF與像高值，若有問題則重新設(shè)計與優(yōu)化、並提高至理想值。 (2)射出成

19、型改善。 其他 1.專業(yè)名詞解釋： EFL：鏡頭的光圈孔大小。 BFL：鏡頭焦距。 FOV：鏡頭底部至底面焦距(範圍)。 F/NO：鏡頭的入射角多少度。 2.非球面與球面的不同之處，K：CONIC常數(shù)，以下以K值大小說明其形狀： K<1 ( 雙圓面 ) K=1 ( 拋物面 ) 1

20、解析度 / 極線解析度 5.周邊解像標準20本，里面的本數(shù)(LP/mm)代表什麼涵義： 每里面有多少黑白相間解析線條。 6.幾何光學(xué)定律，光經(jīng)過介質(zhì)的傳播問題分為四個基本定律： (1)光的直線傳播定律 同性的均勻介質(zhì)中，光是沿著直線方向傳播。 (2)光的獨立傳播定律 不同光源在空間某點相遇的彼此。 (3)光的折射定律與反射定律 (鏡頭設(shè)計最主要的定律) I 入射角 -I``反射角 I`折射角 反射定律=I``=-I 折射定律 = N I -I``

21、 T射光 反射光 n P Q n’ 折射光 分介面 I` N’ (4)全反射現(xiàn)像 入射到介質(zhì)上的光會全部反射回原來介質(zhì)中，而沒有折射光產(chǎn)生這種現(xiàn)象稱為光的全反射現(xiàn)象。 7.鎖模力的計算方法： 按照下式計算鎖模F AC AR AC：腔體部分的總投影面積(mm2) AR：流道部分的總投影面積 (mm2) Pm：腔體內(nèi)平均塑料壓力MPa (kgf/cm2) FCR：2模板模具的必要鎖模力KN{tf} FCR= (Pm x Ac)+(2Pm x AR) 1000 8.基本認識: (1) 反射式偏心儀的電源V/HZ為110V/60HZ (2) 可測定R值範圍±R( 2 )~ ±R( 600 ) (3) 可測定外徑 ( 8 ) (4) 可測精度( 10 )秒