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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:張良有
研究生(外文):Liang-Yu chang
論文名稱:CCM用鏡頭雜散光分析與改善之研究
論文名稱(外文):Flare Analysis and Improvement for Compact Camera Module
指導教授:武東星
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
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:小型照相鏡頭模組雜散光鬼影光線追跡
外文關鍵詞:FlareGhostRay-traceCompact Camera Module
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  現況高畫素取像視訊的發展中,小型照相鏡頭模組已被廣泛的被應用在手機鏡頭、PDA、電腦網路取像鏡頭等。現況CCM圖片取像技術品質,也已漸漸的可與一般的照相機相互匹配。對整顆鏡頭取像品質而言,光學特性佔據了很重要的地位,除了一般設計成像時的序列性特性以外,非序列性的不良成像問題也是非常重要的。一般照片中在非預期而不良成像的影像,統稱為雜散光或鬼影,相對的雜散光的問題將威脅到整個照片品質的最佳化。
本論文主要將探討以光機設計軟體Trace pro搭配3D機構設計軟體Pro-Engineer,開發改善分析二百萬畫素小型鏡頭模組之雜散光問題,我們將採取以低成本塑膠成型鏡頭作為改善的目標,以整顆鏡頭結構的設計改善作為目標加以模擬分析:(1)以三片塑膠鏡片分析改善機構件對雜散光的影響與改善對策。(2)以三片塑膠鏡片分析改善非球面鏡片對雜散光的影響與改善對策。
  結合軟體光線追跡優化函數之搭配,進行結構光線分析之最佳化,透過雜散光發出的能量強度分析圖,有效的修正結構參數設計值,改善後工程人力驗證解析拍攝的缺點與盲點。採取以軟體成像品質分析與製程上之解析評價過程相互比對,最後成功達到實際比對的效益性,成像品質提昇達成實際開發之需求,做為手機/手提電腦/網路取像鏡頭等小型鏡頭設計開發之參考方向。
At present developments of high-pixel photo videos, compact camera module (CCM) is widely used in personal digital assistant, cellular phones and PC wed cameras. Currently, the quality of CCM picture imaging technology is gradually matching with which in ordinary cameras. As for picturing quality for the whole lens, the optical characteristic plays an important role. Beside the sequence optical characteristics of general imaging optical design, non-sequence characteristic bad imaging problems are also very important. Those bad imaging problems are generally called as flare or ghost, flare problems will hang over the optimization of the picture imaging quality.

In this thesis, the optical machinery designing software ‘Trace Pro’ is used with the combination with 3D mechanism designing software ‘Pro-Engineer’, to improve and analyze the flare problems of two million-pixel small-size lens modules. It will use low-cost plastic forming lenses as the improvement target, targeting on improving the structure design of the whole lens and to simulate and to analyze: (1) by using three pieces of plastic lenses to analyze the effect upon flare by improving mechanisms and its improving strategies. (2) by using three pieces of plastic lenses to analyze the effect upon flare by improving non-spherical lens and its improving strategies.
The thesis is association with software ray-trace optimization function to optimize the structural ray-trace analyses, thru the flare energy strength analysis graph, effectively correct the design value of structure parameters. In order to improve the deficiency and blind spot of certifying analysis shooting by post engineering human resources. The goal is to correlate the analysis data of software imaging quality with the result of lens evaluation to gain a reference for designing and developing small-size lenses for cell phones, note books and internet web cameras to achieve acceptable lens performance.
目次
誌謝.................................................. iii
摘要.................................................. iv
Abstract.............................................. v
目次.................................................. vii
圖目次................................................ ix
表目次................................................ xii
第一章 緒論.......................................... 1
1-1 研究背景......................................... 1
1-2 研究動機......................................... 2
1-3 文獻回顧......................................... 3
第二章 鏡頭的組成.................................... 4
2-1 鏡片的分類....................................... 4
2-1-1 以鏡片形狀分類................................. 4
2-1-2 以鏡片材質分類................................. 8
2-1-3 以焦距變化分類................................. 10
2-2 鏡頭設計的構思................................... 11
2-2-1 取像基本原理................................... 11
2-2-2 鏡頭光系統中的光能量限制....................... 12
2-2-3 影像感測元件................................... 14
第三章 光學系統像質評價概念.......................... 19
  3-1 光學特性..................................... 19
   3-1-1 發光點、光線、光束....................... 19
   3-1-2 光線傳播基本定律......................... 20
   3-1-3 光線近軸追跡............................. 21
3-2  光學薄膜特性.................................... 25
    3-2-1 光學薄膜之原理與應用.................... 25
    3-2-2 抗反射膜原理............................ 25
   3-3  鏡頭組雜閃光分析與評價概念................. 27
    3-3-1 雜閃光與鬼影............................ 27
    3-3-2 雜閃光測試方式.......................... 28
第四章 手機鏡頭之雜閃光分析模擬與改善實例............ 31
   4-1  設計流程................................... 31
   4-2 光學與結構的搭配........................... 34
4-3  鏡頭實體結構分析與模擬.......................... 39
    4-3-1 設計實例規格............................ 39
4-3-2 光學系統規格及感測元件規格.............. 41
    4-3-3 鏡頭結構確認............................ 43
4-3-4 鏡頭結構雜光模擬分析與結構模擬修正............. 44
4-4  鏡頭雜散光評價與模擬比對........................ 50
    4-4-1 實驗方法及條件.......................... 50
    4-4-2 鏡頭實驗驗證階段........................ 52
一、Lens A實驗驗證.................................... 52
二、Lens B實驗驗證.................................... 67
第五章 結論與未來展望................................ 78
參考文獻.............................................. 80

圖 目 次
圖2-1-1 凸透鏡與凹透鏡............................... 4
圖2-1-2 2片式非球面鏡片設計30萬畫素鏡頭.............. 5
圖2-1-3 3片式非球面鏡片設計130/200萬畫素鏡頭......... 6
圖2-1-4 非球面多項座標示意圖......................... 7
圖2-1-5 二次項圓錐曲線............................... 7
圖2-2-1 全面曝光無成像示意圖......................... 11
圖2-2-2 針孔暗箱原理................................. 11
圖2-2-3 鏡頭光學系統入光能量的控制................... 13
圖2-2-4 幾何漸暈表示圖............................... 14
圖2-2-5 影像感測元件................................. 15
圖2-2-6 感測元件入射角可接受角度示意圖............... 16
圖2-2-7 OV2640感測元件光譜響應曲線................... 17
圖2-2-8 鏡頭取像模組示意圖........................... 17
圖2-2-9 紅外濾波片光譜曲線(IR Cut Filter) ........... 18
圖2-2-10 濾波高頻率影像雜訊及影像疊紋消除示意圖....... 18
圖3-1-1 球面波示意圖................................. 19
圖3-1-2 平面波示意圖................................. 20
圖3-1-3 折射定律..................................... 20
圖3-1-4 光線在介面的入射、折射與透射................. 21
圖3-1-5 近軸追跡示意圖............................... 23
圖3-2-1 抗反射膜示意圖............................... 26
圖3-3-1 內部結構件的反射............................. 28
圖3-3-2 軟硬體拍攝解析動作示意圖..................... 28
圖3-3-3 Flare_雜散光................................. 29
圖3-3-4 Ghost_鬼影................................... 29
圖3-3-5 積分球照度測試圖解........................... 30
圖3-3-6 雜光系數與F光圈值比對曲線.................... 30
圖4-1-1 鏡頭雜散光分析模擬設計流程................... 33
圖4-2-1 光學設計鏡片成像光路......................... 35
圖4-2-2 光學光路轉為3D架構的初部實體架構............. 36
圖4-2-3 3D透鏡邊界條件結構建立....................... 36
圖4-2-4 黑物3D結構邊界條件的建立..................... 37
圖4-2-5 光路及結構的初始設計搭配..................... 37
圖4-3-1 感測原件上下視圖示意圖....................... 42
圖4-3-2 感測元件成像區域示意圖....................... 42
圖4-3-3 初始實體模型................................. 43
圖4-3-4 初始實體模型模擬............................. 45
圖4-3-5 模擬光束30度角時成像及反射散射的狀況......... 46
圖4-3-6 模擬光束38度角時成像及反射散射的狀況......... 46
圖4-3-7 雜光點位置確認............................... 47
圖4-3-8 雜光點位置確認............................... 47
圖4-3-9 修正後雜光點位置確認......................... 48
圖4-4-1 移動式拍攝儀器-OV2640 Demo Layout板(一)...... 51
圖4-4-2 暗箱旋轉拍攝儀器-OV2640 Demo Layout板(二).... 51
圖4-4-3 分光光度計(UV-2450) ......................... 52
圖4-4-4 Lens A 初始鏡頭設計結構...................... 53
圖4-4-5 Lens A初始鏡頭雜光分析....................... 54
圖4-4-6 Lens A利用sensor補光放大時的現象............. 55
圖4-4-7 光線35度入射時雜光分析圖..................... 56
圖4-4-8 35度入射時的雜光極座標分佈圖................. 56
圖4-4-9 光線35度入射,墊片環擋板的雜散光分佈狀況..... 57
圖4-4-10 光線35度入射,擋片2的雜散光分析狀況圖........ 57
圖4-4-11 40度入射時的雜光極座標分佈圖................. 58
圖4-4-12 45度入射時的雜光極座標分佈圖................. 58
圖4-4-13 50度入射時的雜光極座標分佈圖................. 59
圖4-4-14 55度入射時的雜光極座標分佈圖................. 59
圖4-4-15 60度入射時的雜光極座標分佈圖................. 60
圖4-4-16 擋片切斷面之形狀............................. 62
圖4-4-17 Mylar 1及通光孔 修正前與修正後............... 63
圖4-4-18 Mylar 2及spacer 修正前與修正後............... 64
圖4-4-19 各角度修正後的模擬分析....................... 64
圖4-4-20 鏡頭改善後各角度拍驗証....................... 66
圖4-4-21 初始結構設計圖............................... 68
圖4-4-22 Lens B雜散光模擬分析圖....................... 68
圖4-4-23 透鏡面形修正前後之差異....................... 69
圖4-4-24 修正後之鏡片結構面形......................... 69
圖4-4-25 Lens B鏡頭二次優化修正雜光分析圖............. 71
圖4-4-26 Lens B_鏡片表面增加穿透率後的雜光分析圖...... 72
圖4-4-27 不鍍膜的鏡片拍攝評價......................... 73
圖4-4-28 PC材料鏡片穿透率檢測數據圖................... 74
圖4-4-29 ZEONEX-E48R反射率檢測數據圖.................. 75
圖4-4-30 鍍膜後拍攝取像評價........................... 77
圖4-4-31 鍍膜後拍攝取像評價........................... 77

表 目 次
表2-2-1 幾何漸暈系數表............................... 17
表4-2-1 鏡頭之光學規格需求表......................... 34
表4-3-1 鏡頭模組元件規格表........................... 39
表4-3-2 感測元件的規格尺寸........................... 41
表4-3-3 擋片斷面厚度之設計值及修正值差異表........... 48
表4-4-1 mylar-soma 材料特性.......................... 69
表4-4-2 結構修正後前與修正後鏡片厚度與間隔差異表..... 70
表4-4-3 鏡片面形R值修正前與修正後之差異性............ 70
表4-4-4 鏡片面形修正前與後MFT值之差異性.............. 71
表4-4-5 PC鏡片穿透率檢測數據表....................... 74
表4-4-6 ZEONEX-E48R反射率檢測數據表.................. 76
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