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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李玉騰
研究生(外文):Yu-Teng Lee
論文名稱:超廣角型車用輔視系統之光學設計
論文名稱(外文):Optical Design for Ultra Wide-angle Car View Lens System
指導教授:武東星
指導教授(外文):Dong-Sing Wuu
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:精密工程學系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:73
中文關鍵詞:汽車輔視系統光學設計成像公式像差ZEMAX自動優化像質分析魚眼鏡頭
外文關鍵詞:Car view systemOptical designAberrationZEMAXOptimizationResolutionFish-eye
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近年來,許多光電科技產品相競投入汽車市場中。有鑑於此,其中的高效能的顯像攝影機更是汽車不可或缺的元件之一,因此,本研究主要是為開發汽車輔視影像系統之光學設計,可解決倒車中視角上的盲點,以提升駕駛安全。
本研究之目標有三:第一可使其體積縮小。一般的超廣角汽車輔視影像系統的光學鏡頭為玻璃鏡片所組成,以川田 真由美發表的DE102006019798A1專利比較: 6片玻璃鏡片的光學全長TTL為22.9mm,而本研究案為2片塑膠鏡片加上2片玻璃鏡片使得TTL可縮短為14 mm,體積上可縮小約61%,並且保留光學鏡頭原有的可視角度及像性能各方面之光學特性,將此光學設計應用在汽車輔視影像系統,是具有超廣角功能,可增加視角範圍之影像擷取。第二為降低成本。由於玻璃鏡片的製程加工不易,製程繁瑣,故成本下降有限。而將玻璃鏡片減少並使用光學技術改成塑膠鏡片,透過塑膠鏡片設計成非球面表面,也可以減少玻璃鏡片組合的數目。在此研究之價格成本優勢中,約可降低41%的成本。最後是可導入大量生產。設計中考量光學敏感度,一般而言,加工精度可接受之偏差量可達3um為理想值,本研究之設計偏差於5um時,仍然可確保光學性能,優於一般生產製造之加工技術,故適用於大量生產。
塑膠鏡片與玻璃鏡片相較之下有許多優勢,所以本人積極投入對此開發案光學設計之研究,在本研究過程中,配合許多相關專利資料與競爭產品的比較,同時具備專利要件之實用性與進步性的特性,故也提出專利申請,以提供學術研究及業界參考之規範。
Many optical products have been invented and applied into the automobile market. Therefore, high-effect camera of motor is one of them. This project is to develop “car view system” in order to solve the blind spot when drivers are in reverse gear to help the end users drive more safely.

The goal of this project is particularly to make the volume smaller, thinner and cost reduction with same filed of view, lens performance and its characteristic. The camera lens of standard ultra wide-angle car view system usually makes up by glass lenses and very difficult to reduce the cost since the manufacturing process of the glass lens is very complicated. Refer the patent of DE102006019798A1 that issued by Mr. Kawada as an example and analyze the differences. The total track length (TTL) of 6 glass lenses is 22.9 mm but the TTL of 2 plastic lenses and 2 glass lens is 14 mm of this project. The volume could be deducted 61% and the cost could be reduced 41%. In general, the accuracy of de-center and process capability are required to be within 3um. In this research, tolerance release to 5um could still achieve optical performance. Therefore, it is suitable to conduct into mass production.

Plastics lens has many advantages than glass lens. In this research, also refer many patents and compare with many similar products to distinguish its character of practicability and advancement. The patent of this research is under application so that it could be as a reference for academic research and industry.
目次
中文摘要 ………………………………………………………… I
英文摘要 ………………………………………………………… II
誌謝 ………………………………………………………… III
目錄 ………………………………………………………… IV
圖目錄 ………………………………………………………… VI
表目錄 ………………………………………………………… IX
第一章 緒論 …………………………………………………… 1
第一節 研究背景 ……………………………………………… 1
第二節 研究動機 ……………………………………………… 2
第三節 文獻回顧 ……………………………………………… 3
第二章 近軸光學光線追跡理 ………………………………… 6
第一節 幾何光學定義 ………………………………………… 6
第二節 成像原理 ……………………………………………… 9
第三節 像差理論 ……………………………………………… 19
第三章 設計流程 ……………………………………………… 35
第一節 設計概念 ……………………………………………… 35
第二節 設計方法 ……………………………………………… 35
第三節 訂定設計規格 ………………………………………… 39
第四節 高斯光學於優化軟體定 ……………………………… 42
第四章 設計實例 ……………………………………………… 44
第一節 基本參數設定 ………………………………………… 44
第二節 自動優化 ……………………………………………… 48
第三節 像質分析 ……………………………………………… 49
第四節 設計規格達成狀況 …………………………………… 57
第五節 公差分析 ……………………………………………… 58
第五章 結論 …………………………………………………… 69
參考文獻 ………………………………………………………… 71
附錄 ………………………………………………………… 75

圖目錄
圖2-1-1 球面折射 ……………………………………………… 7
圖2-1-2 單一折射球面 ………………………………………… 8
圖2-2-1 推導光線追蹤法公式之幾何圖形 …………………… 10
圖2-2-2 平行於軸之入射線之光線追蹤法之幾何圖形 ……… 11
圖2-2-3 應用光線追蹤法公式之幾何圖形 …………………… 12
圖2-2-4 球面折射系統 ………………………………………… 13
圖2-2-5 橫向放大率推導 ……………………………………… 14
圖2-2-6 軸向放大率 …………………………………………… 15
圖2-2-7 橫向放大率和角度放大率推導 ……………………… 16
圖2-2-8 近軸共軛軸光學系統光線成像 ……………………… 18
圖2-3-1 符號定義示意圖 ……………………………………… 22
圖2-3-1 球面像差 ……………………………………………… 25
圖2-3-3 橫向及縱向的球面像差 ……………………………… 25
圖2-3-4 球差的表示 …………………………………………… 26
圖2-3-5 形狀或構造引起的球面像差的變化 ………………… 26
圖2-3-6 彗星像差的光路 ……………………………………… 27
圖2-3-7 對於光束整體的彗星像差 …………………………… 28
圖2-3-8 像場彎曲 ……………………………………………… 28
圖2-3-9 非點收差 ……………………………………………… 29
圖2-3-10 Defocus引起的像散像的變化………………………… 30
圖2-3-11 畸變 …………………………………………………… 31
圖2-3-12 絕對畸變 ……………………………………………… 32
圖2-3-13 色差 …………………………………………………… 32
圖2-3-14 完完全的消除軸上色差 ……………………………… 33
圖3-2-1 光學設計流程圖 ……………………………………… 37
圖3-3-1 Sensor的有效感光角度規格曲線 …………………… 41
圖3-4-1 高斯光學系統示意圖 ………………………………… 42
圖4-1-1 General Data 輸入視窗圖…………………………… 45
圖4-1-2 Field Data 輸入視窗圖……………………………… 47
圖4-1-3 Wavelength Data 輸入視窗圖 ……………………… 48
圖4-3-1 設計完成之layout圖 ………………………………… 50
圖4-3-2 設計完成之球面像差… ……………………………… 51
圖4-3-3 設計完成之像場斑點圖 ……………………………… 52
圖4-3-4 設計完成之彗星像差 ………………………………… 52
圖4-3-5 設計完成之像場彎曲&畸變…………………………… 53
圖4-3-6 設計完成之畸變格點狀 ……………………………… 53
圖4-3-7 設計完成之週邊照度 ………………………………… 55
圖4-3-8 (a)Throught Focus MTF (b)MTF…………………… 56
圖4-4-1 Sensor CRA規格達成狀況曲線 ……………………… 58
圖4-5-1 傾角(Tilt angle) …………………………………… 59
圖4-5-2 偏移(Lateral dis-placement)……………………… 59
圖4-5-3 球面透鏡定芯示意圖 ………………………………… 60
圖4-5-4 非球面反射鏡光軸 …………………………………… 61
圖4-5-5 非球面透鏡偏移偏芯 ………………………………… 62
圖4-5-6 非球面透鏡傾斜偏芯 ………………………………… 62
圖4-5-7 偏芯檢測方式 ………………………………………… 63

表目錄
表1-3-1 產品規格比較表 ……………………………………… 5
表2-3-1 理想和實際成像的比較 ……………………………… 20
表3-3-1 光學設計規格 ………………………………………… 39
表3-3-2 Sensor的有效感光角度規格 ………………………… 41
表4-3-1 設計資料 ……………………………………………… 50
表4-3-2 球面收差設計資料 …………………………………… 51
表4-3-3 TV distortion計算…………………………………… 54
表4-3-4 周邊照度設計資料 …………………………………… 55
表4-4-1 光學規格達成狀況 …………………………………… 57
表4-4-2 CRA規格與設計值……………………………………… 58
表4-5-1 肉厚間隔敏感度分析表 ……………………………… 64
表4-5-2 肉厚間隔敏感度與原設計差異表 …………………… 65
表4-5-3 偏芯敏感度分析表 …………………………………… 66
表4-5-4 偏芯敏感度與原設計差異表 ………………………… 67
表4-5-5 製造公差 ……………………………………………… 68
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