光学镜头基本知识

光學镜头基本知識

第一章光線的傳播

一﹑光在真空中是沿直線傳播的

光在真空中(均勻介質中)是沿直線傳播的﹐但是由於在我們的真實空間中﹐光並不能做到這一點﹐這是因為空氣。在我們的空氣中﹐有存在著各式各樣的雜物﹐粉塵﹐水霧等。由於這些東西的存在﹐光在直線傳播的過程中﹐碰到這些東西﹐就會產生反射﹐折射。而﹐粉塵表面並不光滑﹐光照射到這粉塵面上的時候便會往各個方向反射﹐這邊形成了漫反射。正是由於漫反射的存在﹐這便能使我們能感覺到光﹐能看到東西。

二﹑光的反射﹑透射﹑折射

光在大氣中傳輸總不能按著直線傳輸﹐光在碰到不透光的物質時會發生反射﹐光碰到透光的物質時會發生透射﹐折射。入射光線﹐反射光線﹐折射光線﹐在同一個平面上﹐即三線共面。

2.1 光的反射

光在傳輸過程中是遵守反射定理的。

反射定理﹕

入射角等於反射角。

入射角定義為﹕入射光線和法線組成的夾角

反射角定義為﹕反射光線和法線組成的夾角

法線﹕法線就是垂直於入射面的線。法線是一條虛構的線﹐並不是事實存在的。

2.2 光的透射和折射

有些物質是透光的﹐光可以穿透這些物質﹐這便是光的透射。

每種不同材質的東西都有著不同的透過率﹐光在這些物質中

穿透的時候總會有著能量的損失。入射光線的強度與出射光線的強度的比值為這一材質的透過率。

所謂光線的折射就是指光線在進行傳輸的過程中從一種介質進入另一種介質的時候﹐不會沿直線傳播﹐而是有了一定角度的彎折。這便是光線的折射。

通常在大氣中我們認定其折射率為1。

折射定律被描述為﹕入射角的正弦与折射角的正弦之比為常數﹐它等于折射線所處介質的折射率n`与入射線所處介質的折射率n之比。

通常折射率較大的介質稱為光密介質﹐折射率較小的介質稱為光疏介質。若入射光在光密介質﹐這時折射角總大于入射角﹐折射角隨著入射角增大而增大﹐最大使折射角為90度﹐這時sini`=1﹐若入射角再增大﹐將發生全反射。

自然界有很多全反射現象﹕海市蜃樓﹑沙漠幻影﹑等。

第二章光學鏡頭的種類

目前LAM產線所生產的光學鏡頭主要有以下几類:

1)數碼相機鏡頭

2)傳統相机鏡頭

3)手机鏡頭

4)投影机鏡頭

一﹑數碼相机鏡頭

目前LAM產線所生產的數碼相机鏡頭有包括以下几類:DCJ01﹑DCJ04﹑DCJ05﹑DCJ07﹑DCJ08。另外還

包括目前正處于試線階段的DCJ13&DCJ14.

DCJ04主要包含為四百万﹑五百万﹑六百万象素的CCD。到目前為止﹐DCJ04已經量產了800万顆鏡頭。此中包含有以下机种﹕

投影机鏡頭﹑手机鏡頭以及定焦鏡頭在我們的生產中也占据很大的一部分。

如下圖所示便為此三個机种的實物圖﹕

PROJECTOR LENS

FC LENS

CM 模組

三﹑鏡頭基本結构以及制作過程﹕

以下我們以DCJ08為例子簡單介紹下鏡頭內的結构

DCJ01鏡頭實物圖

鏡頭簡單爆炸圖

如上圖所見﹐鏡頭由以下組成﹕

(1)鏡頭前群﹕前群有前筒和前群鏡片組构成。前群鏡片

有兩片。前群与中群實現了變焦功能。

前群組件

(2)鏡頭中群﹕鏡頭中群由中群鏡片組于中筒組成。其与前群配合實現變焦功能。

中群組件

(3)鏡頭后群﹕如上圖中﹐后群組件有包括以下部分﹕后群鏡片﹐AF馬達﹔后群鏡片通過AF馬達的作動實現調焦。在此間有一塊很重要的部件﹕U型齒。U型齒固定在后群鏡框上﹐通過AF馬達的轉動﹐帶動U型齒及后群的作動。

后群組件

(4)光圈快門﹕如上圖所示中的Shutter Unit(快門組件)﹔

shutter﹕通过磁阀（脉冲式电流驱动）产生磁力驱动叶片闭合动作，完成镜头的曝光作用﹐見下圖示﹕

IRS(光圈)：

a:单片两段式－》通过磁阀（脉冲式电流驱动）产生磁力驱动叶片动作切换大小光圈，从而改变镜头的通光口径。

b:多片式－》通过步进磁阀（交替脉冲式电流驱动）产生磁力驱动叶片动作切换大小光圈，从而改变镜头的通光口径。

請見下圖示﹕

(5)馬達﹕鏡頭內有兩個馬達。包括﹕Zoom馬達以及AF 馬達。Zoom馬達是控制鏡頭的伸縮﹐從而實現變焦功能的(Wide到Tele的轉換)﹔AF馬達為步進馬達﹐由於高速發展的電子技術在照相機中獲得廣泛的應用，使現代照相機實現自動調焦控制。經被攝體反射後由CCD（或相位敏感探測器）接收、檢測和分辨，求出合適的自動調焦量，並給出信號以控制鏡頭正確定位。

DCJ系列镜头的AF是通步进马达带动后群对ZOOM(变焦)后的焦距进行微调，使清晰的焦点在CCD 的感光面上。（但需注意，目前鏡頭照相機中AF系統並不能從無窮遠到最近距離進行連續自動調焦，而只能對某一段距離中幾個分立的點作正確調焦）。

(6)傳感器﹕鏡頭內包括了三個傳感器(AF_PI﹔

Zoom_PI﹔Zoom_PR)。這些傳感器都為光傳感﹐其中兩個PI都是使用了直射型﹐就是說通過遮光齒輪(編碼齒輪)進行遮擋光來讀取光信號。PR使用的為反射型﹐主要是通過反光貼紙的反光來進行信號的讀取。(7)CCD及濾波片﹕CCD做為數碼相机區別与傳統相机的主要特征。CCD(Charge-Coup led Device)电荷耦

合器在一片集成有众多组（可达数百万组）微小的光敏元件、电荷转移电路、电荷信息读取电路的半导体芯片。光敏元件在CCD电荷耦合器表面成矩阵排列，当光线经镜头会聚到CCD上时，每个光敏器件会因感受到光强的不同而感应出不同数量的电荷，这些电荷耦合器在MOS存储器中暂时存储，然后由电荷转移电路、电荷信息读取电路按时钟脉冲顺序扫描读出电荷信息送往此电信号送往A／D转换器转换，经转换形成一个与入射光强度成比例的二进制数，该二进制数即对应一个像素的数据

下圖為CCD的基本原理﹕

CCD基本原理圖

模式﹕很多的雨水(光子)將或多或少的填滿水桶(象素)。此時傳輸帶(CCD轉變寄存器)將傳輸水桶到前端后倒給其他橫排的水桶。在橫排前端水桶的水裝裝在測量器具(敏感電容)里。此种裝在測量器具里的模式表示有多少水被收集在單獨的水桶里。聯系到真正的CCD系統﹐落在CCD 表面的光子表示上述的雨水﹔多象素的CCD排列結构表示上述的水桶﹔轉換寄存器表示上述的傳輸帶。此輸出階段主要是敏感電容器。上述的測試器具(CCD对红外线比较敏感，镜头增加特殊的镀层或外加滤镜也会大大提高成

像质量，如DCJ系列的CCD虑波片)。

鏡頭基本就由以上部分組成﹐以下我們簡單介紹下鏡頭的制作過程。

在我們的生產中﹐我們采取了SELL的作業模式。并將整個生產過程划分為以下几個部分﹕

副線﹔主線﹔快門線。

在副線上﹐進行了鏡片的組裝動作。此線完成組裝后將組裝好的鏡片群組發往主線進行生產。

快門線上進行了快門組件(快門光圈)的組裝﹐以及進行快門功能的檢測。

上圖為快門線上的快門檢測治具。檢測內容為快門關閉時間&光圈精度(曝光量管控)。

主線上﹐為鏡頭的組裝与鏡頭功能的檢測。在鏡頭的組裝過程中﹐有以下几個重點工位(此類工位的作業會直接嚴重影響到鏡頭的質量)﹕首先為各焊接工位。焊接作業的不良會直接導致到鏡頭功能不良﹐引起重大品質。再者為中群彈片組入工位。中群彈片在鏡頭中起著固定中群的作用﹐防止中群脫落。但﹐若我們的作業組裝不到位﹐導致中群彈片脫落﹐會引起鏡頭的卡死等重大品質事故。最后﹐還有一環﹕U型齒組裝工位。U型齒用于帶動后群組件的作

動﹐其組裝不良會導致后群不良﹐引起作動失步﹐對焦模糊。

除了以上工位外﹐其實每一個工位都很重要﹐都不可忽視。

第三章鏡頭的檢測

鏡頭作為相機中的重要組成部分,其功能對相機有著很大的影響.這便要求我們在鏡頭的生產過程中對鏡頭的功能進行檢查.生產中我們主要對鏡頭功能和外觀進行檢測.

鏡頭的功能包括以下方面:

異音&做動;

電氣性能;

對焦;

解析力;

圖象品質;

鏡頭的外觀包括以下方面:

鏡片外觀;

鏡頭外觀.

一﹑鏡頭做動檢查:

異音&做動:異音部分,我們主要是針對鏡頭在伸縮過程中ZOOM馬達以及AF馬達是否存在異常的聲音。鏡頭的做動檢查包括對鏡頭小前蓋,光圈快門,以及鏡頭本身的伸縮做動是否順暢。另外在進行該檢查時還要對小前蓋進行檢查,判斷小前蓋是否有浮起。

二﹑電氣性能:

鏡頭的電氣性能包括了以下方面:zoom馬達,AF達,光圈磁閥,快門磁閥,AF PI,ZOOM_PI,ZOOM_PR;

我們主要是對這些方面進行檢查。生產過程中我們對這方面的檢查主要是使用FZI治具進行檢查。如下圖﹕

應用軟件圖片治具盒圖片

FZI治具具體的檢測項目如下:

1)Focus-PI感應電平﹕

2)Zoom-PI感應電平﹕

3)Zoom-PR感應電平

4)鏡頭伸縮耗電流

5)AF作動耗電流

6)AF伸縮作動失步

7)快門磁閥耗電流

8)光圈磁閥耗電流.

9)ZOOM馬達做動時間

對於此方面的檢查其實很簡單,我們只要把鏡頭正確的接好線,運行軟件,既可在電腦螢幕上面顯示出以上項目是否OK。在觀察電腦顯示OK還是NG的同時,我們還要對鏡頭內的快門﹑光圈的做動進行檢查,並且,還要對鏡頭在伸縮過

程的異音進行檢查。

三﹑對焦檢測:

我們前面有介紹過,鏡頭裏面的鏡片組等效與一塊凸透鏡。目前LAM產線使用的對焦檢測工具主要有兩種:激光自動對焦機與傳統機對焦。

傳統相机對焦自動激光對焦机

激光自動對焦機主要運用在沒安裝CCD組件的半成品鏡頭上面。這種對焦機反映的是鏡片組最直接的光學性能。而且﹐這種對焦機工作時間短﹐一般一個鏡頭的檢測在15秒以內。

傳統機對焦。傳統機對焦主要是模擬成品相機的工作環境進行對焦檢測。其主要是應用在組裝了CCD組件的成品鏡頭上面。這種檢測手法耗時比較對﹐大概為鐳射自動對焦的一倍以上。

四﹑解像力檢測:

鏡頭作為光學相機中的一個重要組成部分﹐其最根本的性能就是其成像能力。我們對其成像能力的評估稱為﹕解像力評估。

解像力評估手法主要有以下幾種﹕

1)實際拍攝(實拍)

實拍站

所謂實拍就是指模擬成品相機的條件﹐進行實際拍攝。實際拍攝有要求以下治具﹕相機實拍治具﹐燈箱﹐實拍圖紙。另外﹐要進行實拍﹐這便要求我們的鏡頭或者相機治具上有組裝了CCD組件。進行實拍中有以下條件要求﹕1.模擬相機治具拍攝LV11.2--11.5照度下Chart 圖。2.鏡頭光軸對准Chart圖中心拍攝圖片使相機LCD滿屏。拍攝時﹐首先要進行WIDE端的拍攝﹐然後再進行TELE端的拍攝。拍攝完成後﹐將保存在存儲卡上面的圖片用PHOTO SHOP軟件打開﹐並在實際圖元下對所拍攝的解析圖象進行判讀。要求在規格以內的圖象其黑白條紋能夠清晰的分辨出來﹐並要求無拖影。

2)逆投解

逆投解机

逆透解這也是鏡頭解相能力的一個判斷手法。所謂逆透解就是為在鏡頭的成像面上裝置一CHART圖﹐然後用投解的辦法將該CHART圖反方向投影出來。這便和原成像光路相反故稱其為逆投解。對逆投解的判斷也和實拍相仿﹐對投解出來的解析圖象進行判讀﹐以能清晰分辨黑白條紋為准。

3)MTF

MTF机台&治具

除了以上兩種解像力判讀手法外﹐目前LAM產線還在使用另外一種更先進的判斷手法﹕MTF。

MTF定義為﹕調制傳遞函數。

MTF主要反映的是圖片的解析度﹐解析度表示能夠分辨圖像中明暗細節的能力。

MTF機主要運用於沒裝配CCD的鏡頭半成品,其能放映出鏡頭在各個拍攝段別的對圖像的解析能力。

五﹑圖象的品質判定

解像能力是鏡頭最基本的性能標准。但是,圖像本身的質量也不能忽視。在我們的對鏡頭的判定過程中,還加入了以下判定內容﹕黑影﹑暗角﹑黑邊﹑圖象偏色。

黑印檢查站

黑影形成主要是由於在鏡頭內存在異物﹕包括鏡頭中的粉塵﹐雜物等等。最容易造成黑影的是後群﹑CCD面或者是濾波片上面的粉塵或者雜物。

造成圖象偏色主要是由於CCD不良造成。

我們進行以上項目的判定時﹐要根據以下條件﹕模擬相機拍照的相機治具﹑EV燈箱﹑PC機以及photoshop軟件。拍攝中調用拍攝程式﹐鏡頭分別對准熒光燈及EV機燈箱時觀察LCD顯示屏有無亮點﹐無圖﹐條紋﹐雜訊﹐偏色﹐黑畫面﹐白畫面等現象﹐在LV14光源tele 段用大光圈拍圖片﹔若拍攝得到圖片有存在黑影﹐則將該圖片於限度樣品進行對比﹐淡於限度樣品則判定OK。

另外﹐對於暗角圖片﹐我們必須強調一點﹐暗角判定必須在實際圖元下面進行。具體辦法如下﹕

(1)設置暗角量測﹕工具欄中設置選用方形線框﹐在菜單下線框樣式中選擇"固定尺寸"﹐填寫大小為"40*40px";

( 2)點選圖片中心區域讀取"直方圖"中"亮度值"﹐將線框移至暗角處讀取"直方圖"中"亮度值"。

(3)若暗角亮度值大於中心亮度值的一半為OK.

除了以上功能部分的檢測外﹐我們還必須對鏡頭的外觀進行監控檢查。

六﹑鏡頭外觀檢查﹕

我們之前有提到﹐鏡頭的外觀有包括兩方面﹕一是鏡片的外觀﹐另一方面為鏡頭的外觀。

一﹑鏡片外觀檢查﹕

我們進行鏡片外觀檢查主要是針對以下項目﹕鏡片是否存在刮傷﹐點傷﹐膜不﹐膜欠﹐崩邊﹐亮點﹐油污臟物﹐破裂。

對於鏡片的刮傷﹐點傷這類外觀缺損﹐我們都有一個通用的標准﹕面積不可超過0.1mm。

而像油污臟物﹐破裂等外觀缺損﹐不可存在。

二﹑鏡頭外觀檢查﹕

除了對以上鏡片進行外觀檢查外﹐我們還要對鏡頭的外觀進行檢查。具體項目如下﹕色差﹐欠品﹐配合﹐標識﹐傷痕﹐焊接﹐異物等等。

所謂色差就是指外觀部品的色澤上是否正常﹐部品與部品間的色澤是否有差異。主要是針對小前蓋葉片﹐化妝環﹐前中筒進行該項目的檢查。除此﹐還要對鏡頭進行檢查看是否缺少了部品。檢查部品有無松動﹐變形﹐配合不准﹐不到位﹔觀察小前蓋葉片﹐馬達齒輪箱﹐化妝環與鏡筒配合間隙是否過大, 光圈葉片﹐快門葉片有無殘餘打開或關閉狀態。除了以上﹐還要對鏡頭的焊接點進行檢查﹐看焊接電路是否存在焊接不良。

另外在進行以上項目的檢查的同時﹐還要對鏡頭筒的異物﹑傷痕進行檢查。外觀筒傷痕要遵守以下原則﹕不可見底色﹐而且﹐面積不可超過0.1MM平方。