手机镜头设计

1 手機用微型定焦鏡頭 The micro fixed focal lens in mobile phone 作者：Porter Lin 2005/12 等級：普通 2 第一章 前言 照相手機自從 2003 年下半年 CMOS 跨入 30 萬畫素後，隨即吸引相關上、 下游產業間一股追求風潮，目前照相手機之畫素競賽，由 CIF 到 VGA 等級在 CCD 機種停滯約 1 年半時間，VGA 到百萬畫素(Mega)約等待 15 個月；但是從 百萬畫素(Mega)到 2 百萬畫素卻只花了 9 個月時間，2 百萬畫素到 3 百萬畫也只 花了不到 9 個月時間(Samsung 於 2004 年 Q3 正式推出 3x 光學變焦、300 萬畫素 的 SPH-S2300)。類似地，CMOS 機種從 VGA 直接進入，走入百萬畫素只花了約 9 個月時間，而 2 百萬畫素產品預期也將只需 9 個月時間。 根據最新報告指出，畫素未來發展 2004 年絕大多數市場仍是 VGA 的天下(佔 有 66%)，CIF 等級則約有 13%、1.3Mega 等級則只有 19%(且大多數為日韓市場)。 不過在 2005 年，1.3Mega 開始躍居主流，VGA 則退居第二；直至 2006 年，百 萬畫素照相手機仍穩居市場主流地位，2.0Mega 機種漸升為第二(27%)，3.0Mega 以上則佔 5%。 相機模組如圖 1-1 所示，構成要素包含了感測器、鏡頭、鏡頭支架、軟硬板， 由於現在手機要求之輕薄短小，如今在加入相機功能後，持續在已狹小的空間中 塞入相機模組，不僅考驗手機廠商，更是考驗零組件廠商。 3 圖 1-1 手機相機模組 在相機零組件中，感測器、鏡頭與機械裝置算是最重要的三部份，尤其愈往 高畫素發展時，與其搭配之感測器與掌握光線入射的鏡片面積也將同步放大，而 如何在面積同步放大的不利條件下，同時掌握手機微小化之要求並保持高畫素、 高影像品質，自然成為廠商逐鹿市場的學問。於此同時，整合各種零組件於一身 之模組組裝技術，在越往高畫素發展同時，也同樣身兼重任。 感測器廠商藉由調整感測器內之光電二極體(Photodiode)間距與外型、放入多 顆電晶體和暫存器電路之特殊設計，期待能夠達到縮小體積但卻提高畫素的要 求，當然這些細微化動作仍有賴晶圓廠以更先進的 0.15、0.13 微米或是奈米製程 來解決。下一代感測器預計將把畫素縮小到 2.2 微米，同時為補償畫素亮度的下 降，一些模組製造商正為 CMOS 感測器的每個畫素上建構以薄膜為主的顯微鏡 4 頭(Micro Lens)。顯微鏡頭有助於把光引導到每個光電探測器上。此外，為了提 高感測器的聚光能力，目前也流行在晶圓廠後製程上下工夫(即 Color Filter)。 鏡片由於跟後端感測器成像有很大關聯，因此廠商鏡片之各項規格也會跟隨 感測器之種類不同而有不一樣的設計，而業界間對於「鏡片尺寸」之慣用定義， 甚至也依隨感測器之圖像大小(pixel size)而定。以 CIF 等級為例，其鏡片尺寸最 進步者已來到 1/7"、1/9"，而組成鏡頭模組後之形狀大小則可要求 6(長)x 6(寬)x 3.5 mm(高)；VGA 等級因目前應用最多，因此市場上有 1/4"、1/5"、1/6"、1/7" 之分，鏡頭模組大小則散佈於 8 x 8 x 6 (mm)、8x8x5(mm)、7 x 7 x 4.5 (mm)間； 1.3 M 款式有 1/3"、1/3.5"、1/4"之分，鏡頭模組大小則有 9 x 9 x 6.5 (mm)、8 x 8 x 6 (mm)；2.0 M 等級目前屬於最新產品，因此尺寸也稍大，目前業界有 1/2.7"、 1/3"供客戶選擇，鏡頭模組大小則以 11 x 11x 7 (mm)為最多。 鏡片材質又有塑膠或玻璃之分別，塑膠材質成本較低，製作出來的重量也較 輕，不過成像品質較玻璃差，而且在極度精小尺寸要求下，塑膠射出成型的製程 要求也會遇到問題；玻璃鏡片雖然成本較貴，重量也較重，但有良好成像效果， 而且在尺寸精細度可要求(如鏡片直徑與厚度)得更高。 鏡頭廠商過去因照相手機多定位為玩具用品，而且像素與外型要求標準不 高，因此多以塑膠鏡片為材質，但在照相手機逐漸邁向高規格情況下(尺寸與影 像品質)，廠商除了開始步入玻璃與塑膠搭配組合之使用型態外，也會採用塑膠 5 與玻璃混合 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 當作鏡片使用。例如在 100 萬畫素以上的產品中，一些鏡頭製造 商正在使用 3 個塑膠元件轉向混合採用塑膠與玻璃元件，不過混合元件將使成本 上升。 此外，為了考慮鏡片與鏡頭模組厚度，使用「非球面」之鏡片為重要趨勢； 其中塑膠鏡片因本身尺寸縮減幅度有限，因此在應用於照相手機中多半只能使用 非球面鏡片，也因此「非球面」塑膠材質鏡片之製作即成為廠商另一項重要競爭 項目；在玻璃鏡片方面，由於玻璃鏡片尺寸精密度可製作至很小，因此球面與非 球面鏡片皆可安裝於照相手機內。最後，下一代鏡頭還將整合更好的自動聚焦、 數位變焦和更高解析度的視訊擷取功能。由於更昂貴的鏡頭和製造成本，這些增 強措施已經使 CMOS 感測器模組之物料成本翻上幾番，由 VGA 等級產品的 5.50 美元變成百萬畫素單元的 10.10 美元。 鏡頭模組中除了鏡片外，比較重要之項目又以濾光膜為代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf ，濾光膜有 IR-CUT 和 OLPF 之分。IR-CUT 為紅外線濾光膜，主要為因應導入外界光線色彩， 並使取像顏色不符合人眼之需，而在鏡片玻璃製程添加 IR-CUT Coating 或是選 擇 IR-CUT 玻璃之手段；OLPF 為光度低通道過濾器，主要著眼點在於鏡頭取像 頻率超越後端感測器像素擷取頻率時，會產生信號失真，因而干擾畫質；解決方 式即為在鏡頭後端與感測器前端中間加入 OLPF 降底鏡頭取像頻率，以彌補感測 器取像頻率之不足，並充分發揮感測器品質。 6 由於 IR-CUT 若使用外添薄膜玻璃於鏡頭的做法，將無形增加模組厚度與增 加光線折射，並且目前在鏡片製程中可靠添加相關材料而製作出薄膜效果(也可 稱為 Coating)，因此多數廠商已省略外添做法，而改採整合鏡片製程之步驟。OLPF 原則上是愈往高畫質發展才有需求，因此除了在一般 CCD 感測器產品中皆可見 外，CMOS 產品則需在百萬像素以上才可發現。國內從事 OLPF 製作之廠商有晶 華石英、精碟、鈺晶、漢昌、韋晶、鈺祥。 此外，在鏡頭模組組裝時，鏡片到濾光膜之光軸之偏心、傾斜與晃動控制為 廠商提昇良率之重點，並且，照相手機是使用最為頻繁之消費電子產品，因此廠 商多會要求產品出貨前，須通過高度 1.5～1.6 公尺、連摔 15～16 次的撞擊測試； 也因此，深藏於照相手機模組中之鏡片或是鏡頭，如何因應撞擊測試，也是廠商 是否勝出的重要指標。例如 Panasonic 為了吸收碰撞時產生的能量，用橡膠外殼 覆蓋了相機部位，並覆蓋了樹脂外架。其他公司也採用了質量較輕的高強度鎂製 外架等對策。 也由於有撞擊測試，需要馬達或電磁鐵帶動之變焦鏡頭(zoom)，在手機相機 之發展上仍落後數位相機 1～2 年。此外，相對於撞擊，鏡頭組之溫度、熱衝擊 等耐久度測試，也是考驗廠商能力之重要指標。最後，有鑑於照相手機模組製程 又有分 CSP 與 COB 差異，並且這兩種製程對如何維持殘渣掉落之清潔度要求不 一，因此鏡頭模組供應商也會對兩種製程，有不同之控制與因應之道。 7 圖 1-2 COB Package 圖 1-3 The different type of CSP package 圖 1-4 Flip Chip package 模組組裝目前分為 COB(Chip on Board)與 CSP(Chip Scale Package)與傳統的 Flip Chip 技術 3 種。當然國內少數業者也有開發 COCC 等新一代封裝技術，但 是在該項技術尚不成熟的原因下，仍以 COB 與 CSP 為業界主流。但是過去在 8 CIF、VGA 等級曾經叱吒風雲過的 CSP 封裝方式，因為其模組上緣有玻璃阻擋， 致使其透光率不佳而會造成畫質模糊不清遺憾；尤有甚者，高畫質光線折損所造 成影響更是嚴重；此外，CSP 製程不似 COB 製程，所有程序可在自家工廠一氣 呵成；相反地，由於 CSP 牽扯晶圓封裝，因此往往需分兩段由不同工廠完成(前 段為晶圓級封裝程序、後段為鏡頭接合與 SMT 軟硬板銲接)，也使 CSP 價格成 本無法與 COB 競爭。 由於 COB 擁有品質與價格之競爭優勢，因此逐漸演變成業界主流，而也因 為業界主流標準成型，原有台灣眾多 CSP 產業鏈生態也就被迫不得不作許多轉 變。 COB 為高畫素(1.3Mega)相機模組之製程主流，但是受限於部分廠商仍需仰 賴 CSP 作為出貨手段(因 COB 轉換不順)，同時也為了快速應付市場，因此 CSP 遂扮演高階畫素在市場 time-to-market 壓力下之應急製程；也由於 CSP 能夠快速 應付市場所需，但受限於品質上之不確定性，因此 CSP 目前常成為高畫素但低 階市場(如大陸)之對應製程產品。 由於 COB 成為主流製程，因此使得原本只支援 CSP 製程的感測器廠商紛紛 投入對 COB 的支援(如 Omnivision)；此外，由於 CSP 仍具有一定市場侵蝕力， 因此部分過去只支援 COB 之感測器業者，為了擴大競爭力，也紛紛號稱加入對 CSP 之支援(如 Micron)。 9 原本台灣支援 CSP 之眾多模組業者，因為 COB 成為製程主流，遂紛紛投入 COB 之陣營。但受限於大幅投資 COB 的金額過於龐大，除了部分廠商肯花大錢 籌措 COB 封裝廠外，大多數業者多採用分段採購方式；例如前半段 COB 感測器 封裝，IR-Cut、模組托盤交由傳統封裝業者完成，拿到半成品後，在由自家 in-house 完成鏡頭、軟硬板、測試等後段組裝工作。 經過一年市場汰換，共有三種業者投入相機模組競爭，一類為原有相機之系 統組裝業者；第二類為封裝業者；第三類業者為其他各類有興趣投入之周邊業 者。三類業者各有其優劣點，但總括而言，共有 8 項因素決定是否能最後勝出， 這 8 種因子分別為： ‧鏡頭設計能力 ‧多樣之感測器搭配能力 ‧相機之光學處理能力 ‧各類軟板支援能力 ‧組裝經驗 ‧軟體設計能力 ‧系統測試能力 10 ‧適應各種手機平台之模組設計能力 照相手機市場在經過這幾年的放大，使得上、中游的業者也跟著吃香，只是 在相機模組設計能力不斷要求的情況下，為能滿足手機用鏡頭微型化的需求本文 除了從 Sensor 端開始介紹，將會介紹 2P 結構的 VGA 鏡頭設計方法。 第二章 Sensor 規格 2-1 認識 CCD 與 CMOS Sensor 所謂的 CCD 就是 Charged Coupled Device 的縮寫，中文稱為「電荷耦合元 件」，CCD（Charge Coupled Device ，感光耦合元件）為可記錄光線變化的 半導體，通常以百萬像素〈megapixel〉 為單位。數位相機規格中的多少百萬像 素，指的就是 CCD 的解析度，也代表著這台數位相機的 CCD 上有多少感光元 件。 CCD 主要材質為矽晶半導體，基本原理類似計算機上的太陽能電池，透 過光電效應，由感光元件表面感應來源光線，從而轉換成儲存電荷的能力。簡單 的說，當 CCD 表面接受到快門開啟，鏡頭進來的光線照射時，即會將光線的 能量轉換成電荷，光線越強、電荷也就越多，這些電荷就成為判斷光線強弱大小 的依據。CCD 元件上安排有通道線路，將這些電荷傳輸至放大解碼原件，就能 11 還原 所有 CCD 上感光元件產生的訊號，並構成了一幅完整的畫面。此一特性， 使得 CCD 通用在數位相機〈Digital Camera〉與掃瞄器〈Scanner〉上，作為 目前最大宗之感光元件來源。 CMOS，是 Complementary Metal-Oxide Semiconductor 的縮寫，中文稱 為「互補金屬氧化半導體」，CMOS 和 CCD 一樣同為可記錄光線變化的半導體 ， 外觀上幾乎無分軒輊。但，CMOS 的製造技術和 CCD 不同，反而比較接近一 般電腦晶片。CMOS 的材質主要是利用矽和鍺這兩種元素所做成的半導體，使 其在 CMOS 上共存著帶 N（帶 – 電） 和 P（帶 + 電）級的半導體，這兩個 互補效應所產生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影像。然而，CMOS 因為 在畫素的旁邊就放置了訊號放大器，導致其缺點容易出現雜點 ，特別是處理快 速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁而會產生過熱的現象，更使得雜訊難以 抑制。CCD 與 CMOS 這兩種可說是不同的技術，大致上來說，CMOS 的色澤 效果較沒有 CCD 來的好，目前各大主流廠商大多使用 CCD 為主的感光元件。 CCD 的訊號必須一行一行的讀出，電荷經過多次傳遞才被讀出，其中過程 須完整無缺。因此 CCD 雖然也是以矽晶片為材料，但發展出的是特殊的製程， 目前所有的研發、製造技術及專利仍掌握在日系廠商手中。 CMOS 與 CCD 最大的不同在於使用的設備與製程。而在 CMOS 感測器製 程上則與 DRAM 類似，使用一般的半導體製程、設備即可，設計業者將開發線 12 路交由晶圓代工廠製造即可，非常適合半導體產業架構完整的台灣廠商發展。 CMOS 與 CCD 的優缺點比較可參下表 2-1 ，CMOS 此外尚有系統整合性 (SOC)、低消耗功率(CCD 操作電壓 5-15V，消耗功率 2-5W；CMOS 操作電壓 3-5V，消耗功率 20-50mW)、區域讀取、智慧型畫素、高 frame rate 等優點。 CCD 優點 CCD 缺點 低雜訊、高感度、線路設計及製程單純、 技術成熟。 高耗電量、畫素無法隨機讀取、電荷傳 遞須接近完美無缺。 CMOS 優點 CMOS 缺點 低價位、低耗電量、畫素可隨機讀取、 相機功能可整合在單一晶片上。 雜訊度較高、感度較差、晶片線路複雜、 技術尚未完全成熟。 表 2-1 CCD 與 CMOS 特性比較 CMOS 對抗 CCD 的優勢在於成本低，耗電需求少, 便於製造, 可以與影像 處理電路同處於一個晶片上。但由於上述的缺點，CMOS 只能在經濟型的數位 相機市場中生存。 不過，新一代 『Fill Factor CMOS』 成為解決這個難題的 救星，Fill factor CMOS 屬於此型感測器中最先進的製程技術。最大的差別在於 提高 Fill Factor（單一畫素中可吸收光的面積對整個畫素的比例），有效做到提 升敏感度、放大 CMOS 面積（全片幅）和降低雜訊的影響。再將 Fill Factor CMOS 16 IPA (個別畫素定址） 無 有 製造機具 特殊訂製機台 可以使用記憶體或處理器製造機 表 2-2 CCD 與 CMOS 感光元件之優缺點比較 由於構造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現之不同如表 2-2 所示。CCD 的特色在於充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透 過每一個畫素集合至單一放大器上再做統一處理，可以保持資料的完整性； CMOS 的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個畫 素的資料。 圖 2-3 CCD 與 CMOS 電路結構之完整比較（摘錄自 SHARP 月刊） 2-3 差異分析 整體來說，CCD 與 CMOS 兩種設計的應用，反應在成像效果上，形成包 括 ISO 感光度、製造成本、解析度、雜訊與耗電量等，不同類型的差異： 17 2-3-1 ISO 感光度差異：由於 CMOS 每個畫素包含了放大器與 A/D 轉換電路，過 多的額外設備壓縮單一畫素的感光區域的表面積，因此在 相同畫素下，同樣 大小之感光器尺寸，CMOS 的感光度會低於 CCD。 2-3-2 成本差異：CMOS 應用半導體工業常用的 MOS 制程，可以一次整合全部周 邊設施於單晶片中，節省加工晶片所需負擔的成本 和良率的損失；相對地 CCD 採用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另闢傳輸通道，如果通道中有一 個畫素故障（Fail），就會導致一整排的 訊號壅塞，無法傳遞，因此 CCD 的良率比 CMOS 低，加上另闢傳輸通道和外加 ADC 等周邊，CCD 的製造 成本相對高於 CMOS。 2-3-3 解析度差異：在第一點『感光度差異』中，由於 CMOS 每個畫素的結構比 CCD 複雜，其感光開口不及 CCD 大， 相對比較相同尺寸的 CCD 與 CMOS 感光器時，CCD 感光器的解析度通常會優於 CMOS。不過，如果跳脫尺寸 限制，目前業界的 CMOS 感光原件已經可達到 1400 萬 畫素 / 全片幅的設 18 計，CMOS 技術在量率上的優勢可以克服大尺寸感光原件製造上的困難，特 別是全片幅 24mm-by-36mm 這樣的大小。 2-3-4 雜訊差異：由於 CMOS 每個感光二極體旁都搭配一個 ADC 放大器，如果以 百萬畫素計，那麼就需要百萬個以上的 ADC 放大器，雖然是統一製造下的 產品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的 效果，對比單一個放大器的 CCD，CMOS 最終計算出的雜訊就比較多。 2-3-5 耗電量差異：CMOS 的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產生的電 荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但 CCD 卻為被動式， 必須外加電壓 讓每個畫素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要 12 伏特（V） 以上的水平，因此 CCD 還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高 驅動電壓使 CCD 的電量遠高於 CMOS。 2-3-6 19 其他差異：IPA（Indiviual Pixel Addressing）常被使用在數位變焦放大之中， CMOS 必須仰賴 x、y 畫面定位放大處理，否則由於個別畫素放大器之誤 差，容易產生畫面不平整的問題。製造機具上，CCD 必須特別訂製的機台才 能製造，也因此生產高畫素的 CCD 元件產生不出日本和美國，CMOS 的生 產一般記憶體/處理器機台即可擔負。 2-4 Sensor 規格分析 單就手機用的 Sensor 目前主流多為 CMOS，這裡我們就以 OV7640 來說明 規格。圖 2-4 所示為 OV7640 的主要規格。 表 2-4 OV7640 規格 表 2-4 所示就鏡頭設計角度來分析 Sensor 規格，主要為 Array size、 Pixel size、Image area 及 Package dimensions。其中 Array size、Pixel size 在 OV7640 中分別為 640 X 480 及 5.6μm 這兩個規格決定了 Sensor 的解析程度。如果以鏡 20 頭解析方式來看，計算的方程式為 Lens resolution= 1000 2 1 ×⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ×Pixelsize = N lp/mm 其中 Pixelsize 在 OV7640 中為 5.6μm。所以就 OV7640 來說 Sensor 該的最 高解析力為 89.28 lp/mm，一般設計參考數據會取整數 90 lp/mm。另外如果以 TVL 來判斷 Sensor 解析力那麼我們可以說 OV7640 的最高解析力為 640TVL(TV Line)。也可以這麼解釋，每一個 Pixel 可以解析單一線段。 Image area 及 Package dimensions，這兩個規格除了是 Sensor 外觀尺寸也決 定了所搭配鏡頭的部分光學規格。Image area 就與光學設計中 Lens Image height，圖 2-4 所示為 OV 產出的 COMS Sensor 結構圖面 Die 的大小即是 Image area，而鏡頭成像高度（Image height）範圍必須大於 Image area。如此一來經由 模組取得的影像便不會有暗角產生。 圖 2-4 Sensor 結構圖 21 Package dimensions 這部分就決定了 Lens holder 的大小，Lens holder 的作 用除了支撐 lens 外同樣的也兼任覆蓋 sensor 的功用。另外也影響了光學的後焦 值(Back focal length)，如果將濾光片的位置是設計在 holder 上，那麼光學後焦長 度就必需再考量 holder 壁肉的厚度以免機構產生干涉。 第三章 鏡頭規格 鏡頭規格不外乎包含鏡頭幾何外觀規格鏡頭光學規格。鏡頭幾何規格即規範 了鏡筒(Barrel)尺寸、鏡頭支座(Holder)，機構後焦(FBL Fringe back length)等如圖 22 3-1 所示。 圖 3-1 鏡頭與鏡頭支座示意圖 鏡頭光學規格就是鏡頭規格的精華所在，其所包含的部分就相當的多。視角 (VOF View of Field)、焦距(EFL Effective Focal Length)、相對照度(Relative Illumination)、扭曲(Distortion)、主光線角度(Chief Ray Angle)以及解析度等。 如圖 3-2 所示的鏡頭設計規格點檢表，此點檢表中有三個主要的規格分別為 感應器規格、光學規格以及機構規格。 23 3-1 光學點檢表 24 圖 3-2 點檢表 25 3-1-1 感應器規格（Sensor Specification） 如圖 3-2 中感應器規格有四個小項。 圖 3-2-1 感應器規格 -Design No.- 依據 ISO 所訂定的編碼準則給予該項產品設計號碼。 -Construction- 建議 Sensor 所搭配的鏡頭鏡片組合，如玻璃材質或塑膠材質定義。如該鏡頭的 鏡片組合有一片玻璃(Glass)兩片塑膠(Plastic)，則定義為 1G2P。 -Image Sensor Format- 感應器格式，目前有 CMOS 和 CCD 兩種。 -Sensor Pixel Size- 感應器畫素大小，一般單位為μm。 3-1-2 光學規格（Optical Specification） 如圖 3-2 中光學規格有十一個小項。 26 圖 3-2-2 光學規格 -Effective Focal Length(同 Focal length)- 有效焦長即焦距，泛指光學系統中的聚焦長度如圖 3-3 光學系統示意圖所示。 圖 3-3 光學系統示意圖 -Back Focal Length- 後焦長，泛指光學系統中最後一面鏡面（不含 IR cutter filter）到感應器的長度。 如圖 3-4 鏡頭架構示意圖所示 27 圖 3-4 鏡頭架構示意圖 -F No.- 光圈尺寸，用來定義光學系統中入光的孔徑大小。一般來說和焦距(EFL)與入瞳 直徑(D)呈下列方程式所示的關係。 D EFL ＝F NO. -View of Angle- 視角，用來定義光學系統所能觀測的範圍，計算方式請見圖 3-3 光學系統示意圖。 -Relative Illumination- 相對亮度，指視場中央和周邊的百分比。依照近軸光學定義及的計算方式如下()： RI= center edge E E 其中 E 為照度 -Optical Distortion- 光學扭曲，泛指全視場的扭曲程度。 -TV Distortion- TV 扭曲，一般是指從 1.0 場到 0.6 場之間的光學扭曲(MAX.-MIN.)。 28 Distortion 指理想(實際)像面與鏡頭取相後所的影像之間的差異。如圖 3-5 所示。 圖 3-5 取像畫面扭曲示意圖 Distortion 計算的方程式如下所示： D= 100' 0 ' 0 ' ×− y yy % 其中 D: Optical Distortion。 以方程式所算得的值為正者稱 Pincushion- Distortion。 以方程式所算得的值為負者稱 Barrel- Distortion。 另外 TV Distortion 計算的方程式如下所示 DTV= 1002 ×Δ h h % DTV= ( ) Dm ×−× 2121 其中 29 m: 相面垂直長度與對角線長度的比值，一般 TV Distortion 約為 Optical distortion 的 1/3。 -Chief Ray Angle- 主光線(Chief ray)入射到感應器面的角度。如圖 3-6 光學系統光路示意圖所示。 圖 3-6 光學系統光路示意圖 -Max. Image Circle- 最大成像圓，泛鏡頭所能包含的成像範圍。一般大小為指感應器對角線長度再加 上製造公差。 -Optical Length- 光學長度，泛指鏡頭第一鏡片的面第一鏡面到感應器的長度。 -MTF- 分析鏡頭的解像力跟反差再現能力使用的量化方法。MTF 描述鏡頭能將物體轉 化成完美影像的程度，除繞射極限影響外，鏡頭的設計往往還有很多因素影響所 以不可能有這種理想化的鏡頭，這種測定光學頻率的方式是以一個 mm 的範圍內 能呈現出多少對線來度量，其單位以 line pare/mm 來表示。MTF 的表現通常是以 一個平圖上有多種不同尺寸大小的線條或圖案在多少光圈及多少距離下拍攝所 30 作的分析做成的圖表就稱之為 MTF 圖了。MTF 圖的座標在直的是 MTF 值（反 差比或相對照度）橫的是空間頻率（單一空間的線數）。舉例來說:不同曲線代表 不同的視角(像高)，縱軸為反差大小，而 MTF 曲線分為不同空間頻率（如 100 line pare/mm、200 line pare/mm 等）。反差值越接近 1，即反差特性良好也就是說畫 面更銳利；空間頻率越高，就是說鏡頭具備高解像力。最高的曲線為繞射極限。 MTF 曲線圖可見圖 3-7 所示 圖 3-7 MTF 圖 對比度(Contrast)以空間頻率 5 或 10 lp/mm 來評價該鏡頭之對比度性能。在此 頻率之反差值縱然僅 2~3 %之差異，人眼可輕易分辨其差別，所以這是一個重要 的基本頻率。一顆好的鏡頭在空間頻率 5 lp/mm，小光圈時 T 及 S 方向反差值需 達 95 %。若反差值低於 90%就算是較差之影像品質。清晰度(Sharpness)以空間 頻率 40 lp/mm 來評價該鏡頭之清晰度性能，40 lp/mm 代表一個鏡頭可以分辨多 細的物體 (譬如一根毛髮)。在此頻率之反差值縱然達 10 %之差異，人眼不太能 分辨其差別。通常一顆傳統底片型攝影鏡頭在空間頻率 20 lp/mm 時需達反差值 50%可算是好鏡頭。一個鏡頭若有較佳的對比度，但較差的清晰度，其整體影像 31 會比相反的鏡頭(較差的對比度，但較佳的清晰度)銳利，感覺較好。當然，一般 而言，鏡頭若有較好的對比度，其清晰度也較好。對比度與清晰度的關係如表 3-1 所示。 完美之影像 對比度差 清晰度好 對比度好 清晰度差 對比度差 清晰度差 影像完全不見了 表 3-1 對比度與清晰度的關係 32 對比度、清晰度與 MTF 曲線關係如表 3-2 所示。 完美之影 像 對比度差 清晰度好 對比度好 清晰度差 對比度差 清晰度差 表 3-2 對比度、清晰度與 MTF 曲線(MTF V.S. Field)關係 3-1-3 機構規格 如圖 3-2 所示在機構規格中有三個小項。 圖 3-2-3 機構規格 -Lens Dimensions- 鏡頭大小，泛指最大直徑以及鏡頭長度。圖 3-8 鏡頭示意圖。 33 圖 3-8 鏡頭示意圖 -Barrel Mount Dimension- 鏡筒大小，泛指螺牙直徑以及節距。圖 3-9 鏡筒示意圖。 圖 3-9 鏡筒示意圖 -Holder Dimension- 鏡頭支座大小，泛指矩型大小以及高度。圖 3-10 鏡頭支座示意圖 圖 3-10 鏡頭支座示意圖 34 第四章 Zemax Design ZEMAX 是一套綜合性的光學設計模擬軟體，它將實際光學系統的設計概 念、優化、分析、公差 以及報表整合在一起。與其他軟體不同的是 ZEMAX 的 CAD 轉檔程式都是雙向的，如 IGES、STEP、SAT 等格式都可轉入及轉出。 而 且 ZEMAX 可模擬 Sequential 和 Non-Sequential 的成像系統和非成像系統。 大多數的成像系統都可由一組的光學表面來描述，光線按照表面的順序進行 追跡。如相機鏡頭、望遠鏡鏡頭、顯微鏡鏡頭等。 ZEMAX 擁有很多優點，如 光線追跡速度快、可以直接優化並進行公差計算。 ZEMAX 中的光學表面可以 是反射面、折射面或繞射面，也可以建立因光學薄膜造成不同穿透率的光學面特 性；表面之間的介質可以是等向性的，如玻璃或空氣，也可以是任意的漸變折射 率分布，折射率可以是位置、波長、溫度或其它特性參數的函數。同時也支援雙 折射材料，其折射率是偏振態和光線角度的函數。在 ZEMAX 中所有描述表面 的特性參數包括形狀、折射、反射、折射率、漸變折射率、溫度系數、穿透率和 繞射階數都可以自行定義。 那如何著手去設計一顆鏡頭，首先就是規格分析。這個部分又分成兩個方向 分別是 Sensor 規格與光學規格，鏡頭設計的依據絕對是由選擇搭配的 Sensor 來決定的。因此分析 Sensor 規格就成為鏡頭設計流程中最重要也是最先開始的 部分，那麼如何由 Sensor 供應商所提供的規格書中去找出我們想要的規格，這 部分不外是 Image area、Package dimension 以及 Pixel size 和 Chief ray 35 angle，那麼如何去計算在第二章已經敘述過，在這邊就不再重複。 接下來就是決定鏡頭的光學規格，根據需求我們可以知道鏡頭應用在何處如 CCTV、DSC、DV 或是 Mobile phone camera、Web camera 等。不同的應用 將決定了鏡頭所具備的特性，亦或者是因為成本考量而限制了鏡片使用的材質及 數量等。 那麼如何去規範鏡頭的光學規格，我們可以由需求就可以粗估光學的規格。 鏡頭的視角以及搭配的 Sensor 就決定了鏡頭的焦距，F number 與鏡頭焦距就 決定了光圈孔徑。鏡頭長度也限制了鏡片使用數量，鏡頭外徑決定了最大鏡片尺 寸。以上這一些數據都是相當基礎的計算，當設計者設計經驗越多，這一部份幾 乎會變成直覺式的反應。 當我們對於鏡頭近軸規格確認後，我們就可以開始使用 Zemax 去設計鏡 頭。我們選擇使用 OV7640 VGA Sensor 建議使用兩片塑膠鏡片去進行光學設 計因此總和需求及 Sensor 整理出該鏡頭的規格。見表 4-1。 36 表 4-1 鏡頭規格 4-1 設計分析 使用一套輔助性的光學設計軟體來設計一套光學系統，對於有受過軟體使用 的訓練的人員來說可以說是很簡單的一件事。但是常常出現的狀況是光學系統已 經設計出來了但是光學系統卻不具備生產性，也可以說系統中的鏡片無製造性又 或是鏡片材質選擇不當等問題。因此設計前的準備工作是很重要的，如瞭解模仁 加工極限，量測儀器特性以及鏡片材質及物理特性等。當一切事前工作準備完善 就可以進行設計工作。 4-1-1 單鏡片加工性分析 由於塑膠單鏡片是採用射出生產（也有單鏡片是用車製，不過僅用於光學系 統驗證），所以模仁的加工極限就成為光學設計時單鏡片外型考量的重點。 37 目前塑膠鏡片加工性評估分別為模仁加工、鏡片肉厚比評估如下： 1.非球面的面徑≧C.A.+0.4mm，超出 C.A.的部份以非球面曲面來作延伸。 2.理光模仁加工極限θ<50°，超過則模仁輪廓無法量測。 新業模仁加工極限θ<55°，超過則模仁輪廓無法量測。 （角度限制是受限於量測儀器量測極限和刀具與模仁干涉程度） 3.非球面不可有反曲點或週邊出現極小值（曲面線斷延伸後斷線）的情況， 曲面的曲率不可太大（R 值太小），以防材料受縮後曲面產生極大誤差。 4.肉厚比=中心肉厚/周圍肉厚，肉厚比數值建議 0.4～2.5 之間。 5.最小中心肉厚不得小於 0.35mm，周邊肉厚不得小於 0.4mm。 表 4-2 透明樹脂物性表 4-1-2 塑料種類分析 塑料種類詳見表 4-2 透明樹脂物性表。 38 其中各種單位敘述如下比重(g/cm^3)、吸水率(%)、全光線透過率(%)、折射 率(nd)、阿貝數、雙折射率(nm)、玻璃轉移點(Degree C)、熱變形溫度(Degree C)、 抗拉強度(Mpa)、抗拉伸長率(%)、抗折彈性率(10^4Mpa)、艾氏衝擊強度 (Kg-cm/cm)。 目前常用的塑膠材質有 PC、PMMA 及 ZEONEX。ZEONEX 與 PMMA 光學 特性相仿但是 PMMA 多用於低階產品，因為熱變形溫度過低常因為熱衝擊實 PMMA PC ZEONEX ARTON APO TOPAS APEL 物性 比重 1.19 1.19 1.01 1.08 1.01 1.02 1.05 吸水率 2 0.4 <0.01 0.2~0.4 <0.01 <0.01 <0.01 光學 特性 全光線透過率 93 90 91 92 90 92~93 91 折射率 1.49 1.585 1.5247 1.51 1.54 - - 阿貝數 58 29.9 56.2 57 - - - 雙折射率 <20 <65 <25 <20 <20 <20 <20 玻璃轉移點 105 140 140 171 141 80~180 171 熱變形溫度 93~95 121 123 162 129~136 75~170 129 機械 性質 抗拉強度 730 450 643 750 640 660 - 抗拉伸長率 10 12 - 16 3~10 - 抗折彈性率 3 2.3 2.4 3 - 2.8 艾氏衝擊強度 1 12 - 2 6 - - 39 驗、高溫高濕實驗無法通過及因吸水率太高導致鍍膜不易，所以很少應用於較高 階的產品如 Mobile phone 等。 4-2 光學設計 一般來說套裝軟體使用的流程不外乎前處理、計算、後處理三個步驟。在 ZEMAX 中前處理包含了光學系統的初階（近軸光學規格），光學系統的初階設 定如果以一般正統光學設計的流程來說應該要由專利去搜尋相近的規格來著手 設計。因為專利樣式大多是有經過生產的過程有一定的參考價值，因此使用專利 樣式可以大大減少設計時間。但就以我們將介紹的 2P 手機鏡頭用的光學系統來 說並不建議以此流程去著手設計，不但是在專利中不易搜尋，也因為手機應用是 屬於新應用，專利中的樣式不見的能減少設計時程。另外就以兩片塑膠鏡片的材 質組合最多也只有四種(還不包括外型)，如果設計需求是多鏡片組合的話那麼由 專利樣式去著手會是比較好的選擇。 前處理，設計人員必須先瞭解 ZEMAX 中可以規範的規格之後，再去算出光 學系統的近軸規格，比如入瞳直徑。其他像是焦距（effective focal length）、F/# （F number）、視角（View of angle）、主光線角度（Chief ray angle）、光學變 形（Distortion）等在軟體之中都可以藉由指令去規範。接下來我們以表 4-1 的 規格開始光學系統的前處理設定。 在圖 4-1 中所顯示的是可以用來做光圈的設定，我們選擇定義入瞳直徑。在 40 這之前我們先自行預設系統的視角為約為 60 度左右，所以先用焦距 3.6mm 去 計算入瞳直徑的數據，本設計 F No.為 2.8。計算公式如下 D EFL ＝F NO. 圖 4-1 ZEMAX 系統指令視窗（General） 接下來指定視場（View of field），見圖 4-2 以角度的型態來指定視場範圍。 41 圖 4-2 ZEMAX 系統指令視窗(Field data) 最後指定計算波長，因為產品應用為成像所以波長為可見光在 ZEMAX 中可 以選擇內定值（F、D、C）。如圖 4-3。 圖 4-3 ZEMAX 系統指令視窗(Wavelength data) 鏡片編輯，這一個視窗是用來編輯光學系統所需要的鏡片資訊。鏡片的半 徑、曲率及材質，另外如果系統有使用非球面或是繞射元件也可以在這一個視窗 中的表面種類( Surface type)來進行編輯。如圖 4-4 所示。 42 圖 4-4 ZEMAX 系統指令視窗(Lens data editor) 近軸規格設定完畢後後接下來，指定變數及邊界條件。除了鏡片編輯中指定 變數以及解之外，還有優化函數的邊界條件指定。如圖 4-5 所示。這部分可以指 定的邊界條件有鏡片材質範圍、鏡片厚度、表面曲線參數的設定。另外也可以指 定主光線入射角度以及 Distortion 等設定。 43 圖 4-5 ZEMAX 系統指令視窗(Merit function editor) 當所有前處理設置完畢後就可以進入計算，在 ZEMAX 中計算的概念主要是 由像差及聚焦點大小為目標，以變數及邊界條件去趨近設計目標值以及優化目標 數據的最小化。軟體使用計算的方法有三種。分別是優化(Optimization)、全域 優化(Global optimization)以及榔頭優化(Hammer optimization)。在此我們以設 計經驗來介紹這三種優化方式的使用時機。優化，如圖 4-6 所示該視窗左列是執 行優化的數目選項右邊則顯示目前系統狀態。一般來說在系統初階到確認近軸規 格的階段我們會使用優化這個選項，原因是我們可以一步一步的確認光學系統優 化的過程一旦系統出現不合理或是不佳的狀況時可以即時監控。 44 圖 4-6 Zemax 優化圖示 全域優化見圖 4-7，通常這一個指令使用的時機有兩個狀況。當近軸規格確 認後系統幾何也大致無誤時但是光學特性上不符合需求時，另外一個狀況是設計 者想在找尋其他近似的架構時。這一個概念是因為全域優化的計算方式，是系統 根據目前解的趨勢之下廣泛找出多種解。如此可以提供設計者更多的選擇。 圖 4-7 Zemax 全域優化圖示 榔頭優化，這是一個強力的優化指令。該指令的優點是可以大量的節省時 間，並且在解的方向確定後找出最佳的解。也就是說可以求的最小的 MF 值。但 45 是缺點是如果在執行榔頭優化之前的系統尚未穩定，那麼執行榔頭優化可以得到 最小的 MF 值但是系統的聚焦情況可能是極為糟糕的。因此，在此建議設計人員 設計的優化順序為優化其次為全域優化再一次執行優化最後可以選擇優化到最 後或是榔頭優化。這個建議並不是要完全遵守的，個人可以依據經驗去搭配各種 優化工具，最終的目的就是要求的一個最佳的光學系統如圖 4-8 所示。 圖 4-8 2P VGA 光學設計 4-3 公差分析 量產，是一個產品開發的最終目的。對於生產鏡頭來說如果能在生產之前先 行評估製造性對於製程上會有很大的助益。在 ZEMAX 這一套軟體中有一個可以 讓設計人員評估產品量產性的功能，即敏感度分析（公差分析）。在 ZEMAX 內 預設的公差分析項目包括了曲率半徑、厚度、條紋、位置、傾斜、離軸、局部誤 差、折射率、Abbe 數等，還可以自行定義公差，包括非球面係數、離心/傾斜、 46 solve 和參數公差等。定義的補償器包括：焦距、傾斜、任意元件或表面或群組 的位置，還可以選擇公差評價標準，有 RMS spot radius、RMS wavefront error、 MTF、 boresight error 或是更複雜的使用者定義標準。 ◎ Sensitivity 分析 可單獨考慮每個定義的公差，可將參數調整到公差範圍的極限，然後確定每補償 器的最佳值，最後可將每個公差的貢獻列表輸出。 ◎ Inverse Sensitivity 分析 在定義系統最低效能後， inverse sensitivity 分析疊代計算每個參數的公差容限。 ◎ Monte Carlo 分析 Monte Carlo 分析非常有用，功能也非常強大，因為它同時考慮所有公差的影響。 透過定義的公差產生一些隨機系統，取用適當的統計模型，調整所有的補償器， 使每個參數隨機擾動，然後評估整個系統性能的影響。 在執行公差分析的首要工作，為了將所有條件及變數固定。光學系統中所指 定的所有變數以及邊界條件必須全部移除。這個部分包含了優化函數，鏡片編輯 中的解等。 完成了這一個工作後，接下來就是指定公差分析的項目。在這一個案例中我 們指定了偏芯、傾斜、肉厚以及面精度等，為分析對象。公差分析編輯視窗見圖 4-9 所示。 47 圖 4-9 ZEMAX 系統指令視窗(Tolerance Data editor) 在選定了分析項目後，接下來就是執行公差分析。見圖 4-10 所示。 圖 4-10 ZEMAX 系統指令視窗(Tolerance analysis) 完成分析後就可以由 ZEMAX 所列出的敏感項目判讀出產品在生產時所需 要注意的項目，接下來負責生產的人員將可以依據 ZEMAX 所模擬出來的結果來 進行製程上的搭配。另外公差分析結果也可以讓研發人員在遇到產品不良時 48 Trouble shooting 的參考數據。 第五章 結論 這一份手機用微型定焦鏡頭的報告主要的用途在於，讓剛進入微型定焦鏡頭 設計領域的人員可以對於該產品具有初步的認識。從上游的感應器介紹，認識感 應器規格從而進入光學設計的領域。 關於光學設計這一個章節，僅僅是初步的介紹。光學設計是一門學問也是一 門藝術，設計其具有良好光學特性的系統固然重要。具有良好製造性的系統的設 計才是我們光學設計人員最終的目的。 有關於更詳細的光學設計技巧，未來將以 3P 的架構設計 130 萬畫素的微型 手機用光學鏡頭來介紹。