光學(xué)元件加工技術(shù)

./第一章光學(xué)理論分析光學(xué)系統(tǒng)是由透鏡組合而成,本章主要敘述光的基本原理,透鏡的幾何光學(xué)成像理論,以及像差的問題,當(dāng)中并以光學(xué)廠實(shí)際生產(chǎn)的鏡頭為例子,輔以印證理論。1-1基本原理光是自然界的產(chǎn)物,以下就光的特性以及物理量加以說明。1-1.1可見光可見光是電磁波譜之一部份,人的眼睛可視為是電磁波接收器,工作于此波段并依此定義出可見光。在光學(xué)中常用奈米<nanometer；1nm=1×10-9m>為波長單位,圖1-1顯示可見光中心區(qū)域波長約為550nm,顏色為黃綠色。視力靈敏曲線在長波長及短波長處漸趨近于軸。一般定視力靈敏度降至其最大值的1%處為極限,兩極限的波長值分別約為430nm和690nm。在此限度外之輻射若強(qiáng)度夠的話,眼睛仍能探測到；若強(qiáng)度弱時(shí),在許多物理實(shí)驗(yàn)中可用照相底片或感光靈敏之電子探測器代替人眼。因光同時(shí)具有波和粒子的特性,一般物理現(xiàn)象的解釋則采用適性策略：對于光的行進(jìn)以電磁波解釋,對于光的吸收與輻射,則以粒子特性來處理。一般基礎(chǔ)光學(xué)依光的性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分為三類：幾何光學(xué)：將光視為粒子處理,但考慮的是整體特性表現(xiàn),亦即對光的描述是用光線〔ray的集合－光束〔lightbeam,以及物點(diǎn)、像點(diǎn)等概念。量子光學(xué)：將光視為粒子處理,但探討的是各別粒子本質(zhì)。波動光學(xué)：將光視為電磁波處理,本領(lǐng)域又稱物理光學(xué)。本論文研究的對象是精密光學(xué)組件,因此以幾何光學(xué)為應(yīng)用基礎(chǔ)。1-1.1光源和光速物體本身能發(fā)光的,如太陽、火焰、電燈、雷射稱為光源〔luminoussource。藉由光源照射物體而反射光線,方能使我們感覺物體的存在。光線可看做是由許多光子〔photon所組成,至于光束則是由許多光線匯集而成的光束線。光在真空中,具有最大的速度,用符號c代表光在真空中的速度,是自然界的常數(shù)：c=299,792.5km/s≒30萬公里/秒。1-1.2光度與照度光源的發(fā)光強(qiáng)度稱為光度〔luminousintensity。以鯨油脂制成的蠟燭,每小時(shí)燃燒120格冷〔1grain≒0.0648克光源每單位時(shí)間所輻射出來的能量,為此光源之輻射通量,只有某小部份〔波長從400nm到700nm的輻射通量能使人眼感覺其存在,此部份的輻射通量稱之為光通量〔luminousflux,單位為流明〔lumen。一標(biāo)準(zhǔn)燭光的光源,在一立體弧度角所通過的光通量,稱為一流明。物體被照射時(shí),在與光線垂直的表面上,單位面積所受到的光通量稱為照度〔illuminance,單位為流明/公尺2。1-1.3光的直線傳播在均勻的介質(zhì)中,光前進(jìn)的方式是以直線的方式而行,早期的針孔像機(jī)〔pinholecamera利用針孔成像的原理裝成,足以證明光是直線前進(jìn)的,觀察像面上所成的像,是上下顛倒并且左右相反,像高與針孔至像面距離成正比關(guān)系,沒有像差問題,且有相當(dāng)程度的景深效果,如此看來針孔像機(jī)近似完美的光學(xué)系統(tǒng),但是針孔非常地小,亮度卻是一大問題,且分辨率將受限于繞射極限。1-1.4折射率光學(xué)中折射率是一個非常重要的量,用符號n表示。介質(zhì)折射率的大小定義成光在真空中的速度與光在介質(zhì)速度中的比值n＝cv,………….〔1-1.1式中n表示折射率,c表真空中之光速,v表光在介質(zhì)中之速度。光在水中的速度是光速的四分之三,所以水的折射率約為1.3,而一般光學(xué)玻璃的折射率約為1.5,至于空氣n～1。折射率還有一個特性,介質(zhì)中的折射率會隨著光波波長而改變,這種關(guān)系也就是引起色散〔dispersion現(xiàn)象的原因。1-1.5光程光程〔opticalpath簡稱op也是光學(xué)中一個非常重要的量,對一個均勻介質(zhì)而言,它的定義是介質(zhì)折射率n與實(shí)際光線所行走路徑s的乘積op＝ns?！?-1.2若光所經(jīng)過的是由m種不同折射率所構(gòu)成的均勻介質(zhì)層,那么光從1到m層介質(zhì)的光程計(jì)算就應(yīng)該是各層介質(zhì)的折射率與實(shí)際路徑乘績的總和為op＝1mi=∑nisi?！?1-1.3如果光是在非均勻性的介質(zhì)中行走,介質(zhì)折射率就是一個位置的函數(shù),光程計(jì)算相當(dāng)于由起點(diǎn)<a>到終點(diǎn)<b>經(jīng)過了多個不同折射率的介質(zhì)層op＝ban∫<s>ds。……〔1-1.41-1.6色散由于折射率是波長的函數(shù)n<λ>,所以當(dāng)一束復(fù)色光經(jīng)折射后,因各單色光的折射率各不相同,造成折射方向有所差異,這種現(xiàn)象稱為色散。色散能力ξ表示式如下ξ＝1FDnncn??………..〔1-1.5式中Fn表藍(lán)光〔λ＝486.13nm在介質(zhì)n的折射率,nc表紅光〔λ＝656.27nm在介質(zhì)n的折射率,以及Dn表黃光〔λ＝589.29nm在介質(zhì)n的折射率。然而對于一般玻璃而言,?值約在0.012~0.05之間,數(shù)值較小使用上不方便,反而其倒數(shù)較常用來衡量介質(zhì)的色散能力,一般稱?值倒數(shù)為Abbe數(shù)〔AbbenumberVdVd≡1v＝1DFnnnc??……..〔1-1.6Vd值約介于20~80之間,此值越小表示色散愈大。1-1.7光學(xué)玻璃用于制造成透鏡等光學(xué)組件的玻璃,特別講究純度和均勻度等性質(zhì),所以稱為光學(xué)玻璃。描述光學(xué)玻璃有兩個重要的參數(shù)為折射率Nd與Abbe數(shù)VD。有了ND值及VD值,那么光學(xué)玻璃的光學(xué)特性就幾乎完全掌握了。光學(xué)玻璃之材質(zhì)務(wù)必兼顧到光學(xué)性質(zhì),物理性質(zhì),及化學(xué)性質(zhì)?，F(xiàn)分別敘述如下：性能分為a.光學(xué)性質(zhì)：折射率、色散率、著色度。b.物理性質(zhì)：比重。c.機(jī)械性質(zhì)：硬度<耗損率>、沖擊、彎曲率。d.熱性質(zhì)：轉(zhuǎn)移點(diǎn)、軟化點(diǎn)、線膨脹系數(shù)。e.電氣性質(zhì)：使用波長。f.化學(xué)性質(zhì)：耐水性、耐酸堿性、耐風(fēng)化性。特性有a.耐水性、耐酸堿性良好,即化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。b.一般而言,折射率高者,耐酸性差,耐水性好,普遍來說材質(zhì)含鉛,所以比重較重。相反地,折射率低者,耐酸性好而耐水性差,比重較輕。c.研磨之難易度視光學(xué)玻璃被水侵蝕之快慢而定,耐水性差最易研磨,而耐水性良好即難研磨。d.耐化學(xué)性差之光學(xué)玻璃,較易研磨,但研磨面較易產(chǎn)生云霧霉?fàn)?或腐蝕。品質(zhì)定義為a.依折射率與色散率而分,其種類共有兩百多種。b.光學(xué)上之均勻性。c.光學(xué)公差,折射率△Nd：±0.00001~0.0001,色散率△Vd：±0.2~0.05%。d.脈紋、氣泡與偏心。1-2光的波動性質(zhì)反射與折射是透鏡成像的理論基礎(chǔ),用幾何光學(xué)便可解釋,但考慮繞射等性質(zhì)時(shí),需用波動概念,應(yīng)用干涉原理,可以檢查鏡片的表面精度,所以本節(jié)將敘述光的波動性質(zhì)。1-2.1反射與折射圖1-2顯示空氣中有一光束照于水面上,在水表面上產(chǎn)生反射現(xiàn)象,當(dāng)其進(jìn)入水中即發(fā)生折射,入射光與法線的夾角為入射角θi,反射光與法線的夾角為反射角θr,固定入射光的折射角度為?t,但改變波長,折射角度會隨波長之增加而增加,短波長之光線偏折較大之角度,有較小折射角,圖中θ1表示紅光〔R,θ2表示綠光〔G,θ3表示藍(lán)光〔B之折射角度。反射與折射定律定義為入射、反射與折射光在法線兩側(cè),且與法線都在同一平面上。入射角與折射角遵守斯涅爾〔Snell定律nsinqi=n'sinqt。……..〔1-2.1而入射角等于反射角qi=qr,入射光束在光滑的表面會產(chǎn)生反射,但如在粗糙的表面則會產(chǎn)生漫射〔diffusereflection現(xiàn)象,大半由于漫射之故,我們才能看到周圍不發(fā)光的物體。1-2.2干涉〔Interference肥皂泡沫、油膜和其它薄膜的色彩是由于光的干涉所產(chǎn)生。圖1-3顯示一均勻之薄膜,厚度為t,折射率為n。今有一單色光照射在薄膜上,其入射角為i,則有一部份光被薄膜之上表面反射,進(jìn)入觀察點(diǎn),另一部份光折射進(jìn)入薄膜,被下表面反射,同樣進(jìn)入觀察點(diǎn),此兩束光所經(jīng)過之路程不同,進(jìn)入薄膜之光線多走了2a〔如圖所示距離,但光在薄膜中之傳播速率較空氣中慢,故薄膜單位長度之波數(shù)較空氣中多,所以薄膜中2a之距離,相當(dāng)于空氣中2na之距離,此稱為光程長度,而光程長度差的大小決定光的干涉情況。假設(shè)入射角i=0,則a=t〔薄膜厚度,對一厚度為t之薄膜,其經(jīng)上、下兩表面反射后,在回至空氣的兩束光線,其光程長度差連同相改變λ/2之和為Y=2nt＋l?！?〔1-2.2若此值為波長之整數(shù)倍,則有建設(shè)性干涉,而呈現(xiàn)明亮區(qū),若此值為半波長之奇整數(shù)倍,則有破壞性干涉,而呈黑暗區(qū)。上面是薄膜所反射的光之干涉情況,另外還有透過薄膜之光的干涉情況,如下圖圖1-3顯示一均勻之薄膜,厚度為t,折射率為n。今有一單色光照射在薄膜上,其入射角為i,則有一部份光被薄膜之上表面反射,進(jìn)入觀察點(diǎn),另一部份光折射進(jìn)入薄膜,被下表面反射,同樣進(jìn)入觀察點(diǎn),此兩束光所經(jīng)過之路程不同,進(jìn)入薄膜之光線多走了2a〔如圖所示距離,但光在薄膜中之傳播速率較空氣中慢,故薄膜單位長度之波數(shù)較空氣中多,所以薄膜中2a之距離,相當(dāng)于空氣中2na之距離,此稱為光程長度,而光程長度差的大小決定光的干涉情況。假設(shè)入射角i=0,則a=t〔薄膜厚度,對一厚度為t之薄膜,其經(jīng)上、下兩表面反射后,在回至空氣的兩束光線,其光程長度差連同相改變λ/2之和為Y=2nt＋2l?！?.……………..〔1-2.2若此值為波長之整數(shù)倍,則有建設(shè)性干涉,而呈現(xiàn)明亮區(qū),若此值為半波長之奇整數(shù)倍,則有破壞性干涉,而呈黑暗區(qū)。上面是薄膜所反射的光之干涉情況,另外還有透過薄膜之光的干涉情況,如下圖圖1-4光束a連續(xù)穿過薄膜之兩表面,光束b穿過薄膜之前,經(jīng)上、下兩表面各反射一次。光束a不經(jīng)反射,故其波形與入射光相同,光束b經(jīng)兩次由薄膜至空氣之反射,故波形亦不顛倒,故透過厚度為t之薄膜的兩光束,僅有光程長度差,而無相改變,假設(shè)入射角i=0或甚小時(shí),則光程長度差為Y=2nt?！?-2.3同樣的,若光程長度差為波長之整數(shù)倍,則兩光束有建設(shè)性干涉,若此光程長度差為半波長之奇整數(shù)倍,則產(chǎn)生破壞性干涉。自薄膜反射之兩光束比經(jīng)薄膜透射之兩光束多一相改變,即Y比Y’多λ/2,故自薄膜上面見到的干涉條紋與自薄膜下面見到的干涉條紋正好相反。1-2.3衍射〔Diffraction繞射是光在障礙物附近,如狹縫邊緣的彎曲現(xiàn)象,鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)的performance有一定的極限,即受限于繞射的現(xiàn)象,稱為繞射極限。圖1-5為入射波經(jīng)過狹縫寬度a＝λ時(shí),狹縫外圍產(chǎn)生亮度,即為繞射現(xiàn)象,當(dāng)a/?趨近于0時(shí)繞射現(xiàn)象益趨顯著,減少狹縫寬度a時(shí)繞射波變大,所以在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中的孔徑,如果小到某一程度,就會產(chǎn)生繞射現(xiàn)象。由于繞射與干涉同樣會產(chǎn)生條紋,但是條紋并不相同,表3是干涉條紋與繞射條紋之比較。1-3薄透鏡系統(tǒng)在光學(xué)的應(yīng)用上,光學(xué)曲面比光學(xué)平面的應(yīng)用要廣泛的多,因?yàn)楣鈱W(xué)曲面除了和光學(xué)平面一樣會造成光線方向的改變外,還能使光束產(chǎn)生發(fā)散〔diverge,或會聚〔converge的現(xiàn)象,因而有不同的成像方式。光學(xué)系統(tǒng)最常使用的組件,是將一塊透明玻璃相對的兩面磨成球面,一般統(tǒng)稱為透鏡<lens>,此外也可將透明塑料材料制成非球面透鏡,透鏡分類如下：凸透鏡<convexlens>,透鏡中間部分較四周邊緣厚者稱之,圖1-6。圖1-6凸透鏡形狀a.雙凸透鏡b.平凸透鏡c.月凸透鏡凹透鏡<concavelens>,透鏡中間部分較四周邊緣薄者稱之,圖1-7。圖1-7凹透鏡形狀a.雙凹透鏡b.平凹透鏡c.月凹透鏡1-3.1成像公式我們先對公式中所用到的符號加以定義及解釋：光線由左射向右,曲面左側(cè)之距離定為負(fù),右側(cè)為正。曲率〔curvature中心在曲面右側(cè)者,其半徑為正號。若出射或入射于曲面的光線,轉(zhuǎn)向法線〔normal為逆時(shí)鐘方向,則該角度定義為負(fù)。一般定光軸方向?yàn)閦軸,像高方向?yàn)閥軸,x軸則與本文表面垂直。雖然薄透鏡的厚度可以忽略不計(jì),但基本上它仍然是由兩個單一球面,中間夾著透明材料組成,所以對這樣的系統(tǒng)成像就相當(dāng)于做了兩次單一球面成像,物對于第一球面所成的像〔或像距,就相當(dāng)于第二面的物〔或物距式中o表示第一球面物點(diǎn)與物距,i1表第一球面成像點(diǎn)與像距〔也是第二球面的物點(diǎn)o2,r1表第一球面曲率半徑,n表第一球面物面折射率,n'表第一球面像面折射率。經(jīng)過第二球面的再次成像,就完成了薄透鏡的成像過程.式中2o表示第二球面物點(diǎn)與物距,i2表示第二球面成像點(diǎn)與像距,r2表示第二球面曲率半徑,n'表示第二球面物面折射率,"n表示第二球面像面折射率。因薄透鏡的厚度〔t=0可以忽略不計(jì),所以1i=2o+t=2o,因?yàn)槲稂c(diǎn)位于第二球面之右側(cè),所以2o之符號要帶負(fù)值。將〔1-3.1式和〔1-3.2式相加可得其中o,i2相當(dāng)于對薄透鏡成像的物距與像距,i2重新用i符號來表示像距假設(shè)物點(diǎn)在無限遠(yuǎn)處〔o＝∞,那么像點(diǎn)必在第二焦點(diǎn)上假設(shè)物點(diǎn)在第一焦點(diǎn)上,那么像點(diǎn)必在無限遠(yuǎn)處〔i＝∞由〔1-3.5式和〔1-3.6式可得薄透鏡的兩焦距長比值為假設(shè)薄透鏡是放在均勻的空氣介質(zhì)環(huán)境中,即n=1=''n,則此即著名的造鏡者公式〔Lensmaker’sformula[4]。因此可由材質(zhì)折射率和曲率半徑計(jì)算透鏡的焦距。折光本領(lǐng)定義為〔1-3.5、〔1-3.6式等號右邊之值物距、像距等量的量度都是從中心點(diǎn)A點(diǎn)算起,我們稱為薄透鏡的高斯成像公式〔Gaussianformula[4]。我們可將成像公式寫成另一種形式。我們以第一焦平面和第二焦平面為基準(zhǔn)來計(jì)算透鏡的物距和像距,分別用X及"X表示之,如圖1-9由相似三角形可得邊長成比例為根據(jù)〔1-3.10式,我們得到了另一個形式的成像公式稱之為透鏡成像的牛頓式〔Newtonianform[4]。1-3.2放大率〔Magnification對于薄透鏡橫向放大率的討論,我們可以直接從圖1-9和<1-3.10>式得到對于n=n〞的系統(tǒng)而言,可用更簡單的公式來計(jì)算橫向放大率的值。因?yàn)檫^中心的光線不會產(chǎn)生偏折的情形,利用邊長成比例關(guān)系可知：例如掃描儀的光學(xué)系統(tǒng),物像距=250mm,物高為216mm,像寬為20.42mm,光學(xué)系統(tǒng)放大率如下式對一個以上的薄透鏡所組成的薄透鏡系統(tǒng)成像,處理的方式同樣是先對第一個薄透鏡系統(tǒng)成像,把所成的像當(dāng)作是后面一個薄透鏡的物,然后再一次成像,這個像又可看成是下一個薄透鏡的物,依此類推,直到對系統(tǒng)的最后一個薄透鏡成像為止,最后所成的像就是物對整個薄透鏡組合系統(tǒng)所成的像。例如凸透鏡〔f1=10mm和凹透鏡〔f2＝－10mm放在空氣中,兩透鏡相距15mm,在凸透鏡前20mm〔o＝20mm處,放置一物體,物高20mm,像的位置、大小、性質(zhì)關(guān)系如下：1-4厚透鏡系統(tǒng)大多數(shù)之折射問題中都有一個以上之折射面,光由空氣進(jìn)入玻璃再進(jìn)入空氣,顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)等常有兩個以上之折射面。相對于忽略厚度的薄透鏡來說,真實(shí)透鏡是指將透鏡厚度也考慮進(jìn)去的透鏡,也就是所謂的厚透鏡。1-4.1厚透鏡〔Thicklens例如有一個無窮遠(yuǎn)的物點(diǎn),經(jīng)過厚透鏡后的成像位置,此厚透鏡的曲率半徑分別為r1=12.79mm、r2=－12.79mm,厚度t=1.87mm,折射率n'＝1.77,并將此透鏡放置在n與n"皆為1.0的環(huán)境中。點(diǎn),經(jīng)厚透鏡折射后,成像位置在第二球面的右邊8.1mm處。1-4.2主光點(diǎn)厚透鏡中,我們定義了兩個主光點(diǎn)的位置,用符號H及H〞表示之,通過主光點(diǎn)和光軸垂直的面稱為主光面。平行于光軸的光線射置厚透鏡,遇到第二主平面時(shí)會以折向第二焦點(diǎn)的方向前進(jìn),而經(jīng)過第一焦點(diǎn)的入射光線在碰到第一主平面后會以平行于光軸的方向前進(jìn)。主平面在系統(tǒng)中的位置會因透鏡形狀、厚度、材料等不同而改變。主平面在透鏡中占有非常重要的地位。原因是兩個主平面恰巧是一對具有物像關(guān)系的共軛面。但是一個透鏡的主平面到底在系統(tǒng)的那個位置上,它們和頂點(diǎn)的關(guān)系如何,厚透鏡系統(tǒng)的曲光率又如何呢。1-4.3厚透鏡公式[4]利用一平行射入厚透鏡的光線軌跡,來求出一些相關(guān)的物理量。圖1-10三角形ΔT1A1F12和三角形ΔT2A2F其中d為鏡片的厚度,三角形ΔN2H2F22和三角形ΔT2A2F22圖1-10厚透鏡系統(tǒng)比較〔1-4.4式與〔1-4.5式可得]因?yàn)樗詧D1-10我們再利用另一條經(jīng)過焦點(diǎn)的光線軌跡,可求出其它相關(guān)物理量之間的關(guān)系因?yàn)棣1'2AF11～ΔT2'1AF11和ΔN1H1F12～ΔT2'1AF12,所以比較〔1-4.8與〔1-4.9可得上列各式分別以1A、2A為參考點(diǎn),用來計(jì)算頂點(diǎn)到主光點(diǎn)或焦點(diǎn)的距離,若公式計(jì)算的結(jié)果為正值,這表示主光點(diǎn)或焦點(diǎn)的位置在參考點(diǎn)的右邊,若計(jì)算的結(jié)果為負(fù)值,這表示主光點(diǎn)或焦點(diǎn)的位置在參考點(diǎn)的左邊了,至于透鏡曲光率的計(jì)算,我們可利用第二個面的成像關(guān)系式來求得。對圖1-10中的平行光來說,經(jīng)過第一面后,使無限遠(yuǎn)處的物點(diǎn)成像在第一個面的第二焦點(diǎn)上12F,但對于第二個面來說,12F相當(dāng)于一個虛物點(diǎn),所成的像在22F位置上,所以帶入成像公式上式可重新整理為在〔1-4.13中,我們可將焦距的倒數(shù)用曲光率來表示P1,P2,P分別表示第一個面,第二個面和厚透鏡的曲光率,故1-5光欄在實(shí)際成像系統(tǒng)中會有下列問題：成像圍的限制,成像亮度的控制,這主要是系統(tǒng)中每一個光學(xué)組件的大小并非無窮大,會有某個圍的邊緣限制,因而產(chǎn)生了成像圍及成像亮度的問題,這種具有邊緣限制的組件都稱為光欄,任何成像系統(tǒng)皆有光欄,如透鏡的有效徑<CA>或是外加的孔洞<多半是圓形>,照相機(jī)中可調(diào)孔洞直徑的光圈<iris>,系統(tǒng)中可限制光通量且控制像亮度的光欄稱為孔徑光欄<aperturestop>。1-5.1孔徑光欄圖1-11是孔徑光欄示意圖,孔徑光欄到底限制了多少光通量經(jīng)由系統(tǒng)射到成像面上,先定義兩個非常重要的面,一個在物空間觀察到的孔徑光欄稱為入瞳〔entrancepupil,入瞳的位置是將系統(tǒng)的孔徑光欄對所有在它前面的成像組件所成的像,若孔徑光欄前面沒有組件那么孔徑光欄本身就是入瞳,另一個是在像空間觀測到的孔徑光欄,稱為出瞳〔exitpupil,出瞳的位置是將系統(tǒng)的孔徑光欄對所有在它后面的成像組件所成的像,若孔徑光欄后面沒有組件,那么孔徑光欄本身就是出瞳,入瞳與出瞳可說是系統(tǒng)的入、出口,可能是虛的面<孔徑光欄成的像>或是實(shí)際的面<孔徑光欄>。1-5.2主光線和邊緣光線<Chiefray&Marginalray>取離軸物點(diǎn)所發(fā)出的光線且此光線通過入瞳、孔徑光欄、出瞳和光軸的交點(diǎn),這條光線稱為主光線。若由軸上物點(diǎn)所發(fā)出通過入瞳、孔徑光欄、出瞳邊緣的光線稱為邊緣光線。1-5.3決定亮度的物理量這一節(jié)中要定義有關(guān)于系統(tǒng)亮度方面的物理量,有非常重要的特性和作用：1.半視場角〔halfangularFieldOfView：半視場角ψ是物體對入瞳角的一半,若ψ越大,則表示會有越多物體所發(fā)出的光線被聚集通過系統(tǒng),也意味著光通量越大。2.F/＃<F-number>：F/＃和系統(tǒng)的相對孔徑及照速有密切關(guān)系,對較遠(yuǎn)物體的成像系統(tǒng)中<如照相機(jī)或望遠(yuǎn)鏡的物鏡…等系統(tǒng)>,F/＃是個重要的物理量。當(dāng)我們不考慮系統(tǒng)本身反射的能量和組件材料所吸收的能量,實(shí)通過系統(tǒng)的光能量將散布在有限的像面積上,成像面積越大則光通量密度就越小,因此系統(tǒng)上的光通量密度和成像面積是成反比的關(guān)系,然而成像面積又是正比于系統(tǒng)焦距的平方1/f2,光通量的大小正比于系統(tǒng)孔徑的面積,若以D代表入瞳的直徑,則像面上的光通量密度就正比于D2/f2,我們將D/f的比值定義為系統(tǒng)的相對孔徑,它的倒數(shù)則定義成F/＃數(shù)值越小,像面上光通量密度越大,所以對照相機(jī)系統(tǒng)來說F/＃數(shù)值對曝光時(shí)間<快門速度>來說是個非常重要的物理量,F/1.4鏡頭的光通量密度是F/2的二倍,也就是說相同曝光量而言F/1.4鏡頭的快門速度要比F/2鏡頭快了兩倍。1-6像差理論評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像可以使用光線覓跡或像差理論來執(zhí)行,光線覓跡對所追蹤的光束給于正確結(jié)果,而像差理論則對系統(tǒng)的整個視場與孔徑給于近似結(jié)果。實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)需考慮到物理光學(xué)的的繞射影響,還有為了亮度、視場等的要求,光線并非是近軸的軌跡,所成的像和理想像點(diǎn)會有出入,這種成像的缺陷就稱為像差。連續(xù)光譜的像差為「色像差」,單一波長的像差為「單色像差」〔monochromaticaberration。像差的產(chǎn)生有三種原因：1.繞射的影響。2.組件制造生產(chǎn)的公差<tolerance>要求。3.真實(shí)光線的幾何光學(xué)結(jié)果。將正弦函數(shù)sinq對q＝0作泰勒展開,得當(dāng)θ很小時(shí),sinθ～θ滿足〔1-6.2式的光線就是高斯光學(xué)的近軸光線,又稱第一階光學(xué)理論<firstordertheory>,取展開式前面兩項(xiàng),稱第三階光學(xué)理論<thirdordertheory>,取展開式前面三項(xiàng),稱第五階光學(xué)理論<fifthordertheory>,質(zhì)量要求越高的成像系統(tǒng),所討論的階數(shù)也越多。1-6.1球面像差<sphericalaberration>球差是指軸上物點(diǎn)發(fā)出的光線以不同高度入射至系統(tǒng),通過系統(tǒng)后卻無法會聚成像點(diǎn)的差異現(xiàn)象。球差會隨物點(diǎn)的位置而改變,通常取平行于軸的光線〔無限遠(yuǎn)的物點(diǎn)入射至系統(tǒng)的情形為球差主值。對一成像系統(tǒng)而言,要想完全消除大孔徑透鏡的球面像差是不可能的,但是我們可以利用下面的方法使透鏡的球差減到最小：使到達(dá)透鏡第一面的光線角度與離開第二面的角度差不多相等,拿平凸透鏡系統(tǒng)為例,以凸面對著物點(diǎn)時(shí)的球差就比平面對著物點(diǎn)的球差值來的小。選擇適當(dāng)?shù)耐哥R形狀,可使透鏡的球差最小,以薄透鏡來說,相同焦距且相同材料的透鏡,可以有不同的曲率半徑,這些不同形狀的透鏡可以計(jì)算出不同的球差值。將透鏡的一面或兩面磨成非球面,可以使此透鏡的球差完全消除,然而非球面只能使某一物距的球差完全消除,其它的物距成像仍會有相當(dāng)?shù)那虿畲嬖?。要消除系統(tǒng)的球差,可以采用多透鏡組合,利用各個透鏡的正負(fù)球差相互彌補(bǔ),使系統(tǒng)的總差值降低。1-6.2像散<astigmatism>像散是離軸較遠(yuǎn)的物點(diǎn)因成像位置不同而造成的成像差異現(xiàn)象,一個有像散像差的系統(tǒng)中,離軸物點(diǎn)所發(fā)出的光線中,其子午光線〔Tangential成像位置和弧矢光線〔Sagittal成像位置不同,成像不會在同一點(diǎn),成像的形狀,在T位置上是一水平線,在S位置上是一垂直線,如圖1-12：大體上來說,軸上的物點(diǎn),是不會有像散像差發(fā)生的,物體離軸越遠(yuǎn)則像散像差越明顯,由于產(chǎn)生像差的因素多半是離軸距離而造成,系統(tǒng)孔徑的大小影響較小,所以一般我們多采用選擇適當(dāng)?shù)耐哥R形狀和適當(dāng)?shù)耐哥R間距來達(dá)成消除像散目的。1-6.3場曲<fieldcurvature>一平面物體不能夠成像為一平面,而是成像為一曲面,即為像面彎曲,如圖1-13,此現(xiàn)象會使的畫面周邊畫質(zhì)模糊,縮小光圈也不能改善像面彎曲。實(shí)務(wù)上,掃描儀鏡頭常會有場曲像差的問題,類似像散像差的改善方式,要減少場曲像差,也是選擇適當(dāng)?shù)耐哥R形狀和適當(dāng)?shù)耐哥R間距來達(dá)成,另外使用透鏡厚度配對也是減少場曲的方法之一,實(shí)際的例子詳見『第四章4-3場曲像差實(shí)務(wù)上的改善對策』。1-6.4畸變<distortion>一條直線經(jīng)過鏡頭拍攝后,變成彎曲的現(xiàn)象,稱為畸變像差。如圖1-14,向彎的是「桶狀變形」〔Barrel,向?qū)蔷€往外彎的是「枕狀變形」〔Pincushion,一支變焦鏡頭,通常在廣角端呈現(xiàn)桶狀變形,而在望遠(yuǎn)程呈現(xiàn)枕狀變形。1-6.5色像差透鏡的成像系統(tǒng)中應(yīng)用的基本原理是折射定律,因?yàn)檎凵渎蕿椴ㄩL的函數(shù),不同波長的入射光會造成不同的折射角,所以造成成像有色差<chromaticaberration>產(chǎn)生。如圖1-15,軸上物點(diǎn)M對透鏡成像,因透鏡的折射率與波長成反比,使得各色光所成像點(diǎn)分開,紅光的像點(diǎn)為Mr,藍(lán)光的像點(diǎn)稱為縱向色像差,物成像會因光波長不同而有位置上的差異,成像的大小也會因不同光波長而有不同,的高度差就稱為橫向色像差。若要消除色像差,通常是針對系統(tǒng)所使用的波長及需求來設(shè)計(jì),若能矯正二個波長的色差并同時(shí)也矯正球差系統(tǒng)稱為消色差透鏡,一般來說最簡單的消色差方法,是利用二種不同材料做成的膠合系統(tǒng),其中一個透鏡的正色像差和另一透鏡的負(fù)色像差抵消,使得兩特定波長的成像重合在一起。若想以兩個透鏡的組合來消除色像差,除了上述的膠合系統(tǒng)外,還可采取分離式的設(shè)計(jì)。光學(xué)組件<鏡頭>實(shí)務(wù)介紹本章介紹鏡片與鏡頭的設(shè)計(jì)及制程,藉此可以了解光學(xué)組件〔透鏡組成光學(xué)系統(tǒng)〔鏡頭的流程。2-1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)是光學(xué)廠最核心的圍,專業(yè)人員需具備光學(xué)知識外,最重要的還是經(jīng)驗(yàn)的累積,不同種類的鏡頭有不同的設(shè)計(jì),光學(xué)特性也各不相同。由于科技的進(jìn)步,應(yīng)用光學(xué)軟件即可在計(jì)算機(jī)上作光學(xué)設(shè)計(jì)與仿真,這里并不實(shí)際做光學(xué)設(shè)計(jì),但以掃描儀鏡頭、數(shù)字像機(jī)鏡頭實(shí)例,在設(shè)計(jì)上的光學(xué)特性加以描述。2-1.1掃描儀鏡頭光學(xué)相關(guān)規(guī):如圖2.1是掃描儀鏡頭的opticslayout,我們以此為例,將實(shí)際的數(shù)據(jù)帶入光學(xué)參數(shù)：1.使用線性〔LinearCCD,例如像面pixelsize規(guī)格是5.25μ,則其空間頻率＝1/5.25μ＝1/0.0025mm＝190.48line/mm≒96lp/mm。而空間頻率對MTF之影響可由圖2-2看出來,如圖橫軸是像面空間頻率,縱軸是MTF值,IDEA線是繞射極限,ONAXIS線是中心視場,S&T重合成一條線,0.7FIELD線是0.7視場,分為T&S方向,FULLFIELD線是全視場,也有T&S方向的位置,因?yàn)橥鈬晥鲭x光軸較遠(yuǎn),通常鏡頭設(shè)計(jì)是比較差的點(diǎn)。一般檢測解像力是采用半頻空間頻率,而此鏡頭規(guī)格必需大于50﹪,所以如圖2-3,在48lp/mm空間頻率時(shí)每個視場點(diǎn)的MTF值皆＞50﹪。2.掃描儀分辨率：一般分為600dpi、1200dpi、2400dpi…等。3.掃描文件大?。阂訟4〔210×297mm為例,代表半物寬為210/2＝105mm,在設(shè)計(jì)上,半物寬為108mm。4.放大率M〔Magnification：假設(shè)像寬為20.412mm,則像寬/物寬＝0.1890,所以M＝0.1890。5.物像距〔TotalTracing：物到像的距離,例如250mm、280mm…等,物像距越短,則半視場角越大,屬于廣角鏡頭。6.入瞳：一般以半徑表示,例如1.850000mm。g.出瞳：也以半徑表示,例如1.666779mm。：例如24.234288mm。8.F-number：與鏡片大小有關(guān),由于F/n＝入瞳直徑,所以F/n＝24.234288/1.850000×2≒6.55。9.半視場角：與系統(tǒng)的E.F.L有關(guān),也與鏡片數(shù)目、形狀有關(guān),例如全視場〔1.0field＝－25.880375度。10.后焦值<B.F.L>：與E.F.L相關(guān),例如23.69mm。11.wavelength：與透鏡材料有關(guān),一般測試可分為紅〔R、綠〔G、藍(lán)〔B以及白〔W光。例如：546nm450nm620nm三種波長,比重〔weight111測試光源為白光,比重〔weight100測試光源為綠光,比重〔weight010測試光源為藍(lán)光,以及比重〔weight001測試光源為紅光。12.解像力〔resolution：『詳見第三章3-6MTF機(jī)』。2-1.2數(shù)位像機(jī)鏡頭光學(xué)相關(guān)規(guī):如圖2.4是數(shù)字像機(jī)鏡頭的opticslayout,我們以此type為例,也將實(shí)際的數(shù)據(jù)帶入光學(xué)參數(shù)。Senser：面型〔ArrayCMOS,例如1/2〞、2M〔200萬像數(shù),pixelsize是4μ。像寬：跟CMOS大小有關(guān),例如－4.255800。3.解像力圍：像寬×2×0.7F＝5.95812≒ψ6.0。4.入瞳半徑：1.174527mm。5.出瞳半徑：3.092418mm。：7.509829mm。7.后焦值：7.19mm〔不含濾光片與6.64mm〔含濾光片。F-number：7.509829/2.349054＝3.2。半視場角：例如－29.516760度。10.Filter：IRcut650nm±10nm11.wavelength：同掃描儀鏡頭。12.resolution：詳見『第三章3-5投影解像力儀』。2-2機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出來的光學(xué)data,尚需要轉(zhuǎn)換成鏡片圖面,以及鏡頭的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),才能完成整個光學(xué)系統(tǒng),跟光學(xué)設(shè)計(jì)一樣,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也要配合客戶的需求,以及適合量產(chǎn),才是好的設(shè)計(jì)。R&D人員設(shè)計(jì)出光學(xué)鏡片后,為了便利加工制造,就要選用合適的粗胚,粗胚就是加工制造前的成型光學(xué)玻璃,應(yīng)考慮厚度之切削量、外徑、倒角以及材質(zhì)等。無論是外徑、厚度及曲率半徑等外型規(guī)格,與完成品規(guī)格愈靠近,及其耗用之加工制造成本將愈能減輕。-2.1光學(xué)組件圖面與規(guī)格光學(xué)組件圖面表示法,如圖2-5。a.材質(zhì)：粗胚材質(zhì)應(yīng)明確表示不得有錯,若稍有差錯,即對光學(xué)質(zhì)量影響甚巨,以TAF1〔496-773為例,Nd＝1.7725±0.005,Vd＝49.6±0.8﹪。b.曲率半徑：第一面、第二面各為凹或凸或平〔R值,球面或非球面。c.外型尺寸及形狀,中心厚度〔CT、深度、外徑、有效徑〔CA、倒角〔修邊量等等。d.面精度：研磨面之精密度、光圈與不規(guī)則度－3〔1。e.偏心：OA、邊緣厚度〔ETD、光軸1分。f.公差：中心厚度±0.03mm、深度±0.01mm、外徑-0.005~-0.015mm。g.鍍膜條件：鍍膜規(guī)格40nm~600nm,反射率MAX＜1.0﹪,AVG＜0.5﹪〔建議單層膜。.外觀質(zhì)量：傷痕亮點(diǎn)80-50。2-2.2鏡片粗胚光學(xué)系統(tǒng)中的每一片透鏡需選用適當(dāng)?shù)拇峙?作為透鏡的原料,其中需選擇符合設(shè)計(jì)的材質(zhì),這當(dāng)中包括折射率、色散數(shù),還有相近的曲率半徑、厚度、外徑,才能符合鏡片的需求,如圖2-6。2-3切削與研磨光學(xué)系統(tǒng)是由光學(xué)組件組成,目前最普遍的材料是光學(xué)玻璃,而使用研磨技術(shù)是歷史久遠(yuǎn)的制程,以下是光學(xué)廠制造鏡片的方式。2-3.1切削切削是鏡片制程第一道程序,目的是將粗胚如圖2-6,切削接近圖面規(guī)格的厚度〔大約是在CT上限規(guī)格多0.1mm,將粗胚CT=4.2mm切削成2.6mm,以及相同的曲率半徑〔將粗胚R1=7.5切削成7.0,R2=8.6切削成10.5,如圖2-7切削示意圖。2-3.2研磨將切削后之鏡片利用研磨盤上之研磨劑加壓,并相對旋轉(zhuǎn),去除鏡片表面之粗糙度,使其表面光滑,并且接近圖面規(guī)格之中心厚度〔大約是在CT上限規(guī)格多0.01mm、曲率半徑,謂之粗磨<lapping>。將粗磨后之鏡片再利用研磨皿上之研磨粉相互旋轉(zhuǎn),使其表面更光亮,提高圖面規(guī)格之曲率、中心厚度精度,謂之精磨<polishing>。2-3.3貼根據(jù)光學(xué)組件曲率半徑、外徑、厚度,將多數(shù)個排列于付貼皿上,以利研磨之前置作業(yè)稱之為貼,一般貼作業(yè)程序如圖2-8為a.填脂、b.貼付、c.燒皿加熱、d.移脂、e.冷卻。貼個數(shù)視曲率半徑、外徑、形狀…等而定,一般以下式表示之。平面或大曲率之鏡片一般球面鏡片式中N表示貼個數(shù),ψ表鏡片直徑,D表貼付皿直徑,h表貼付皿高度,R表鏡片曲率半徑。鏡片直徑=ψ8.0,R=10.5,D/R=0.76＜1,適用多片研磨制程,貼付皿高度受限于機(jī)臺限制為h=5,則：2-3.4牛頓圈與不規(guī)則度如圖2-9對凸透鏡片來講,如實(shí)際曲率比理想曲率小叫做偏"＋"反之叫做偏"－"。而凹透鏡片則相反,實(shí)際曲率比理想曲率小叫做偏"－"反之叫做偏"＋"。檢測鏡片的光學(xué)表面幾何形狀的精度程度,最廣泛的方式是采用原器〔光學(xué)樣板作干涉圖案檢驗(yàn),將原器與光學(xué)組件之研磨面相接觸,如曲率有差異時(shí),則接觸面會有空氣層,經(jīng)過光之干涉每?/2有彎曲之彩圈產(chǎn)生,是為牛頓圈。曲率半徑的檢測方式在圖面上標(biāo)有兩個數(shù)字,如光圈與不規(guī)則度〔power＆irrogularity3〔－1,其中3代表光圈數(shù),－1代表不規(guī)則度,此兩數(shù)字均代表可允收的最大差異值。低光圈：原器與被檢零件接觸邊緣,當(dāng)空氣隙減少時(shí)條紋從邊緣向中心移動,條紋彎曲的凹向,背著加壓點(diǎn)彎曲,從中心到邊緣顏色序列為藍(lán)、紅、黃,即表示鏡片"－"。高光圈：原器與被檢零件接觸中間,當(dāng)空氣隙減少時(shí)條紋從中心向邊緣移動,條紋彎曲的凹向,朝著加壓點(diǎn)彎曲,從中心到邊緣顏色序列為黃、紅、藍(lán),若向外擴(kuò)散,即表示"＋"。2-3.5光圈計(jì)算曲率實(shí)際制程方面都以光圈數(shù)來代替曲率半徑。式中R表示鏡片曲率半徑,D表鏡片有效徑,H表光圈參數(shù),?/2表0.000273mm。凸透鏡片曲率半徑設(shè)計(jì)值為7.0,有效徑ψ6.4,原器工作曲率6.9975,在光圈＝－1.5的情況下,等于凸透鏡片曲率半徑。代入H＝ΔH＋<?/2×光圈數(shù)>,可得H=0.773838－〔0.000273×1.52-4鏡片定心制程定心制程主要是控制鏡片深淺面的光軸中心線與機(jī)械中心線合而為一,另一功能則是控制鏡片的外徑達(dá)到公差配合。經(jīng)由定心加工,將鏡片之外徑、深度、倒角修正為設(shè)計(jì)圖面所要求的規(guī)格,且使鏡片之光學(xué)中心軸與機(jī)械中心軸重合,鏡片光學(xué)中心軸〔光軸＝鏡片二曲率面中心之聯(lián)機(jī)。2-4.1定心難易度參考常數(shù)光學(xué)鏡片在定心加工之前,可計(jì)算系數(shù)Z值來判斷加工的難易度,作為安排工作與夾具設(shè)計(jì)參考之用,定心系數(shù)Z值：式中鏡片凸面曲率R值取正數(shù),凹面曲率R值取負(fù)數(shù),D1、D2為夾具與R1、R2接觸之直徑。曲率7.0與10.5mm的月凸透鏡,以接觸徑6.4與4.2mm夾具固定時(shí),定心系數(shù)Z值計(jì)算如下：鏡片定心加工難易度判定原則：a.Z≧0.20非常好定。b.Z≧0.15易定心。＞Z≧0.05一般定心。d.Z＜0.05難定心。e.Z值相同情況下,一凹一凸較難定心。f.鏡片曲率愈大愈難定心。已鍍膜<表面為粗糙面>較難定心。h.夾具接觸徑愈接近外徑,振動小較穩(wěn)定。i.夾具之同心度為0.0015mm。2-4.2.定心加工利用一對固定于左右旋轉(zhuǎn)軸上之夾具,挾持/固定鏡片中心,使用刀具削除鏡片多余外徑,并且做倒角加工,達(dá)到定中心目的,制程如下:1.確認(rèn)機(jī)臺旋轉(zhuǎn)軸同心精度＜1.5μm。2.將鏡片挾持于左右夾具間。3.若鏡片光軸與旋轉(zhuǎn)軸之中心未重合,則鏡片與夾具接觸點(diǎn)將產(chǎn)生一縫隙,并于另一接觸點(diǎn)產(chǎn)生一推力,使鏡片移向縫隙點(diǎn)處,直到兩軸中心重合后,此推力因平衡而消失。4.如圖2-10外徑加工、倒角與深度加工。2-4.3定心量測一、深度量測：取與鏡片深度規(guī)格接近的標(biāo)準(zhǔn)片,放入合適鏡片外徑的深度計(jì)中,將量表上的讀值歸零,再取出待測鏡片,將平臺壓在鏡片倒角處,量表上的讀值加上深度規(guī)格值即為鏡片深度,如圖2-11所示。二、外徑量測程序：a.依待測鏡片之外徑規(guī)格值,自標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)選取與規(guī)格最接近者作位量具歸零標(biāo)準(zhǔn)。b.將標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)至于外徑檢具中,檢具讀值應(yīng)與塊規(guī)相同,如有差異,調(diào)整至無差異。c.將待測鏡片置于檢具中,調(diào)整檢具使鏡片外徑與檢具式平面接觸,自檢具量取接觸時(shí)之讀數(shù)。c-1.放松檢具,旋轉(zhuǎn)鏡片60度,量取外徑第二讀值。c-2放松檢具,再旋轉(zhuǎn)鏡片60度,量取外徑第三讀值。三、光軸量測：光軸除了可由ETD換算以外,也可以利用光軸量測儀量測光軸,詳見『第三章3-2光軸量測儀』之光軸量測。2-5鏡片鍍膜為什么鏡頭和鏡片上需要鍍膜,這是因?yàn)槿魏挝矬w對光線都有反射作用,連無色透明的玻璃也不例外,差別在于光線的角度是否會形成反射效果。對于理想狀態(tài)下的鏡片而言,光線能夠完全透過鏡頭,并正確的在底片或CCD上完全聚焦,然而由許多鏡片所結(jié)合而成的鏡頭是不可能讓各種角度的光線完全穿過,以氧化鑭光學(xué)玻璃為例子,其透光率可達(dá)到90%以上,剩下的10%則會反射出去,形成炫光,為了彌補(bǔ)這項(xiàng)缺失,后來的鏡片研究者開發(fā)了在透鏡表面鍍上一層膜來增加透光效果,鍍膜是在鏡片表面鍍上非常薄的透明薄膜,目的是希望減少光的反射,增加透光率,并抑低耀光、鬼影。光學(xué)鍍膜種類分光鏡：使鏡片入射光分為兩條不同方向和波長之光線輸出,光學(xué)鏡片鍍膜在光學(xué)業(yè)中是非常重要的加工過程之一,經(jīng)由鍍膜能改善鏡片表面的光學(xué)性質(zhì),使其達(dá)到實(shí)用性。濾光片：使鏡片反射不需要的波長,穿透需要要的波長,例如鍍IR&ARcut。反射鏡：使鏡片完全反射光線?？狗瓷淠ぃ菏圭R片光線穿透率達(dá)到最大,分為單層膜與多層膜?？狗瓷淠な悄壳吧虡I(yè)用途使用最廣的鍍膜方式,在鏡片表面鍍上一層或多層特定厚度〔指光波長一半之整數(shù)倍。之化學(xué)物〔如MgF2、SiO2…等,使入射光之反射達(dá)到最小為目的,即透光率達(dá)到最大。圖2-12鍍膜的目的,在增加穿透率。相對的減少反射率。鍍膜完成的鏡片可用光譜儀量測穿透率,詳見『第三章3-3光譜儀量測』。2-6洗凈、黏合、涂墨光學(xué)鏡片除了依據(jù)光學(xué)特性需符合規(guī)格外,外觀也是檢驗(yàn)質(zhì)量之一,影響外觀的種類除了制程上引起的傷痕外,還有環(huán)境因素、敏感材質(zhì)引起的霉等等,這些鏡片表面將再度作研磨處理,除了上述外觀的問題外,鏡片表面也會因?yàn)橛|摸、灰塵而有表面污,這時(shí)就需要洗凈制程后,才能延續(xù)下一段制程,如鍍膜、裝配都需要干凈的鏡片才能完成。光學(xué)鏡片洗凈在加工過程中是容易忽視的加工過程之一,但是光學(xué)鏡片質(zhì)量提升的要求,與鍍膜、裝配加工過程不斷改善之情況下,洗凈后鏡片的質(zhì)量與洗凈成本的要求,也受到重視。2-6.1洗凈方法1.浸漬洗凈：是最簡單的洗凈方式,將鏡片浸于裝有溶劑的洗凈槽中,經(jīng)過一段時(shí)間后,鏡片表面之附著物因浸漬而脫落達(dá)到洗凈目的,浸漬洗凈適用于產(chǎn)品樣多而量少,或是要求一般洗凈效果,或形狀特殊之洗凈作業(yè)。2.機(jī)械擺動式洗凈：利用上下擺動裝置,將鏡片上下擺動,產(chǎn)生鏡片與溶劑之間的相對運(yùn)動,達(dá)到洗凈鏡片表面的效果。3.溶劑攪拌式洗凈：利用攪拌器,將溶劑攪拌,應(yīng)用流體力學(xué),產(chǎn)生流動力量,增強(qiáng)洗凈效果。4.淋浴洗凈：利用加壓幫浦,將溶劑加壓噴灑于鏡片表面,使溶劑的高壓與溶解力,達(dá)到鏡片洗凈作業(yè),淋浴洗凈效果比浸漬洗凈高,適用于要求高洗凈效果之作業(yè)。5.蒸汽洗凈：利用溶劑蒸汽在鏡片表面凝結(jié)收縮,除去表面附著物,達(dá)到洗凈目的。或是利用加熱裝置使溶劑加溫至沸點(diǎn)后蒸發(fā)成氣體,當(dāng)與冷鏡片表面接觸后凝結(jié)收縮成液狀落下,附著于鏡片表面污物,也被蒸氣溶解,隨溶劑液體落下,達(dá)到鏡片洗凈作業(yè)。6.超音波洗凈：鏡片浸漬于溶劑洗凈同時(shí),槽底的震蕩子發(fā)出超音波,加強(qiáng)溶劑對鏡片的洗凈效果。2-6.2鏡片黏合圖2-13采用粘合鏡片的光學(xué)系統(tǒng)。為了消除像差以及得到較好的光學(xué)特性,會將兩片不同材質(zhì)的鏡片膠合起來,稱為黏合,如圖2-13。圖2-14鏡片粘合制程。如圖2-14將凹、凸透鏡各一面曲率徑相同的面,用UV膠涂抹在表面上,再將兩面鏡片膠合,并用UV燈照射,當(dāng)UV膠尚未凝固時(shí),用光軸顯微鏡觀測兩鏡片的光軸是否重合,如在規(guī)格即為良品,否則需用三氯乙烯拆卸鏡片,重新黏合。若將焦距是f1與f2的兩薄透鏡膠合在一起,膠合系統(tǒng)的曲率是兩薄透鏡各自的曲光率之和,假設(shè)系統(tǒng)放置于n某介質(zhì)環(huán)境中,且對一無限遠(yuǎn)的物點(diǎn)成像,由焦點(diǎn)的定義知像距即為膠合透鏡的焦距長。因?yàn)镾"＝f,對第一透鏡而言,無限遠(yuǎn)的物成像在F1"上,故對第二透鏡而言,S2＝-f1且S2"＝f,滿足即故可知P=P1+P2。2-6.3鏡片涂墨鏡片由于倒角的關(guān)系,整個光學(xué)系統(tǒng)的外觀會有整圈偏白的環(huán),所以數(shù)字像機(jī)鏡頭以及液晶影機(jī)鏡頭的部分透鏡,需用涂墨來消除,如圖2-15。圖2-15虛線為涂墨圍。2-7鏡頭裝配光學(xué)鏡片經(jīng)過許多制程之后,各種不同材質(zhì)、形狀、曲率、厚度的鏡片即已完成,接下來最重要的就是組成光學(xué)系統(tǒng)的鏡頭,依據(jù)不同的應(yīng)用,有各種不同的組合,單片鏡片即可作成放大鏡；掃描儀鏡頭依據(jù)分辨率dpi數(shù)而有3~6片的組合；中低階數(shù)字像機(jī)鏡頭則依據(jù)像數(shù)而有4~6片的組合；至于液晶投影機(jī)與背投電視鏡頭通常需要10幾片的組合,不論是何種組合,鏡頭的組裝需要作業(yè)人員熟練的裝配技術(shù)以及工程人員在工具及儀器上的協(xié)助,才能順利完成。圖2-16鏡片裝配圖圖2-16是三片裝的鏡頭,有凸透鏡與凹透鏡的組合,光字段于第2、3鏡片之間,同時(shí)這位置放有一片鏡間,控制2、3鏡片之間的rspace,而最外面的鏡片,則需要選擇固定鏡片的方式,一般金屬鏡筒與鏡片的固定方式有鎖Retainer以及點(diǎn)膠固定,而塑料鏡筒則用熱熔方式固定鏡片,除了鏡片與零件的制造公差外,如何使每一片鏡片的光軸能夠重合,是組裝鏡頭最重要的技術(shù),如稍有偏差,即會響解像力。傾斜〔tilt與偏心〔decenter是光軸不能夠重合的不良因素這些都需要靠公差控制、輔助工具、裝配手法才能夠避免與減少。組裝好的鏡頭需要測試解像力及解像質(zhì)量,詳見『第三章3-6MTF檢測』,解像力及解像質(zhì)量好的鏡頭,尚需要通過外觀檢震動以及環(huán)測實(shí)驗(yàn),所有的制程才能夠算是完成。光學(xué)檢測儀器鏡片的制程需要輔以光學(xué)檢測儀器才能完備,以下就一些光學(xué)檢測儀器的功能以及檢測方式加以說明。3-1干涉儀〔Interferometer干涉儀是用干涉條紋以極精確地測量長度或長度改變之儀器,可用來量測鏡片之光圈數(shù)、不規(guī)則度、曲率半徑。3-1.1兩條光束的干涉假設(shè)有兩條光束的電場強(qiáng)度分別定義如下：此兩光束的合成電場強(qiáng)度及其光強(qiáng)度分別為：圖3-1干涉儀系統(tǒng)。3-1.2干涉儀量測干涉儀操作流程,如圖3-1,安裝參考標(biāo)準(zhǔn)鏡頭,選擇球面鏡標(biāo)準(zhǔn)鏡頭,置于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭夾持具上。系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭光路調(diào)整〔alignment調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)鏡頭之傾斜控制鈕,使屏幕上之兩個光點(diǎn)重合成一個光點(diǎn)。其流程步驟分述如下：待測鏡片光路調(diào)整,尋找待測球面鏡之表面頂點(diǎn)反射。將待測球面鏡沿著光學(xué)尺滑動,使標(biāo)準(zhǔn)鏡頭之光聚焦點(diǎn)位于待測表面上。調(diào)整待測球面鏡之上下左右傾斜位置,使標(biāo)準(zhǔn)鏡頭之光聚焦點(diǎn)約略位于待測表面之中心位置處。觀察此待測面之面頂點(diǎn)反射干涉條紋,微調(diào)整其上下左右傾斜與前后位置,干涉條紋數(shù)目會產(chǎn)生變化。尋找待測面之干涉條紋,將待測球面鏡沿著光學(xué)尺滑動,直至看見待測球面鏡之表面反射干涉條紋。將干涉條紋調(diào)至最少,調(diào)整待測球面鏡之前后、上下、左右、傾斜位置,使干涉條紋最少。6.擷取影像。分析影像,如圖3-2a不規(guī)則度為1條,b不規(guī)則度為0.5條。圖3-2不規(guī)則度3-1.3曲率半徑量測干涉儀也可以量測球面鏡之曲率半徑值：調(diào)整待測球面鏡之表面反射干涉條紋,使干涉條紋最少,并將此時(shí)之光學(xué)尺位置歸零。將待測球面鏡沿著光學(xué)尺滑動,使標(biāo)準(zhǔn)鏡頭之光聚焦點(diǎn)位于待測表面上,此時(shí)不再調(diào)整鏡片之上下左右傾斜位置,僅調(diào)整待測球面鏡沿光學(xué)尺方向之移動位置,使干涉條紋最少,并記錄此時(shí)之光學(xué)尺位置,此值即為球面鏡之曲率半徑值。3-2光軸量測儀由于在定心制程必需控制鏡片光軸中心線與機(jī)械中心線合而為一,因此光軸量測儀主要功能是量測鏡片的光軸,量測方式有反射式與穿透式兩種,這里采用的AZP2是屬于反射式量測。圖3-3反射式光軸量測〔a凹透鏡〔b凸透鏡圖3-3是反射式光軸量測的簡圖,其組成組件說明如下：1.標(biāo)準(zhǔn)鏡〔Frontlens。2.標(biāo)準(zhǔn)鏡的焦距〔Focusfofthefrontlens。3.量測鏡片〔Lensundertest。4.鏡片承坐Holder〔Supportingring。5.待測鏡片的曲率半徑〔Radiusoflensundertest。6.馬達(dá)帶動鏡片旋轉(zhuǎn)。7.標(biāo)準(zhǔn)鏡頭移動行程。8.光源、感光sensor以及屏幕。3-3.1量測方式將欲量測鏡片的面朝上,放置在承坐Holder上。選用合適的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。a.凸鏡片,例鏡片R值=7,可選f＝+30的鏡頭,兩者數(shù)值愈接近,精度愈高,因?yàn)閒過大,容易找光軸點(diǎn),但是誤差較大。b.凹鏡片,可選R值較小的鏡頭,如果是R值較大之鏡片,可選R值為負(fù)值的鏡頭。拿小白紙,放在鏡片中央,調(diào)整焦距,讓紙上的十字線清楚。拿開紙,調(diào)整焦距,讓屏幕上的十字刻劃清楚。焦距高度歸零。找出成像位置,調(diào)整焦距高度約和鏡片R值一樣,至屏幕上的十字。a.凸鏡片,鏡頭往下,b.凹鏡片,鏡頭往上。讓Motor帶動鏡片旋轉(zhuǎn),觀察monitor十字線左右移動的量〔格數(shù),并且計(jì)算格數(shù)。3-3.2光軸偏心計(jì)算式中X表示表面傾斜角度〔分,At表格數(shù),r表測試鏡的曲率半徑,f1表標(biāo)準(zhǔn)鏡的焦距,f2表準(zhǔn)直儀的焦距〔forAZP2＝300mm。例如量測凸透鏡R=14mm,選用＋30mm之標(biāo)準(zhǔn)鏡,屏幕上旋轉(zhuǎn)格數(shù)2格,則3-3光譜儀光譜儀的作用是用來量測光學(xué)組件之光譜穿透率、光譜反射率的光譜量測儀器。圖3-4光譜儀的光路架構(gòu)3-3.1光譜儀基準(zhǔn)線量測所有量測進(jìn)行前必須先作基準(zhǔn)線校正,以確保在未放入任何待測片時(shí),光譜之穿透率為100%,稱為基準(zhǔn)線量測,允許誤差值為±0.5%以。3-3.2UV-IRfilter檢測UV-IRfilter之功能是在于防止紅外光與紫外光進(jìn)入系統(tǒng)中,讓可見光穿透,數(shù)字像機(jī)光學(xué)鏡頭系統(tǒng)中常在最后加入一片IR-cufilter,而在液晶投影機(jī)投影顯示系統(tǒng)之光學(xué)引擎中,UV-IRfilte之光行進(jìn)路線為垂直入射,量其0度入射之穿透率即可。3-3.3鏡頭檢測量測鏡頭穿透率時(shí),如圖3-4,入射光源經(jīng)過分光鏡,第一道光束是參考光,第二道光束是量測光,兩光束射進(jìn)積分球,經(jīng)過運(yùn)算,得到圖3-5鏡頭的穿透率量測分布圖表。圖3-5鏡頭穿透率量測,橫軸為波長,縱軸為百分比3-4焦距儀〔OPTICALBANCH用途為量測光學(xué)組件焦距的儀器設(shè)備。3-4.1節(jié)點(diǎn)<NODALPOINTS>一光線以某個θ角入射至系統(tǒng),若以相同角度從系統(tǒng)射出,入射和出射光線與光軸的交點(diǎn)稱之為第一節(jié)點(diǎn)N和第二節(jié)點(diǎn)N',不偏折光線節(jié)點(diǎn)為一對角放大率為+1的共軛點(diǎn)。雖然光線不產(chǎn)生偏折但會有相當(dāng)程度的位移,其效果就如同經(jīng)過一平行平板玻璃一樣,光線軌跡和光軸的焦點(diǎn)稱為系統(tǒng)的光學(xué)中心,這是一個只與曲率半徑及透鏡厚度有關(guān)的點(diǎn),也是唯一不會隨入射光波波長而改變位置的光點(diǎn)。3-4.2應(yīng)用原理利用節(jié)點(diǎn)特性進(jìn)行量測焦距。遠(yuǎn)處物點(diǎn)之光線通過節(jié)點(diǎn)后出射光方向不變。光通過節(jié)點(diǎn)出射角與入射角相同。系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)而成像位置不變。對于空氣中之系統(tǒng)其節(jié)點(diǎn)與主點(diǎn)重合。3-4.3焦距儀量測圖3-6焦距儀架構(gòu)找出節(jié)點(diǎn),以節(jié)點(diǎn)為轉(zhuǎn)動軸,轉(zhuǎn)動承載臺,找出成像不變位置。量測焦距。如圖3-6其組成組件如下：1.焦距儀光源、2.標(biāo)準(zhǔn)靶、3.準(zhǔn)直透鏡4.夾持環(huán)、5.待測鏡頭、6.<可旋轉(zhuǎn)式>節(jié)點(diǎn)量測工作臺、7.工作臺行程、8.顯微鏡目鏡、9.光學(xué)尺?！惨恍Ы咕?lt;EFL>量測：a.先找出待測鏡頭的焦點(diǎn),移動＃7工作臺行程,并且觀察＃8顯微鏡目鏡,即可找到焦點(diǎn)。b.再度移動＃7工作臺行程,并且旋轉(zhuǎn)＃6節(jié)點(diǎn)量測工作臺,從＃8顯微鏡目鏡觀察成像點(diǎn),如像點(diǎn)會跟著旋轉(zhuǎn),重復(fù)尋找,直到成像點(diǎn)不會跟著＃6節(jié)點(diǎn)量測工作臺旋轉(zhuǎn)為止。c.此時(shí)找到的成像點(diǎn)即為測試鏡頭的主光點(diǎn)位置,光學(xué)尺上的數(shù)值即為。〔二后焦距<BFL>量測：a.先找出待測鏡頭的焦點(diǎn),移動＃7工作臺行程,并且觀察＃8顯微鏡目鏡,即可找到焦點(diǎn),此時(shí)紀(jì)錄光學(xué)尺上的數(shù)值。b.在待測鏡頭的最后一片鏡片作記號,然后再度移動＃7工作臺行程,觀察＃8顯微鏡目鏡,直到清晰的看到記號點(diǎn),再紀(jì)錄光學(xué)尺上的數(shù)值。c.將b的數(shù)值減掉a的數(shù)值即為待測鏡頭的。3-5投影解像力儀〔ResolutionPowerTestProjector用途作為鏡頭解像力及成像質(zhì)量檢查。-5.1成像圍數(shù)字相機(jī)鏡頭測試解像力的成像圍,約為0.7F~0.8F之間。像高〔IMAGEHIGHTX0.7F≒采用進(jìn)位法＝直徑ψ〔偶數(shù)或奇數(shù),hart檢測之外圍成像圍。偶數(shù)規(guī)格:中心、ψ4、ψ6、ψ8、ψ10…。奇數(shù)規(guī)格:中心、ψ3、ψ5、ψ7、ψ9…。圖3-7標(biāo)靶〔CHART例如數(shù)字像機(jī)鏡頭的半像高為4.255800,量測解像力時(shí)外圍圍為：4.255800×2×0.7F＝5.95812=ψ6則投影解像力的圍及規(guī)格為中心≧160lp/mm,ψ6≧100lp/mm,見圖3-7,同時(shí)CHART又分為Sagittal＆Tangential兩個方向,lp/mm的實(shí)際意義如下：160lp/mm＝320line/mm,0.003125mm/line,每線條的寬度為0.003125mm。100lp/mm＝200line/mm,0.005mm/line,每線條的寬度為0.005mm。檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為可分辨出3條線,投影解像力儀的距離為物像距＞,例如＝7.509829mm,則50xE.FL＝75.49145mm,一般建議600mm~1000mm。3-5.2機(jī)臺架設(shè)場地：暗房〔因?yàn)楣饩€會干擾解像力的判斷。設(shè)備：1.投影解像力儀如圖3-8、2.標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、3.測試標(biāo)靶、4.反射鏡、5.卷尺、6.白紙、7.投影holder。圖3-8待測鏡頭使用投影解像力儀測試解像力量測作業(yè)步驟將待測鏡頭放入投影holder。旋轉(zhuǎn)焦距調(diào)整器,將中心影像調(diào)到最清楚。檢測中心影像是否符合規(guī)格,并檢測周圍影像是否符合規(guī)格。如中心影像無法符合規(guī)格,則判定鏡頭解像不良。如周圍影像未符合規(guī)格,再次旋轉(zhuǎn)焦距調(diào)整器,使影像符合規(guī)格,但是中心影像不可因此偏離規(guī)格外,用肉眼鑒別屏幕上條紋的清晰程度,由中心往外層看S＆T之解像力。如中心與周圍影像無法同時(shí)符合規(guī)格,也判定鏡頭解像不良。若中心與周圍影像同時(shí)符合規(guī)格,則判定鏡頭為解像良品。鏡頭解像若為良品,則需看后焦表移動之距離,一般圍在后焦設(shè)計(jì)值之±0.2mm,在圍為良品,否則為后焦不良品。3-6MTF檢測機(jī)測試鏡頭空間頻率,由光電轉(zhuǎn)換成MTF的測量儀。3-6.1光學(xué)傳遞函數(shù)<MTF>檢測光學(xué)組件與系統(tǒng)在許多領(lǐng)域中被廣泛使用,在這些使用光學(xué)的系統(tǒng)中,光學(xué)成像的好壞對系統(tǒng)整體的質(zhì)量與可靠性往往造成重大的影響。因此對于所使用的光學(xué)系統(tǒng)或次系統(tǒng),尋求一符合實(shí)際測試條件可定量地<quantitatively>評估其性能的方法益形重要。MTF<ModulationTransferFunction>檢測可以提供光學(xué)系統(tǒng)整體影像質(zhì)量或?qū)Ρ榷戎糠治?且拜科技進(jìn)步之賜,近年來已經(jīng)發(fā)展出可靠方便操作的自動化量測儀器,以及量測標(biāo)準(zhǔn)的建立。MTF檢測技術(shù)已經(jīng)成為國際公認(rèn)評估光學(xué)組件質(zhì)量與光學(xué)系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)。3-6.2檢測儀器1.儀器原理：光學(xué)系統(tǒng)的MTF為該待測系統(tǒng)線擴(kuò)散函數(shù)的傅利葉轉(zhuǎn)換,因此量測MTF直接的方法就是利用MTF檢測機(jī)測量待測系統(tǒng)的線擴(kuò)散函數(shù),然后計(jì)算其傅利葉轉(zhuǎn)換,即可獲得MTF曲線。MTF檢測機(jī)是由燈管照明的CHART光線經(jīng)過待側(cè)鏡頭成像,置于焦平面的線性CCD則用以量測像的強(qiáng)度分布,亦即線擴(kuò)散函數(shù)。MTF計(jì)算：代表線擴(kuò)散函數(shù)的強(qiáng)度分怖訊號由CCD以電子方式掃描后,經(jīng)由模擬/數(shù)字訊號轉(zhuǎn)換器輸入計(jì)算機(jī)由軟件進(jìn)一步運(yùn)算處理。圖3-9MTF檢測系統(tǒng)3-6.3檢測實(shí)務(wù)LAT鏡頭自動檢驗(yàn)機(jī)<LensAutomaticTester>也就是MTF檢測機(jī)較為普遍的一種類型,如圖3-9,1.鏡頭自動檢驗(yàn)機(jī)用來量測掃描儀鏡頭的檢驗(yàn)儀器。2.量測鏡頭所需的data：a.掃描儀參數(shù)如分辨率、掃描物寬。b.物像距〔TT。c.后焦距。d.放大倍率。應(yīng)用實(shí)例：光電廠要生產(chǎn)分辨率600dpi的掃描儀,適用掃描A4文件,線性CCDPixelsize是5.25μ,物像距250mm。光學(xué)廠設(shè)計(jì)并制造出掃描儀鏡頭,TT＝250mm,M＝0.123826,F/N=6.5。檢測程序：1.CHART的選用a.量測的頻率：物面通常使用半頻,600dpi/2＝300dpi,選用300dpi的