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标题: 手機取像鏡頭模組的設計平台 [打印本页]

作者: coatingli 时间: 2005-6-15 16:30
标题: 手機取像鏡頭模組的設計平台

手機取像鏡頭模組的設計平台
　
百萬像素級的手機取像鏡頭模組是帶動手機新應用及產生新手機產品的創新源泉。以台灣手機市場來看，今年內建130萬畫素照相手機將取代30萬畫素照相手機，成為市場熱銷機種。三菱，諾基亞、摩托羅拉、三星、LG、Panasonic今年都打算推出內建200萬畫素的照相手機來取代今年的1.3M畫素照相手機。因此，今年Q2開始，台灣的OEM、ODM光學鏡頭模組廠商在200萬畫素照相手機的競爭局面將轉趨激烈。哪一家廠商能夠成功地將冗長的鏡頭模組開發從設計到量產的時程從12個月縮短至6個月，且及時提供符合市場需求之相機手機產品，將是哪一家OEM、ODM光學鏡頭模組廠商能在市場生存且揚名立萬的重要關鍵。因此之故，手機相機的相關設計平台對作為一具競爭力的手機專業整合製造商及從業工程師而言是相當重要的。本文的目的為整體性介紹手機取像鏡頭模組的光學設計流程及設計平台系統。

逆向工程的手機取像鏡頭設計
目前台灣光電業者已陸續開發成功30萬像素的手機取像鏡頭，其典型的光學結構剖面圖如圖1所示：
　

圖1 1為光闌，2、3、4、5曲面皆為PMMA塑膠材料射出成形的非球面透鏡表面，第3枚元件為紅外的濾光鏡。
　
此30萬像素的手機取像鏡頭的光學系統是由2枚塑膠透鏡與1枚紅外光平面濾鏡組合而成。實際製造此種透鏡組時，需要下列光學系統的光學參數數據：各曲面的曲率半徑(非球面包括圓錐常數及非球面係數)，各光學元件在光軸上的間隔距離，折射率及色散值 (Abbe number)，各光學元件的有效直徑(CA)，及光闌(Stop)的位置及大小。若已知這些光學參數，則可用光學設計平台的光線追跡功能很快速且精準的得到點陣圖(Spot Diagrams)、光學扇形圖(Ray fans)、光調制轉換圖(MTF)等光學系統評估成像品質的工具圖像。此種經由光學參數到透鏡性能的「順向工作」計算雖然繁複；然而，由計算機來執行已編寫好的程式確是非常有效率與方便使用。另一個方向，透鏡性能到光學參數的「逆向工作」則是非常困難。像差與設計參數間的關係，一般而言，不是線性關係。而且參數間有些限制條件，例如，透鏡的中心厚度或邊緣厚度不得為負值，玻璃或塑膠材料的折射率與色散值也必須有實際的光學玻璃或塑膠與以支持，這些參數的限制是以邊界條件的方式輸入系統。對光學系統設計的工作者而言，必須利用諸如ZEMAXTM、OSLOTM等光學設計平台來作反覆的遞迴計算才能完成此困難的「逆向工程」。

手機取像鏡頭設計的流程
在光學設計之初，要先決定光學系統的大方向，例如光學系統是採用是反射系統？還是折射系統？使用的波段是可見光？還是紅外光？光學系統中將有多少枚光學元件？系統的通光孔徑是多大？光學系統的有效焦距大約是多少毫米？光學系統的總長度是多少毫米？對光學系統設計的工作者而言，開始作光學設計必需先具備有工具，諸如ZEMAXTM、OSLOTM等光學系統設計軟體。這些光學設計軟體都具有圖像的分析工具，來幫助光學設計的設計前置作業。

光學設計的第一個步驟是尋找一個最接近目前設計案規格的前案，它可能來自教科書、可能來自光學設計軟體內建的範例、可能來自各國的專利資料庫書面資料、可能來自專業光學設計專利資料庫公司所整理之電子資料，例如ZbaseTM、LensViewTM。光學設計者好比是個洋裁師傅，依客戶的規格需求量身訂做一套合身的服裝，是必須有些剪裁的樣板，配合客戶的高、矮、胖、瘦修改服裝的紙樣，即可快速、有效率的完成委託案之設計初期階段工作。

光學設計的第二個步驟是將所尋得的光學系統依照光學設計軟體的格式將之鍵入或下載導入，然後即可運用光學設計軟體的分析工具來觀察引用前案與本設計案在規格spec上的差異。像差分析或許不是規格的一部份，但是卻是在設計過程優化時選擇變數很有效的工具。

圖2 光學設計軟體常用的分析工具，左上為光學系統的二維剖面圖，右上為橫向像差的光扇形圖，右下為成像面上的光點陣圖，左下為光學系統在空間頻率域的調制轉換函數圖。
　

光學設計的第三個步驟是將曲面曲率半徑、曲面間間距、透鏡厚度、折射率、Abbe數等光學參數設為優化時可以變動的變數，設定光學元件的限制條件及設定優化函數來組成一組優化時評估優化績效的Error Function或Merit Function，光學設計軟體的計算引擎即會將這些組成多變數的聯立方程式，利用計算機的數值方法最常見的是阻尼的最小方差法尋找此一單值的績效函數的最小值解，光學設計軟體會將此組各曲面曲率半徑、曲面間間距、透鏡厚度、折射率、Abbe數等光學參數解替代原來的光學系統，光學設計者可以快速地觀看光學設計軟體的分析工具所提供的系統光學性能，判斷是否有所改善? 是否貼近設計規格? 若光學性能沒有改善或尚未進入設計規格，則須再調整優化函數，再進行優化步驟。在此時刻，一位光學設計者必須扮演一位類似中醫師的角色。優化函數就是這位中醫師的藥材藥方，哪一種藥方對哪一種症狀有效果? 同時會產生何種副作用? 都必須了然於心，所開出的處方箋才會對病人的病情有所裨益。一位有經驗的光學設計師必須經過嚴格的學院式光學教育，才能對各式各樣的光學系統特徵有所認識與直覺，此外仍需要經過實際的臨床診斷經驗累積，然後再利用諸如ZEMAXTM、OSLOTM等光學系統設計軟體來呈現圖像化的成像品質評估，根據圖像化的像直評估再來改變光學參數的變數或限制、改變優化函數的種類、或改變優化函數的權重來重組績效函數，再來優化光學系統。所以光學設計是件科學性的工作，同時也是件藝術性、技巧性的工作。
　

圖3 光學設計軟體中固持及雜散光的分析的範例。
　
　
光學設計的第四個步驟是考慮已經達到設計規格的設計處方在製造時有誤差產生時，整個光學系統的光學性能會產生何種的衰退? 也就是利用諸如ZEMAXTM、OSLOTM等光學設計軟體先做「公差分析」，公差分析可以使設計者及製造者了解到，哪一個光學參數必須精確的要求精度? 哪一個光學參數則可以寬鬆些? 不必太精確，以便減低製造成本。一個有效率的現代光學設計平台仍須有介面與當今光機軟體相通，能夠將經過優化、符合規格的光學系統，再做「透鏡固持與防炫環處理」，「環境測試模擬」特別是溫度效應，「照明分析」特別是雜散光分析。

結論
光學設計是光電產品開發、製造過程中非常中要的關鍵技術，不論是OEM、ODM或是創新開發，光學設計總是第一個要處理的步驟，然而，光學設計是要靠工具的，「工欲善其事，必先利其器」。ZEMAXTM、OSLOTM、TrceProTM等都是目前國際大廠通用的光學設計軟體，我們的手機取像鏡頭光電產品是要行銷全世界，也必然要與國際大廠有相同的光學設計平台。所以，希望光學軟體模擬的教育培訓工作能在學校開展，也能在光電產業中創造產品，開花結果。

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