光学元件加工技术------ 第三章 光学检测仪器
第三章 光学检测仪器
广州斗龙光学科技有限公司(http://www.douloongoptics.com)非球面透镜生产工厂
镜片的制程需要辅以光学检测仪器才能完备，以下就一些光学检测仪器的功能以及检测方式加以说明。
3-1 干涉仪（Interferometer）
干涉仪是用干涉条纹以极精确地测量长度或长度改变之仪器，可用来量测镜片之光圈数、不规则度、曲率半径。
3-1.1 两条光束的干涉
假设有两条光束的电场强度分别定义如下：
此两光束的合成电场强度及其光强度分别为：
图 3-1 干涉仪系统。
3-1.2 干涉仪量测
干涉仪操作流程，如图 3-1，安装参考标准镜头，选择球面镜标准镜头，置于标准镜头夹持具上。系统标准镜头光路调整（alignment） 调整标准镜头之倾斜控制钮，使屏幕上之两个光点重合成一个光点。 其流程步骤分述如下：
- 待测镜片光路调整，寻找待测球面镜之表面顶点反射。
- 将待测球面镜沿着光学尺滑动，使标准镜头之光聚焦点位于待测表面上。
- 调整待测球面镜之上下左右倾斜位置，使标准镜头之光聚焦点约略位于待测表面之中心位置处。观察此待测面之面顶点反射干涉条纹，微调整其上下左右倾斜与前后位置，干涉条纹数目会产生变化。
- 寻找待测面之干涉条纹，将待测球面镜沿着光学尺滑动，直至看见待测球面镜之表面反射干涉条纹。
- 将干涉条纹调至最少, 调整待测球面镜之前后、上下、左右、倾斜位置，使干涉条纹最少。
6. 撷取影像。
- 分析影像，如图 3-2a 不规则度为 1 条，b 不规则度为 0.5 条。
图 3-2 不规则度
3-1.3 曲率半径量测
干涉仪也可以量测球面镜之曲率半径值：
- 调整待测球面镜之表面反射干涉条纹，使干涉条纹最少，并将此时之光学尺位置归零。
- 将待测球面镜沿着光学尺滑动，使标准镜头之光聚焦点位于待测表面上，此时不再调整镜片之上下左右倾斜位置，仅调整待测球面镜沿光学尺方向之移动位置，使干涉条纹最少，并记录此时之光学尺位置，此值即为球面镜之曲率半径值。
3-2 光轴量测仪
由于在定心制程必需控制镜片光轴中心线与机械中心线合而为一，因此光轴量测仪主要功能是量测镜片的光轴，量测方式有反射式与穿透式两种，这里采用的 AZP2 是属于反射式量测。
图 3-3 反射式光轴量测（a）凹透镜（b）凸透镜
图 3-3 是反射式光轴量测的简图，其组成组件说明如下：1.标准镜（Front lens）。2.标准镜的焦距（Focus f of the front lens）。3.量测镜片（Lens under test）。4.镜片承坐 Holder（Supporting ring）。5.待测镜片的曲率半径（Radius of lens under test）。6.马达带动镜片旋转。7.标准镜头移动行程。8.光源、感光 sensor 以及屏幕。
3-3.1 量测方式
- 将欲量测镜片的面朝上,放置在承坐 Holder 上。
- 选用合适的标准镜头。a.凸镜片，例镜片 R 值=7,可选 f＝+30 的镜头, 两者数值愈接近,精度愈高，因为 f 过大，容易找光轴点，但是误差较大。b.凹镜片，可选 R 值较小的镜头，如果是 R 值较大之镜片，可选 R 值为负值的镜头。
- 拿小白纸张,放在镜片中央,调整焦距,让纸张上的十字线清楚。
- 拿开纸张,调整焦距,让屏幕上的十字刻划清楚。
- 焦距高度归零。
- 找出成像位置,调整焦距高度约和镜片 R 值一样,至屏幕上的十字。a.凸镜片,镜头往下，b.凹镜片,镜头往上。
- 让 Motor 带动镜片旋转, 观察 monitor 十字线左右移动的量（格数），并且计算格数。
3-3.2 光轴偏心计算
式中 X 表示表面倾斜角度（分），At表格数，r 表测试镜的曲率半径，f1表标准镜的焦距，f2表准直仪的焦距（for AZP2＝300mm）。 例如量测凸透镜 R=14mm，选用＋30mm 之标准镜，屏幕上旋转格数 2 格，则
3-3 光谱仪
光谱仪的作用是用来量测光学组件之光谱穿透率、光谱反射率的光谱量测仪器。
图 3-4 光谱仪的光路架构
3-3.1 光谱仪基准线量测
所有量测进行前必须先作基准线校正，以确保在未放入任何待测片时，光谱之穿透率为 100%，称为基准线量测，允许误差值为±0.5%以内。
3-3.2 UV-IR filter 检测
UV-IR filter 之功能是在于防止红外光与紫外光进入系统中，让可见光穿透，数字像机光学镜头系统中常在最后加入一片 IR-cufilter，而在液晶投影机投影显示系统之光学引擎中，UV-IR filte之光行进路线为垂直入射，量其 0 度入射之穿透率即可。
3-3.3 镜头检测
量测镜头穿透率时，如图 3-4，入射光源经过分光镜，第一道光束是参考光，第二道光束是量测光，两光束射进积分球，经过运算，得到图 3-5 镜头的穿透率量测分布图表。
图 3-5 镜头穿透率量测，横轴为波长，纵轴为百分比
3-4 焦距仪（OPTICAL BANCH）
用途为量测光学组件焦距的仪器设备。
3-4.1 节点(NODAL POINTS)
一光线以某个θ角入射至系统，若以相同角度从系统射出，入射和出射光线与光轴的交点称之为第一节点 N 和第二节点 N '，不偏折光线节点为一对角放大率为+1 的共轭点。虽然光线不产生偏折但会有相当程度的位移，其效果就如同经过一平行平板玻璃一样，光线轨迹和光轴的焦点称为系统的光学中心，这是一个只与曲率半径及透镜厚度有关的点，也是唯一不会随入射光波波长而改变位置的光点。
3-4.2 应用原理
- 利用节点特性进行量测焦距。
- 远处物点之光线通过节点后出射光方向不变。
- 光通过节点出射角与入射角相同。
- 系统旋转而成像位置不变。
- 对于空气中之系统其节点与主点重合。
3-4.3 焦距仪量测
图 3-6 焦距仪架构
找出节点，以节点为转动轴，转动承载台，找出成像不变位置。 量测焦距。如图 3-6 其组成组件如下：1.焦距仪光源、2.标准靶、3.准直透镜 4.夹持环、5.待测镜头、6.(可旋转式)节点量测工作台、7. 工作台行程、8.显微镜目镜、9.光学尺。
（一）效焦距(EFL)量测：a.先找出待测镜头的焦点，移动＃7 工作台行程，并且观察＃8 显微镜目镜，即可找到焦点。b.再度移动＃7 工作台行程，并且旋转＃6 节点量测工作台，从＃8 显微镜目镜观察成像点，如像点会跟着旋转，重复寻找，直到成像点不会跟着＃6节点量测工作台旋转为止。c.此时找到的成像点即为测试镜头的主光点位置，光学尺上的数值即为 E.F.L。
（二）后焦距(BFL) 量测：a.先找出待测镜头的焦点，移动＃7 工作台行程，并且观察＃8 显微镜目镜，即可找到焦点，此时纪录光学尺上的数值。b.在待测镜头的最后一片镜片作记号，然后再度移动＃7工作台行程，观察＃8 显微镜目镜，直到清晰的看到记号点，再纪录光学尺上的数值。c.将 b 的数值减掉 a 的数值即为待测镜头的 B.F.L。
3-5 投影解像力仪（Resolution Power Test Projector）
用途作为镜头解像力及成像质量检查。 -5.1 成像范围 数字相机镜头测试解像力的成像范围，约为 0.7F~0.8F 之间。像高（IMAGE HIGHT）X0.7F≒采用进位法＝直径ψ（偶数或奇数），hart 检测之外围成像范围。 偶数规格:中心、ψ4、ψ6、ψ8、ψ10…。 奇数规格:中心、ψ3、ψ5、ψ7、ψ9…。
图 3-7 标靶（CHART）
例如数字像机镜头的半像高为 4.255800，量测解像力时外围范围为：4.255800×2×0.7F＝5.95812=ψ6 则投影解像力的范围及规格为中心≧160lp/mm，ψ6≧100lp/mm，见图 3-7，同时 CHART 又分为Sagittal＆Tangential 两个方向，lp/mm 的实际意义如下：
160lp/mm＝320line/mm，0.003125mm/line，每线条的宽度为0.003125mm。
100lp/mm＝200line /mm，0.005mm/line，每线条的宽度为0.005mm。
检验标准为可分辨出 3 条线，投影解像力仪的距离为物像距＞50xE.F.L，例如 E.F.L＝7.509829mm，则 50xE.FL＝75.49145mm，一般建议 600mm~1000mm。
3-5.2 机台架设
场地：暗房（因为光线会干扰解像力的判断）。
设备：1.投影解像力仪如图3-8、
2. 标准镜头、 3.测试标靶、 4.反射镜、 5.卷尺、 6.白纸、 7.投影 holder。
图 3-8 待测镜头使用投影解像力仪测试解像力
量测作业步骤
- 将待测镜头放入投影 holder。
- 旋转焦距调整器，将中心影像调到最清楚。
- 检测中心影像是否符合规格，并检测周围影像是否符合规格。
- 如中心影像无法符合规格，则判定镜头解像不良。
- 如周围影像未符合规格，再次旋转焦距调整器，使影像符合规格，但是中心影像不可因此偏离规格外，用肉眼鉴别屏幕上条纹的清晰程度，由中心往外层看 S＆T 之解像力。
- 如中心与周围影像无法同时符合规格，也判定镜头解像不良。
- 若中心与周围影像同时符合规格，则判定镜头为解像良品。
- 镜头解像若为良品，则需看后焦表移动之距离，一般范围在后焦设计值之±0.2mm，在范围内为良品，否则为后焦不良品。
3-6 MTF 检测机
测试镜头空间频率，由光电转换成 MTF 的测量仪。
3-6.1 光学传递函数(MTF)检测
光学组件与系统在许多领域中被广泛使用，在这些使用光学的系统中，光学成像的好坏对系统整体的质量与可靠性往往造成重大的影响。因此对于所使用的光学系统或次系统，寻求一符合实际测试条件可定量地(quantitatively)评估其性能的方法益形重要。
MTF(Modulation Transfer Function)检测可以提供光学系统整体影像质量或对比度之定量分析，且拜科技进步之赐，近年来已经发展出可靠方便操作的自动化量测仪器，以及量测标准的建立。MTF 检测技术已经成为国际公认评估光学组件质量与光学系统性能的标准。
3-6.2 检测仪器
1 .仪器原理：光学系统的 MTF 为该待测系统线扩散函数的傅利叶转换，因此量测 MTF 直接的方法就是利用 MTF 检测机测量待测系统的线扩散函数，然后计算其傅利叶转换，即可获得 MTF 曲线。 MTF 检测机是由灯管照明的 CHART 光线经过待侧镜头成像，置于焦平面的线性 CCD 则用以量测像的强度分布，亦即线扩散函数。
- MTF 计算：代表线扩散函数的强度分怖讯号由 CCD 以电子方式扫描后，经由模拟/数字讯号转换器输入计算机由软件进一步运算处理。
图 3-9MTF 检测系统
3-6.3 检测实务
LAT 镜头自动检验机(Lens Automatic Tester)也就是 MTF 检测机较为普遍的一种类型，如图 3-9，1.镜头自动检验机用来量测扫描仪镜头的检验仪器。2.量测镜头所需的 data：a. 扫描仪参数如分辨率、扫描物宽。b.物像距（TT）。c.后焦距。d.放大倍率。
应用实例：
光电厂要生产分辨率 600dpi 的扫描仪，适用扫描 A4 文件，线性CCD Pixel size 是 5.25μ，物像距 250mm。
光学厂设计并制造出扫描仪镜头，TT＝250mm，M＝0.123826，F/N=6.5。
检测程序：
1. CHART 的选用 a.量测的频率：物面通常使用半频，600dpi/2＝300dpi， 选用 300dpi 的 CHART ，高频线条 Hi＝0.09mm，低频 Low＝0.36mm，Total＝7.2。b.物宽：A4（297x210mm）文件，选用 doc＝190mm。
2. 架设机台的输入参数：a . standard lp/mm＝1/(Hi*M*2)，1/(0.09*0.123826*2)≒44.87lp/mm。b.物宽＝doc＋Total＝197.2mm。c.像宽＝物宽×放大率＝（doc＋Total）×M＝197.2×0.123826=24.42mm。d.后焦（B.F.L）＝23.69mm。
3. 测试步骤：a.镜头量测 E.F.L，『详见 3-4 焦距仪』。b.放置正确测试标板（CHART）。 c.设定物像距（CCD 至 CHART 距离）。d.放置正确治具及镜组。e.校准镜组。
4. 测试说明：a. 量测的光源:R.G.B or 白光。b. 量测的位置:0(中心),±0.7(field), ±0.9(field)。c.MTF：R.G.B 的 S&T 方向各十点位置。d.M（放大率）值：实测的 CCD Pixel 数 ×4μ/像宽。e.I 值：为目前量测的像宽值与标准的像宽值的比值[I＝（M 量测－M 规格*100﹪）]。
5. 架设时的修正事项：a.TT 方面:若在光学系统中放入折射率 n 为厚度 d 之玻璃，则光程须再增加(n-1)*d/n，在光学 Layout图中，常常有一块 3mm 玻璃板，而玻璃厚度通常只有 1.90mm，故玻璃厚度大约减少 1.10mm，故 TT 减少 1.1/3=0.363mm。b.B.F.L 修正: B.F.L 为最后一片镜片至成像点的距离即最后镜面至 CCD 感应面的距离在相关设定有二：b.1：Adapter to CCD：motor 移动到最顶端后，Adapter 底端 to CCD 感应面的距离，此值随每一台 LAT 机台不同而有不同，在同一机台中无论测试的镜头为何皆相同。b.2：Lens to Adapter：Adapter 底端到最后一片镜面之距离。其值等于镜头最后一 片镜面到 Barrel 底端的距离加上 Holder 的高度。镜头最后一片镜面 到 Barrel 底端的距离可由 Layout 图中算出。测试如图 3-10。
图 3-10MTF 测试
