光学镜头设计流程new

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1、光學設計流程光學部Optical@cybernet-ap.com.tw03-6118668www.cybernet-ap.com.tw簡介•本文的目的是提供您一常見的光學設計流程，以期幫助您在使用CODEV上可以更得心應手•每個光學設計都個有不同–有些需求上的小更動，卻可能使設計上需要進行大改變。如：•操作波長•相對照度•畸變（Distortion）•影像品質•製造成本–為何一個六片式的DoubleGauss透鏡會有數百個專利？利用電腦進行光學設計•光學設計（尤其是鏡頭設計）已進入電腦輔助設計時代–只有非常簡單的系統（如：Cassegrain望遠鏡）

2、不需要使用光線追跡來進行設計•1950年代時，電腦僅是單純的進行三角幾何光線追跡•在1960年代，電腦已經可以進行初期最佳化搜尋及計算複雜的影像品質（如：MTF）•然而今日，神速的電腦計算速度被應用在挑戰設計者產品的極限概觀流程•光學設計的主要流程如下：–定義任務–「什麼是我們嘗試要執行的？」•如：在手機相機中加入變焦透鏡–發展光學規格與需求–獲得光學設計的啟始點（們）–分析啟始點及比較設計的規格與需求–最佳化每一個啟始點並進行分析–比較並觀察價值函數在進行最佳化時的步驟與結果–最終最佳化設計–準備試生產–公差（容忍度分析）–生產「什麼是我們要嘗試的

3、？」•光學系統涵蓋了非常大的應用範圍：–相機鏡頭–視覺系統，如：放大鏡、接目鏡、顯微鏡、望遠鏡、瞄準器、觀景窗、頭戴顯示器、模擬器、虛擬實境–高品質成像系統，如：偵查用透鏡、光刻儀–掃描系統，如：條碼機、印表機、雕刻機、遙控感測器–雷射光學：準直器、擴速器–通訊：光纖耦合、準直器、多工/解多工器、無線光傳輸系統–射譜儀/光譜儀–天文望遠鏡典型的光學系統發展設計規格•制定設計規格的目的，是提供設計產品時應有的規則與基本條件，讓設計者清楚知道設計的任務與限制•設計規格應包括數值參數（如：焦距、F/#...等）、設計目標及需求、其他資訊以及相對重要的需求•

4、簡單的說，設計規格包含了：–一階參數–系統資訊–性能指標與需求–加工考量•把這些資訊整理到一個表單上一階參數•焦距及放大倍率•後焦、物距或像距•光瞳（F/#、入瞳或數值孔徑）•視角（角度或高度）•成像或是無焦（準直輸出）？•物空間或像空間遠心（Telecentric，主光線平行光軸）？系統資訊與需求•波長與權重，可定義成：–光源–觀察面（人眼、底片、CCD…等）•工作環境（溫度、海拔/壓力、荷重）•切趾（有需要的話）•Transmission•相對照度（中心vs.邊緣視角）•尺寸•重量性能指標與需求•影像品質–繞射分析•均方根波前誤差•MTF（在某個

5、空間頻率上）•PSF（如Strehlratio、80%環狀能量直徑、對稱PSF）•高斯光束傳播特性–幾何分析•均方根點列圖•雙眼聚合誤差（針對雙眼系統）•影像幾何–畸變（Distortion）–線性掃描•其他：偏振方向、遠心差異…等哪一個最重要？•設計者要知道哪一個考量或需求對光學系統是最重要的。這對設計者在決定設計的取捨有所幫助–「若使用3片鏡片，我將無法獲得足夠的影像品質。我可以用4片鏡片或是非球面嗎？」–「如果不減小數值孔徑，鏡頭將無法放入」•越多的考量在事先知道，那就可以減少開發的時間與成本•我們可以藉由「最大」或「最小」，以及區分「絕對需求

6、」與「目標」來避免許多問題的發生•有時整個設計案的目的，就是在確認及學習找出問題並做出權衡哪一個最重要？-範例•影像品質：「必須整個視角都在繞射極限上」•組裝：「鏡頭必須要能放置在相機裡頭」•重量：「這將用在太空探索中，所以重量必須小於5kg」•成本：「要生產50,000個而每個成本需要少於$1.50」–成本因素會有需多的考量，例如：單一拋光一個非球面是非常貴的；然而若用塑膠模造非球面卻遠比球面研磨便宜典型的加工考量•鏡面或透鏡，或兩者皆是？•光學材料–玻璃、塑膠、金屬•表面形狀–球面、非球面、柱壯面…等•繞射表面（DOE或是Kinoform）？•組

7、裝方式•生產數量–是否需要樣本？•測試/檢查/品質檢驗方法•組裝的過程中要進行校正嗎？折射材料•玻璃–有非常多種類–可用在叫昂貴或奇特的類型。（染色、柔和、對溫度敏感…等）–有提供尺寸與等級來選擇•塑膠–只有少數選擇–無高折射率（全都小於1.7）–容易加工成非球面•但模具貴；樣本可利用精密加工機製作–熱膨脹係數與dn/dT比玻璃高–同質性/應力雙折射可能會產生問題•紅外與紫外線的特殊材料–可利用精密加工機製作非球面•各種不同的加工技術：–手製（玻璃）–鑽石研磨加工（玻璃）–摺疊式（把塑膠/樹脂摺疊在玻璃上）–模造（小玻璃或塑膠）–精密切削加工（IR材

8、料、金屬、塑膠）•加工後的表面形狀如何去量測/確認？–表面輪廓儀/CMM（三次元量床）–干涉儀•利用零位法來