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400770 nm (0.10.7 7 )，而波長較短為藍(lán)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4001500nm，而波長更長的IR 區(qū)域(1.515 )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(dāng)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：2R(反射率)=(n-1) / (n+1)T(穿透率)=(1-R)X X為透鏡的面數(shù)，而此計算值時是忽略材料的吸收率。3. 當(dāng)鏡片

2、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(dá)成像面時，這會造成降低像質(zhì)之有害光，而有害光擴(kuò)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(jìn)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(jìn)行方向，這就是折射現(xiàn)象。如下圖：這些光線都遵守下面這些光學(xué)基本原則：入射線、反射線、折射線和法線在同一平面

3、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Snells law由於折射率是波長的函數(shù)n( )，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，(dispersion)。或是說不同波長的光在介質(zhì)內(nèi)行進(jìn)的速度不同所造成，這個現(xiàn)象，稱之為色散由上圖，我們定義色散能力（dispersion power） V= nfnc ，效率愈大，色散效果愈好，稜鏡分光效nd 11果較佳 。 而色散率 （Abbe 數(shù) ） （dispersion index） ， 此值與製造光學(xué)玻璃有關(guān)（2060之間）。另外，我們也可以由稜鏡（prism）做分光來了解色散。當(dāng)白光通過一狹縫（si

4、lt）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?yàn)椋杭t（red）、橙（orange） 、黃（yellow）、綠（green）、藍(lán)（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(jìn)入鏡片的光線，並造成各種顏色的光,其折射率不同，讓藍(lán)色光系在離透鏡較近處成像，紅色系則在較遠(yuǎn)處。（如下圖 ）消色差可以利用強(qiáng)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

5、一樣。如下圖畫面是由許多點(diǎn)所構(gòu)成的，解析度代表的就是這些點(diǎn)的數(shù)量，如800 x 600 SVGA，就代表畫面是由 800 x 600個點(diǎn)所構(gòu)成。下列幾種標(biāo)準(zhǔn)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（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

6、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(diǎn)。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(fàn)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(xì)節(jié)越豐富， 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(jìn)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/ Spat

7、ial frequency這個概念進(jìn)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 大（原始尺寸）11X放大） 23X 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(dá)極限）原本充足的反差可以很容易辨識出兩條線來，而當(dāng)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(diǎn)（image point

8、）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(shí)際上決定了一個最小光點(diǎn)的實(shí)體大小。這個光點(diǎn)直徑稱為光暈圓（ Airy-disc ），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(diǎn)實(shí)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(shí)有兩種不同意義的

9、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(diǎn)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 ofLeast 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(dāng)然，位於焦平面以外的影像點(diǎn)，就是失焦(out of focus) 。這

10、些影像點(diǎn)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。假如這個橫斷面向最小模糊圓位置靠近，這個點(diǎn)會變小，但是外圍會低反差的光暈；如果橫斷面遠(yuǎn)離最小模糊圓，光點(diǎn)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(lán)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3 108m/s,而可見光波長約為400nm700nm

11、之間,其中短波長為藍(lán)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(diǎn)的距離。B. 像方焦距(f*) ：由前後主面到後焦點(diǎn)的距離。焦距公式：f*= h / tanU* f = h / tanU2. 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(jī)械後焦距(BFL*)3. F / NO (F數(shù) )F / NO=f*/D 入f*-焦距(EFL) D入 -入瞳直徑入瞳為光欄經(jīng)其前方光

12、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(shí)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、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(yán)重?fù)p失光能，並形成雜散光，嚴(yán)重影響像質(zhì)。鏡頭問題分析1 .光暈：何謂

13、光暈現(xiàn)像：相機(jī)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?yàn)殓R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(jī)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

14、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(jìn)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(shí)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)檢查相機(jī)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(dá)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：

15、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(jìn)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，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(yán)重會產(chǎn)生黑角現(xiàn)像，若是要考慮到機(jī)械之公差依判經(jīng)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)限內(nèi)。(3) 鏡頭光軸傾斜嚴(yán)重，也就說螺牙配合問題，此現(xiàn)像會造成單

16、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(rèn)鏡頭之有效徑是否正確， 另外確認(rèn)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(jìn)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(yán)格檢驗(yàn)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(yán)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M

17、TF 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(fàn)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：K1 （ 雙圓面 ） K=1 （ 拋物面 ） 1K0 （ 橢圓 ）K=0 （ 圓形 ） K0 （ 扁橢圓形）3 .R值與後焦的關(guān)係長短說明：後焦凸 R值凹 R值大長短小短長4 .一般我們在做投影解像，DATA時與 S/M 是什麼涵義：直線解析度/ 極線解析度5 .周邊解像標(biāo)準(zhǔn)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(dú)立傳播定律 不同光源在空間某點(diǎn)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）T 射光-I反射光N(4)