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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

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Academic year: 2022

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(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

微小型高倍率變焦鏡頭研製及新型主動式高精度測距模組 自動對焦光機電整合系統研究(第 3 年)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 : 個別型

計 畫 編 號 : NSC 97-2221-E-216-002-MY3

執 行 期 間 : 99 年 08 月 01 日至 100 年 10 月 31 日 執 行 單 位 : 中華大學機械與航太工程研究所

計 畫 主 持 人 : 陳振文

計畫參與人員: 碩士班研究生-兼任助理人員:陳榮釗 碩士班研究生-兼任助理人員:劉金益 碩士班研究生-兼任助理人員:葉家豪 碩士班研究生-兼任助理人員:林書院 碩士班研究生-兼任助理人員:吳仕銳 碩士班研究生-兼任助理人員:陳逸咸

報 告 附 件 : 出席國際會議研究心得報告及發表論文

公 開 資 訊 : 本計畫涉及專利或其他智慧財產權,2 年後可公開查詢

中 華 民 國 101 年 01 月 30 日

(2)

中 文 摘 要 : 本計畫是微小型高倍率變焦鏡頭設計研製、新型主動式高精 度測距法則研究製作,及自動對焦光機電整合系統研究。在 這三年期的賡續計畫中,我們可基礎的、成熟的、且實做 的,完成知識、技術及成品的完整研究發展。我們在計畫 中,對光學研究:著重在高難度的、有迫切需求的變焦鏡頭 設計研究開發,不但要解決高倍率變焦鏡頭設計技術,更要 在微小型、高倍率,可立即使用在我們國人自有品牌產品的 照相手機變焦鏡頭的設計,研製出前瞻性的、成熟可生產的 產品。在雷射、光電、電子技術研究:我們將創新的理論推 導中長距離高精度測距法則,完成高精度雷射測距精度驗 證,並製作全功能的中長距離高精度測距模組。在光機電整 合系統研究:我們要研究完成,微小型、高倍率照相手機變 焦鏡頭驅動控制的最佳選擇及製作,達到尺寸最小、成本最 低、最易於實現的驅動及自動對焦功能,解決產品在微型 化、省電、信賴度及量產上的問題。另外,再將中長距離高 精度測距模組產品的數值,使用主動式量測方式,驅動其他 各型自動對焦系統,在現在最熱門的自動光學檢測領域完成 技術及系統開發。當然,中長距離高精度測距模組產品本身 研製成功,更是目前建築、裝潢、標示、量測應用等,各種 中長距離最高精度測距儀產品系列中,最新、最高的技術產 品。我們已完成所有研究內容詳如報告。

中文關鍵詞: 變焦鏡頭設計、微小型高倍率、高精度測距法則、高精度雷 射測距儀、自動對焦、光機電整合系統。

英 文 摘 要 : This project is the optical electro-mechanic

integration design and manufacturing research of high magnifications miniaturized size zoom lens and novel active high accuracy laser range finder auto-focus system. In this 3 years continuous research, we can fundamentally, maturely and practically complete the researches with algorithms proposal, techniques development to the products manufacturing. This project, in the optics researches: we will

concentrate in high difficulty, practically demanded zoom lens design, not only solve the high

magnification problems, but also deal with the most urgent demands miniature size optical zoom lens

module for the camera phone. In laser, electro-optics and electronics researches: we are proposing a new high frequency phase algorithm that can resolve the ranging accuracy to only 1 mm in compare to the

(3)

traditional ranging accuracy of tens centimeters, we will verify the results and manufactured the complete ranging modular. In optical electro-mechanics system integration researches: we will develop the effective and low cost mechanical driving of our miniature size zoom lens; incorporate the active type high accuracy ranging data to auto focus the zoom systems for

various automatic optical inspection applications.

This project include the integration of optics, electronics and mechanics knowledge and complete the theory analysis, techniques development and the practical manufactures. We have completed all the researches, detail results as specifies in this report.

英文關鍵詞: Zoom lens design, miniature size and high

magnifications, high accuracy ranging algorithms,high accuracy laser range finder, auto-focus, system

integration of optical electro-mechanics.

(4)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ; 成 果 報 告

□期中進度報告

微小型高倍率變焦鏡頭研製及新型主動式高精度測距模組 自動對焦光機電整合系統研究

計畫類別: ; 個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號:NSC 97-2221-E-216-002-MY3 執行期間:97 年 8 月 01 日至 100 年 7 月 31 日 執行機構及系所:中華大學 通訊系

計畫主持人:陳 振 文 共同主持人:

計畫參與人員:陳俊男 曾曜晨 葉家豪 劉金益 吳仕銳 陳逸咸

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交):□精簡報告 ; 完整報告

本計畫除繳交成果報告外,另須繳交以下出國心得報告:

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

; 出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式:除列管計畫及下列情形者外,得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權,□一年 ; 二年後可公開查詢

中 華 民 國 101 年 1 月 15 日

附件一

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中、英文摘要及關鍵詞 (keywords)

中文摘要:

本計畫是微小型高倍率變焦鏡頭設計研製、新型主動式高精度測距法則研究製作,及自動對焦光機電 整合系統研究。在這三年期的賡續計畫中,我們可基礎的、成熟的、且實做的,完成知識、技術及成 品的完整研究發展。我們在計畫中,對光學研究:著重在高難度的、有迫切需求的變焦鏡頭設計研究 開發,不但要解決高倍率變焦鏡頭設計技術,更要在微小型、高倍率,可立即使用在我們國人自有品 牌產品的照相手機變焦鏡頭的設計,研製出前瞻性的、成熟可生產的產品。在雷射、光電、電子技術 研究:我們將創新的理論推導中長距離高精度測距法則,完成高精度雷射測距精度驗證,並製作全功 能的中長距離高精度測距模組。在光機電整合系統研究:我們要研究完成,微小型、高倍率照相手機 變焦鏡頭驅動控制的最佳選擇及製作,達到尺寸最小、成本最低、最易於實現的驅動及自動對焦功能,

解決產品在微型化、省電、信賴度及量產上的問題。另外,再將中長距離高精度測距模組產品的數值,

使用主動式量測方式,驅動其他各型自動對焦系統,在現在最熱門的自動光學檢測領域完成技術及系 統開發。當然,中長距離高精度測距模組產品本身研製成功,更是目前建築、裝潢、標示、量測應用 等,各種中長距離最高精度測距儀產品系列中,最新、最高的技術產品。我們已完成所有研究內容詳 如報告。

關鍵詞:變焦鏡頭設計、微小型高倍率、高精度測距法則、高精度雷射測距儀、

自動對焦、光機電整合系統。

英文摘要:

This project is the optical electro-mechanic integration design and manufacturing research of high magnifications miniaturized size zoom lens and novel active high accuracy laser range finder auto-focus system. In this 3 years continuous research, we can fundamentally, maturely and practically complete the researches with algorithms proposal, techniques development to the products manufacturing. This project, in the optics researches: we will concentrate in high difficulty, practically demanded zoom lens design, not only solve the high magnification problems, but also deal with the most urgent demands miniature size optical zoom lens module for the camera phone. In laser, electro-optics and electronics researches: we are proposing a new high frequency phase algorithm that can resolve the ranging accuracy to only 1 mm in compare to the traditional ranging accuracy of tens centimeters, we will verify the results and manufactured the complete ranging modular. In optical electro-mechanics system integration researches: we will develop the effective and low cost mechanical driving of our miniature size zoom lens; incorporate the active type high accuracy ranging data to auto focus the zoom systems for various automatic optical inspection applications. This project include the integration of optics, electronics and mechanics knowledge and complete the theory analysis, techniques development and the practical manufactures. We have completed all the researches, detail results as specifies in this report.

Key Words: Zoom lens design, miniature size and high magnifications, high accuracy ranging algorithms, high accuracy laser range finder, auto-focus, system integration of optical electro-mechanics.

(6)

報告內容:包括前言、研究目的、文獻探討、研究方法、結果與討論(含結論與 建議)…等。

前言

本計畫是微小型高倍率變焦鏡頭設計研製、新型主動式高精度測距法則研究製作,及自動對焦光 機電整合系統研究。在這三年期的賡續計畫中,我們可基礎的、成熟的、且實做的,完成知識、技術 及成品的完整研究發展。

我們在計畫中,對光學研究:著重在高難度的、有迫切需求的變焦鏡頭設計研究開發,不但要解 決高倍率變焦鏡頭設計技術,更要在微小型、高倍率,可立即使用在我們國人自有品牌產品的照相手 機變焦鏡頭的設計,研製出前瞻性的、成熟可生產的產品。在雷射、光電、電子技術研究:我們將創 新的理論推導中長距離高精度測距法則,完成高精度雷射測距精度驗證,並製作全功能的中長距離高 精度測距模組。在光機電整合系統研究:我們要研究完成,微小型、高倍率照相手機變焦鏡頭驅動控 制的最佳選擇及製作,達到尺寸最小、成本最低、最易於實現的驅動及自動對焦功能,解決產品在微 型化、省電、信賴度及量產上的問題。另外,再將中長距離高精度測距模組產品的數值,使用主動式 量測方式,驅動其他各型自動對焦系統,在現在最熱門的自動光學檢測領域完成技術及系統開發。當 然,中長距離高精度測距模組產品本身研製成功,更是目前建築、裝潢、標示、量測應用等,各種中 長距離最高精度測距儀產品系列中,最新、最高的技術產品。

本計畫是有前瞻性及創新性的三年期賡續專精研究,並且整合本計畫主持人近五年來在高階光學 設計的技術和結果,加上光機和機電的界面技術,整合成現在業界迫切需求的光機電組合系統技術發 展及產品開發應用。

研究目的

本研究計畫的目的是賡續專精雷射技術研究,並拓展雷射技術應用,加上鑽研基礎光學技術及其 應用,發展光機電整合技術及系統開發,完成可主動量測距離及定位,並且可有自動對焦的變焦鏡頭 做影像檢查及判別的檢測及製程自動化技術及設備。確實顯現,尖端基礎研究的實用價值。

(7)

文獻探討

台灣的學界、研究單位及業界,近兩年來成立了自動光學檢測設備聯盟 (Automatic Optical Inspection Equipment Association, AOIEA

http://aoiea.itri.org.tw/default.aspx )。

AOI (Automatic Optical Inspection) 自動光學檢測技術及設備,主要係結合產、官、學、研及使用 者,共同發展國內主流產業-半導體、光電、寬頻通訊、電子製造、生技、微機電 /奈米等產業之製 程檢測設備/系統技術,以加速推動國內自動光學檢測設備產業的發展,同時提升台灣儀器產業整體技 術水準與產值。

近幾年來國內新興高科技產業蓬勃發展,對於精密量測系統的需求急速擴增,其中又以自動光學 檢測(AOI)方式為勢不可擋的技術潮流。AOI 技術領域非常廣 泛,廣義的AOI 設備為結合光學及感測 量測系統、訊號處理系統及分析軟體等。其應用層面大可包括至宇宙探測、衛星遙測、航空等,而在 目前急迫需求高技術及自製設備的台灣尚有競爭力的高科技產業如:半導體產業、光電產業、資訊及 週邊產業、生物醫學產業、及基乎所有工業生產及品質檢測等等。實際的AOI 技術及設備則是目前工 業上急需使用,在IC 及一般電子業、光電產業、機械工具/自動化機械、電機工業、金屬鋼鐵業、食 品加工/包裝業、紡織皮革工業、汽車工業、建築材料、保全/監視系統等,能非接觸性、主動式及被動 式高精度距離量測及精準定位、且能有自動對焦的自動光學檢測技術及設備利用。根據經濟部技術處 ITIS 計畫分析資料顯示,2002 年國內AOI 設備市場56 億台幣,2006 年 將成長至165 億;而根據Frost

& Sullivan 之分析,2002 年全球AOI 設備市場為23 億美元,2006 年預估將達65 億美元。可見台灣 目前能只能使用歐美及日本的製程及設備,幾乎只有5~10%的產業能使用國內自製的設備,也就是說 我們國內產業要提昇自主性、提高產業核心及較高技術利潤的產值,確實要掌握我們自主的技術及設 備。我們國內的光電領域,在政府多年前的高瞻遠囑規劃下,加上本領域資深研究人員的廣擴胸襟、

合作式的領導及推動下,已集合了最多的專業研究人員加入本領域,利用光學、光電、雷射的整合技 術發展尖端高階的基礎技術及實際產業界迫切需求的應用設備產品,應該是最適切的策略,也就是我 們計畫的高價值行性。

所以本研究計畫,賡續專注在最重的雷射技術及應用,如:固態微晶材雷射及其Q 值調制和鎖模 技術和關鍵元件的可實用的開發。並且應用高頻相位調制半導體雷射技術,在我們要開發的微晶材雷 射製造,發展完成中長距離高精度雷射量測及測距儀。加上相關光學技術如雷射及光學設計、製造、

鍍膜、檢測技術並且整合光機、微小型高精度超音波馬達驅動、光機電介面控制完成典型的自動光學 檢測系統(AOI:Automatic Optical Inspection),可主動量測距離及定位,並且可有自動對焦的變焦鏡頭 做影像檢查及判別,是各業界所急需擁有的檢測及製程自動化技術及設備。所以本研究計畫確有執行 的重要性,而且計畫主持人及其實驗室也確實已有良好基礎及成果,有能力完成本研究計畫。

本研究計畫之國內外有關本計畫之研究情況

我們搜尋並研析重要參考文獻,如後列,上百篇國內外包含博碩士論文、網路相關資料、圖 書、專利、技術新聞報導、產品目錄以及個人連絡和研討資料,可簡述如下:

(8)

多有研究成果;原分所汪治平教授更在超短脈衝雷射及高功率雷射系統是頂尖團隊負責人。台大光電 所楊志中所長,不但在雷射技術雷射相關理論以及固態雷射多有研究成果,並且是國際著名SCI 期刊 的編輯更是多個國際重要雷射及光電會議的負責人;林清富教授、孫啟光教授清、黃升龍教授、林恭 如教授更是半導體激發固態雷射及微晶材雷射領域傑出專家。

清大光電所施宙聰教授、洪勝富教授、黃衍介教授、蕭憲彥教授等,都是傑出優秀雷射研究專家。

交大光電所潘犀靈教授在雷射、光電技術及其應用,是最資深傑出,也是多位名師的老師;謝文 峰教授在雷射及非線性光學更是大師;王興中教授在雷射、光電技術及其應用,不但是本領域名師專 家更是國外名校的名師。電子物理所黃凱風教授及陳永富教授、吳光雄教授是半導體雷射及固態雷射 的傑出特優專家。

中央大光電所李正中教授、游漢輝教授等,是雷射薄膜技術,及雷射光折變光學應用大師。中山 大學光電所鄭木海教授及黃升龍教授研究群,是國內固態雷射應用及微晶材雷射,最早也是最有實用 產品的傑出專家。

(9)

研究方法

本計畫採用之研究方法

本計畫之研究項目有下列四大項:鑽研基礎光學工程技術及應用、賡續專精雷射技術研究、拓展雷射 應用、和發展光機電整合系統及技術。這些工作有先後的秩序,但也依人力及資源重疊式的展開,有 效完成研究工作的成果顯現。

我們在第一年的研究項目計有:

微小型高畫素變焦鏡頭設計技術開發研究:

光學技術研究其中包括:雷射光學元件及光學設計、光學製造、光學鍍膜應用、和光學檢測技術。

我們專注在微小型高畫素變焦鏡頭設計技術開發研究。

我們的研究項目有:

(a). 我們2X and 3X 微小型高畫素變焦鏡頭設計技術開發已完成,所以我們對2X and 3X 微小型高畫 素變焦鏡頭,要研究開發製造實做及應用測試。

(b). 當然我們最重要的是仍然要對3X 且高像素、4X、4X 且高像素、旋轉式變焦鏡頭等,各種較高 階微小型高畫素變焦鏡頭設計的技術開發更加努力,才能急起直追,達到前瞻的研究成果。

從已完成的2X and 3X 微小型高畫素變焦鏡頭設計結果,如下表及圖所示。我們在第一年要研究 開發製造實做及應用測試;另外對3X 且高像素、4X、4X 且高像素以及我們新概念的旋轉式變焦鏡頭 等,各種高階、馬上有需求的微小型高畫素變焦鏡頭設計的技術開發是第一年最重研究。

我們從2X and 3X 微小型高畫素變焦鏡頭設的計結果及經驗,應該可完成更高階且立即有可應用 的高倍率、高像素微小型高畫素變焦鏡頭設計研究。在手機有限空間之下,設計手機用光學變焦鏡頭,

光學長(透鏡最前端至成像面)是受限制的,為了符合手機在空間上的需求,我們設計之三倍光學變 焦鏡頭,其光學長制限於14mm 以下,三倍的光學變焦鏡頭是應用ZEONEX E48R 光學塑膠透鏡以三 片三群組成,光學變焦鏡頭是以負、正與正的型式,視場角(field of view, FOV)為66°至36°,搭配1/7 英吋CIF(352 x 288)CMOS 影像感測器,由半視場角(half field of view, hFOV)與影像感測器的成 像高計算出變焦範圍由2mm至6mm,焦數(F/#)於廣角端為2.1 望遠端為4.0,調制傳遞函數(modulation transfer function, MTF)依影像感測器規格設定。

我們所設計的微小型光學變焦鏡頭,經過非球面與繞射面的優化後,其像差與調制傳遞函數,已 達到影像感測器的成像要求,並且在繞射面優化後,微小型光學變焦鏡頭之最大光學長為13.65mm,

亦符合手機在空間上的限制。

我們在第二年的研究項目計有:

微晶材雷射開發及應用研究:其中包括 (a)Passive Q-switch modulators 開發研究,

(10)

(b)Passive mode-locking modulators 開發研究,

(c)Simultaneously Q-switched and mode-locked modulators 開發及應用研究,

(d)Microchip Laser 開發及應用研究

(e)中高功率雷射發射模組件開發及應用研究

創新的高頻相位電子信號量測法則技術研究及中長距離高精度雷射測距精度驗證 我們的研究項目有:

(a) 高頻相位調制二倍頻式、單低頻式、變跳頻式雷射測距量測法則理論技術研究,

(b) 高頻半導體雷射發射技術研究

(c) 高頻相位調制半導體雷射技術研究,

(d) 高速短脈沖半導體雷射接收模組開發 (e) 中高功率雷射發射模組件開發及應用研究 我們的研究方法是:

1. 高頻相位調制雷射測距量測法則理論推導及模擬,

2. 長距離高精度雷射測距量測法則確認 3. 高頻半導體雷射發射電路製作及量測精進 4. 高頻相位調制半導體雷射技術試製

5. 高速短脈沖半導體雷射接收模組開發 6. 中高功率雷射發射模組件開發及應用研究 我們在第三年(99 年度)的研究項目計有:

主動式測距自動對焦光機電整合技術開發研究 我們的研究項目有:

(a). 光機設計,

(b). 微小型高精度超音波馬達驅動技術,

(c). 光機電介面控制技術,

(d). 中長距離高精度雷射測距模組實測數據驗證及數值傳輸設計 (e). 系統光機及電子信號組合調整。

其中重要工作方法就是HA-LRF 中長距離高精度雷射測距數據傳輸及技術研究,DSC-AF modular 數位相機自動對焦光學光機構研究,解析製作。

手機相機模組包含了光學鏡頭鏡片組、光學元件機構與電子電路設計三大部份,光學鏡頭的設計 必需在有限的手機空間中,以最少的透鏡群補償像差提高成像品質。我們在本計畫所設計的鏡頭以非 球面與繞面透鏡設計,有效的利用了空間達成三倍及更高倍率的光學變焦的目的,並且對於像差修正 有相當好的表現。三倍光學變焦是藉由透鏡位置的移動改變焦距使放大率能增加或縮小,要使透鏡精 確移動到準確的位置,有賴於變焦機構的設計,利用齒輪機構、凸輪機構、螺旋機構或連桿機構與驅 動器的配合才能使變焦鏡頭的精準的動作,電子電路設計用於物體距離的量測與影像的接收,做為光 學鏡頭與機構之間的溝通。

(11)

結果與討論(含結論與建議)

我們3X 微小型變焦鏡頭設計技術開發已完成,當然我們最重要的是仍然要對 3X 且高像素、4X、

4X 且高像素、旋轉式變焦鏡頭等,各種較高階微小型高畫素變焦鏡頭設計的技術開發研究。我們從 2X 及 3X 微小型高畫素變焦鏡頭設的計結果及經驗,應該可完成更高階且立即有可應用的高倍率、

高像素微小型高畫素變焦鏡頭設計研究。

下圖是旋轉式變焦鏡頭的示意圖及我們整理的初步研究基礎結果:

Sensor Rotate lens

Wild field Telephoto

Mid field FOV

旋轉式變焦示意圖

廣角視場光斑圖

(12)

中間視場光斑圖

望遠視場光斑圖

(13)

MTF 圖

其中非常重要的,繞射光件設計及 Diamond Turning Machine 塑膠鏡片試製,我們也有實際的基礎。

繞射/折射複合光學元件 DOE 是全像光學元件(Holographic Optical Element,HOE)作成多階相位型式,

因此繞射效率高。1977 年,斯維特(Sweatt)模型將 HOE 視為薄透鏡來進行模擬。棌用此種透鏡模型,

即可利用幾光學的光線追跡方法,對繞射元件做追跡,以求得此元件的光學特性,因此我們可以使用 光學透設計軟(如 Zemax、Code-V、OSLO 等)對包含繞射及折射的元件來進行設計模擬。

在相同入射角入射至元件時,分別以光線追跡及光柵方程式所算出的出射角是相同的,即當一光 線入射在 HOE 或是繞射元件時,可以把元件看成一透鏡,此透鏡滿足n→ ∞及t→0。因此 HOE 和 DOE 等光學元件,均可視為折射率無限大的薄透鏡。對於這樣的等效透鏡,可以用傳統的光學追跡法,

進行設計和優化。當求得最佳化的非球面等效透鏡後,必須將此等效透鏡還原成具有表面浮雕結構的 繞射元件,即所謂波帶結構(kinoform),如下所示:

等效透鏡對應之繞射元件結構

為了進行透鏡厚度的波帶化,必須先求得等效透鏡的相位分佈函數。首先,計算光線在透鏡上任 一點之入射,經透鏡後生的光程差(OPD),以得到光通過透鏡上各點相位的變化。這裡的光程差是指光

(14)

線在一般折射透鏡與等效透鏡光程的差值。對於一軸向對稱的光學系統,其光程可表示成光入射至有 效透鏡高度的函數,這裡高度的指入射點相對於光軸的距離。

一光線從折射率為n 的介質中,以入射角0

θ

0入射至折射率為無窮大的薄透鏡,其折射角

θ

1可由折 射率求得下式:

1sin 1 0sin 0

n

θ

=n

θ

下圖為光線平行入射至繞射等效透鏡的光路圖,當n 趨近於無窮大時,1

θ

1會趨近於0。這代不論

θ

0 為何值,光線在薄透鏡中仍然沿著入射點處面之法線方向傳播。由圖可知入射點 A 的高度為 h,繞射 元件所造成的光程差為

(

nd1

)

AD,假設入射介質為空氣,則n0 = 。等效透鏡折射率1 n1=nd,光程差 為(nd −1)AD。 AD 為 A 點沿法至薄透鏡第二面的長度,如下式所示:

cos 1

ADAB

θ

光線平行入射之等效透鏡光路圖

其中 AB 為高度 h 處等效透鏡的厚度。由於在薄透鏡近似下,A 和 B 點處的法線接近平行,故可

θ θ

1≅ 式。 2

AB 與 B 點法線的夾角

θ

2可由下式求得,

1 2

2

tan dZ h( )

θ

= ⎢⎣ dh ⎥⎦

光程差作為h 的函數可表示為下式:

1 2

2 1

( d 1)[ ( ) ( )]cos tan dZ h( ) OPD n Z h Z h

dh

⎛ ⎞⎤

= − − ⎢⎣ ⎜⎝ ⎟⎠⎥⎦ 相位光程差之間有

2

π

OPD

φ

=

λ

之關係。

用數值方法,相位函數可以用多項式表示為下式:

( )

h A h2 2 A h4 4 A h6 6 A h8 8

φ

= + + + LL

若對波長為λ ,繞級次為 m(不特別指明,一般 m=1)設計繞射元件,其光焦度由繞射級次和上式表

(15)

示的相位函數中的二次項係數A 決定,如下式所示: 2 2 2

K = − mA

繞射面的優化,與非球面優化有所不同,繞射面優化僅針對三片透鏡中,賽德像差值較高的透鏡,

進行修正。以為小型旋轉式變焦鏡頭為例,由表 1、表 2 與表 3 非球面賽德像差值可知,廣角視場以 第二片透鏡像差最大,中間視場以第一片透鏡像最大,望遠視場以第一片透鏡像最大,接下就將這三 片鏡修改為繞射面,進行第三階段優化。優化後各視場非球面與繞射面參數整理於表 4 至表 9 中,各 透鏡曲率與厚度整理於表10、表 12 與表 14,其模擬結如圖 1 至圖 18 所示,加入繞面後之賽德像差值 整理於表11、表 13 與表 15。

表1 EFL=3.5 非球面賽德像差

鏡面 S1 S2 S3 S4 S5 CL CT 1 0.003633 -0.01086 0.036059 0.006095 -0.04834 -0.00025 -0.0018 2 -0.00822 0.013289 -0.02577 -0.02124 0.0357 0.001067 0.000582 3 0.00886 0.002511 -0.00779 -0.01274 0.112913 0.000459 -0.00251 4 -0.00526 -0.03956 -0.01263 0.034454 -0.03737 -0.00197 0.001022 5 0.003014 0.001467 -0.01084 0.021099 0.072382 -0.00031 -0.00285 6 0.00041 -0.00369 0.009325 -0.00754 -0.02089 -0.00039 0.001552

表2 EFL=7 非球面賽德像差

鏡面 S1 S2 S3 S4 S5 CL CT 1 -0.00968 0.016492 -0.02043 0.007873 0.026191 -0.00128 -8.3E-05 2 0.032066 -0.02525 0.018024 -0.00554 -0.04726 0.00031 0.001448 3 -0.04433 0.000533 0.00871 0.01887 0.035753 -0.00152 -0.00191 4 0.021829 0.009801 -0.0046 -0.01698 -0.08712 0.000688 0.002107 5 0.000587 0.001666 0.005373 0.007778 0.126519 -0.00016 -0.00214 6 -0.00045 -0.00335 -0.00604 -0.00468 -0.10772 -0.0001 0.001154

表3 EFL=10.5 非球面賽德像差

鏡面 S1 S2 S3 S4 S5 CL CT 1 -0.00516 0.007729 0.00626 0.007101 0.008922 -0.0026 -0.00171 2 0.021099 0.003879 0.005301 -0.00108 -0.00362 -0.00072 0.001221 3 -0.01278 -0.00818 -0.01167 -0.00049 -0.00622 0.000722 -0.00076 4 -0.00382 -0.00569 -0.00546 -0.00791 -0.03431 0.000303 0.001937 5 0.000187 0.001181 -0.00239 0.00434 0.040102 0.000067 -0.00116 6 0.00046 0.001036 0.0079 -0.00026 0.035162 -0.0002 0.000413

表4 廣角繞射面透鏡非球面係數

鏡面 二階係數 四階係數 六階係數

(16)

1 -0.064255 0.014566 -0.001340 2 -0.019833 0.057075 0.033543 3 0.278408 0.039557 0.000522 4 0.002641 0.039175 0.039880 5 0.083380 -0.065060 -0.017765 6 0.437865 -0.070726 0.007018

表5 廣角繞射面係數

鏡面 二階係數 四階係數 六階係數 八階係數

3 -38.311091 146.46996 -210.341751 66.021224 4 -131.636387 215.224665 -424.264377 243.097944

表6 中間視場繞射面透鏡非球面係數

鏡面 二階係數 四階係數 六階係數

1 -0.008997 -0.007123 -0.001123 2 0.008026 -0.020209 -0.001667 3 0.018326 -0.028791 0.026430 4 -0.030849 -0.005542 0.042331 5 -0.003966 -0.019240 0.002668 6 0.047786 -0.012667 0.000528

表7 中間視場繞射面係數

鏡面 二階係數 四階係數 六階係數 八階係數 1 31.041229 6.446640 -7.338643 1.710165 2 -86.896425 -10.476393 35.894974 -15.062180

表8 望遠繞射面透鏡非球面係數

鏡面 二階係數 四階係數 六階係數

1 -0.002622 0.005153 -0.011536 2 0.006286 -0.004190 -0.012299 3 0.029788 -0.018297 -0.007669 4 -0.085741 0.018935 0.007807 5 -0.038613 0.004792 0.002530 6 0.119772 -0.000695 0.000301

表9 望遠繞射面係數

鏡面 二階係數 四階係數 六階係數 八階係數

1 -89.111464 -43.571120 49.174320 -28.867608 2 69.780966 54.721509 -71.411141 39.860621

(17)

表10 EFL=3.5 繞射面各透鏡曲率與厚度

鏡面 曲率 厚度

1 5.235232 1.511625

2 2.121718 1.511219

STO 0.1

4 -13.235148 1.5

5 -2.161395 0.431079

6 -164.741344 0.532785

7 -3.894017 1.5

8 Infinity 0.4

9 Infinity 1

圖1 EFL=3.5 繞射面透鏡光線追跡圖

圖 2 EFL=3.5 繞射面透鏡光斑圖

(18)

圖 3 EFL=3.5 繞射面透鏡光扇圖

圖 4 EFL=3.5 繞射面透鏡場曲畸變圖

圖 5 EFL=3.5 繞射面透鏡相對照度圖

(19)

圖 6 EFL=3.5 繞射面透鏡 MTF 圖 表 11 EFL=3.5 繞射面賽德像差

鏡面 S1 S2 S3 S4 S5 CL CT 1 0.008422 -0.01882 0.039578 0.011373 -0.0531 -0.00046 -0.00156 2 -0.04764 0.033009 -0.04194 -0.02806 0.044386 0.001948 0.000287 4 0.000503 0.004313 0.037008 -0.0045 0.278968 -0.0003 -0.00258 5 0.061719 -0.01093 0.001934 0.027547 -0.00522 -0.0028 0.000495 6 -0.04472 -0.03776 -0.06372 -0.00036 -0.04659 0.001009 -0.00139 7 0.021862 0.029699 0.049742 0.01529 0.083907 -0.00155 -3.4E-05

表 12 EFL=7.0 繞射面各透鏡曲率與厚度

鏡面 曲率 厚度

1 8.176474 1.5

2 21.549034 0.636004

STO 0.2

4 1.582554 0.771133

5 1.462378 1.500348

6 3.676045 1.501120

7 5.864364 1.491232

8 Infinity 0.4

9 Infinity 1

(20)

圖 7 EFL=7.0 繞射面透鏡光線追跡圖

圖 8 EFL=7.0 繞射面透鏡光斑圖

圖9 EFL=7.0 繞射面透鏡光扇圖

(21)

圖 10 EFL=7.0 繞射面透鏡場曲畸變圖

圖 11 EFL=7.0 繞射面透鏡相對照度圖

圖 12 EFL=7.0 繞射面透鏡 MTF 圖

(22)

表 13 EFL=7.0 繞射面賽德像差

鏡面 S1 S2 S3 S4 S5 CL CT 1 0.000146 0.000377 0.000974 0.003161 0.010696 -0.00051 -0.00133 2 0.000002 0.000041 0.000943 -0.0012 -0.00595 0.000072 0.001669 4 -0.02541 0.009902 0.011813 0.01633 0.025224 -0.00213 -0.00189 5 0.001057 -0.00249 -0.00589 -0.01767 -0.04067 0.001291 0.002193 6 -0.00389 -0.00734 -0.01814 0.00703 0.014167 -0.00009 -0.00185 7 0.000586 0.001082 0.011823 -0.00441 0.018655 -0.00015 0.001121

表 14 EFL=10.5 繞射面各透鏡曲率與厚度

鏡面 曲率 厚度

STO 0.5

1 2.356525 0.888250

2 9.361497 1.500732

4 -6.021714 1.312607

5 3.720228 1.500541

6 -6.629020 0.502934

7 -2.775583 1.400660

8 Infinity 0.4

9 Infinity 1

圖 13 EFL=10.5 繞射面透鏡光線追跡圖

(23)

圖 14 EFL=10.5 繞射面透鏡光斑圖

圖 15 EFL=10.5 繞射面透鏡光扇圖

圖16 EFL=10.5 繞射面透鏡場曲畸變圖

(24)

圖 17 EFL=10.5 繞射面透鏡相對照度圖

圖 18 EFL=10.5 繞射面透鏡 MTF 圖 表 15 EFL=10.5 繞射面賽德像差

鏡面 S1 S2 S3 S4 S5 CL CT 1 0.02234 0.013428 0.008072 0.007923 0.009615 -0.0029 -0.00174 2 0.000724 -0.00162 0.003617 -0.002 -0.00363 -0.00058 0.001293 4 -0.01854 -0.00793 -0.01018 -0.0031 -0.00597 0.00112 -0.00048 5 -0.00514 -0.00679 -0.00267 -0.00502 0.01716 0.000193 0.001722 6 -0.00057 0.00131 0.002639 -0.00282 0.01252 0.000341 -0.00021 7 0.001202 0.00154 0.002203 0.006727 0.012315 -0.00045 -0.00055

非球面鏡片可以降低Distortion、Coma 等的像差,所以不需要利用太多的鏡片對影像進行修正,

因此可以縮短鏡頭的長度。

(25)

在中長距離高精度雷射測距儀研究,雷射測距儀發射接收器內包含雷射二極體(LD)及崩潰光二極 體(APD),雷射光從雷射二極體發射出,到達目標物後反射回來,由崩潰光二極體接收。以波的觀點來 看,此過程必產生相位改變,可表示成,

c f 2d 2 t f

2

π

0 d

π

0

φ

= =

其中f 為調制頻率,0 t 為光行進時間,d 為距離,c 為光速。由上式可知收發器與目標物間距離為: d

π φ

2 2f d c

0

=

因為相位每經過 2π就會重複,由公式可得可靠範圍(non-ambiguity range, NAR):

2f0

NAR = c

對公式微分,可得解析度:

f0

4 c d

π δφ δ

=

下圖是高精度多頻相位式雷射測距儀的研究概念圖:

雷射二極體經f 的頻率調變後,射出的光波與接收的訊號可分別表示成: 0

(26)

[

a cos(2 f t)

]

Sˆ (t)

sE = E + π 0

[

a cos(2 f t )

]

Sˆ (t)

sD = D + π 0de

其中

ψ

d是光行進時產生的相位位移,

φ

e是調制訊號在儀器內產生的相位位移,Sˆ 和E Sˆ 分別為發D 射和接收的光波函數。雷射光訊號輸出沒有負值,因此公式中需加入直流項a。

利用次取樣(under sampling)技術,以f 為取樣頻率,SP nf 為最接近SP f 的頻率(n 為整數),接收的0 訊號經過取樣後可表示成下列公式:

[

a cos(2 f kT )

]

Sˆ [k]

sD = D + π 0 SPde

其中TSP =1/fSP,k 是整數。接著用頻率為fAL =f0-nfSP的同步訊號RI[k]=sin

(

2

π

fALkTSP

)

(

2 fALkTSP

)

cos

RQ[k]=

π

與接收訊號sD[k]相乘,產生新的訊號MI[k] 和 MQ[k] 。若2

π

fALkTSP =k

π

/2,則

1 4n fSP 4f0

= + ,RI[k]=sin(k

π

/2),RQ[k]=cos(k

π

/2)。亦即取樣頻率與調制頻率有上述關係時MI[k] 和 MQ[k] 的計算如下:

( )

[ ]

{ }

( ) ( )

( ) ( )

[ ] [ ( ) ]

{ }

( )

[ ] ( ) [ ( ) ] ( ) ( )

{ }

( )

[ ] ( ) ( )

{ }

⎜ ⎞

× ⎛ + + +

+

=

⎟⎠

⎜ ⎞

× ⎛ + + +

+ +

+ +

=

⎟⎠

⎜ ⎞

× ⎛ + + + +

+ +

=

⎟⎠

⎜ ⎞

× ⎛

⎭+

⎬⎫

⎩⎨

⎧ ⎥⎦

⎢ ⎤

⎡ ⎟+ +

⎜ ⎞

⎥ ⎛

⎢ ⎤

⎡ ⎟+ +

⎜ ⎞

⎛ +

=

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝ + ⎛

+ +

=

×

=

π φ

ψ φ

ψ π

π φ

ψ φ

ψ π φ

ψ π

π φ

ψ π φ

ψ π

π φ

ψ π

φ ψ π

π φ

ψ π

2 sin k a sin

- sin

k 1 2n 2 cos 1

2 sin k a sin

- sin

k 1 2n cos cos

k 1 2n 2 sin 1

2 sin k a 2nk

sin - k

1 2n 2 sin 1

2 sin k 4 a

-k kT f 2 sin 4 -

kT k f 2 2 sin 1

2 sin k kT

f 2 cos a

RI[k]

[k]

s MI[k]

e d e

d

e d e

d e

d

e d e

d

e d SP

0 e

d SP

0

e d SP 0 D

( )

[ ]

{ }

( ) ( )

( ) ( )

[ ] [ ( ) ]

{ }

( )

[ ] ( ) [ ( ) ] ( ) ( )

{ }

( )

[ ] ( ) ( )

{ }

⎜ ⎞

× ⎛ + + +

+ +

=

⎟⎠

⎜ ⎞

× ⎛ + + +

+ +

+ +

=

⎟⎠

⎜ ⎞

× ⎛ + + + +

+ + +

=

⎟⎠

⎜ ⎞

× ⎛

⎭+

⎬⎫

⎩⎨

⎧ ⎥⎦

⎢ ⎤

⎡ ⎟+ +

⎜ ⎞

⎝ + ⎛

⎥⎦

⎢ ⎤

⎡ ⎟+ +

⎜ ⎞

⎛ +

=

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝ + ⎛

+ +

=

×

=

π φ

ψ φ

ψ π

π φ

ψ φ

ψ π φ

ψ π

π φ

ψ π φ

ψ π

π φ

ψ π

φ ψ π

π φ

ψ π

2 cos k a cos

cos k 1 2n 2 cos 1

2 cos k a cos

sin k 1 2n sin - cos

k 1 2n 2 cos 1

2 cos k a 2nk

cos k

1 2n 2 cos 1

2 cos k 4 a

-k kT f 2 4 cos

kT k f 2 2 cos 1

2 cos k kT

f 2 cos a

RQ[k]

[k]

s MQ[k]

e d e

d

e d e

d e

d

e d e

d

e d SP

0 e

d SP

0

e d SP 0 D

再者,考慮中心頻率偏移的情況,假設頻率偏移量為Δ ,可改寫成: f

(27)

( ) ( )

[ ]

{ }

( ) ( )

[ ] [

( )

]

( )

[ ]

⎜ ⎞

× ⎛

⎪⎭+

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

+

=

⎟⎠

⎜ ⎞

× ⎛

⎪⎭+

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

+

⎟⎟+

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

+

=

⎟⎠

⎜ ⎞

× ⎛

⎪⎭+

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

⎥⎥

⎢⎢

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

⎥ +

⎥⎦

⎢⎢

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

+ +

=

⎟⎠

⎜ ⎞

× ⎛

⎪⎭+

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

⎥⎥

⎢⎢

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

⎟+

⎜ ⎞

⎥⎥

⎢⎢

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

⎟+

⎜ ⎞

⎛ +

=

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝ + ⎛ + Δ + +

=

×

=

π φ

ψ π φ

ψ π π

π φ

ψ π φ

ψ π π φ

ψ π π

π φ

ψ π π φ

ψ π π

π φ

ψ π π

φ ψ π π

π φ

ψ π

2 sin k f a

k f 2 sin f -

k f 2 sin k 1 2n 2 cos 1

2 sin k f a

k f 2 sin f -

k f 2 sin k 1 2n f cos

k f 2 cos k 1 2n 2 sin 1

2 sin k f a

k f 2 2nk sin f -

k f 2 k 1 2n 2 sin 1

2 sin k f a

k f 4 2 -k kT f 2 sin f -

k f 4 2 kT k f 2 2 sin 1

2 sin k kT

f f 2 cos a

RI[k]

[k]

s MI[k]

e d SP e

d SP

e d SP e

d SP e

d SP

e d SP e

d SP

e d SP SP

0 e

d SP SP

0

e d SP 0

D

( )

[ ]

{ }

( ) ( )

[ ] [

( )

]

( )

[ ]

⎜ ⎞

× ⎛

⎭⎬

⎩⎨

⎧ ⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

⎟⎟+

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

+

=

⎟⎠

⎜ ⎞

× ⎛

⎭⎬

⎩⎨

⎧ ⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

⎟⎟+

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

⎟⎟ +

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

+

=

⎟⎠

⎜ ⎞

× ⎛

⎪⎭

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

⎧ ⎥

⎢ ⎤

⎡ ⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

+

⎥+

⎢ ⎤

⎡ ⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

+ +

=

⎟⎠

⎜ ⎞

× ⎛

⎪⎭+

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

⎧ ⎥

⎢ ⎤

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

⎟+

⎜ ⎞

⎝ + ⎛

⎥⎦

⎢ ⎤

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ + +

⎟+

⎜ ⎞

⎛ +

=

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝ + ⎛ + Δ + +

=

×

=

π φ

ψ π φ

ψ π π

π φ

ψ π φ

ψ π π φ

ψ π π

π φ

ψ π π φ

ψ π π

π φ

ψ π π

φ ψ π π

π φ

ψ π

2 cos k f a

k f 2 f cos

k f 2 cos k 1 2n 2 cos 1

2 cos k f a

k f 2 f cos

k f 2 sin k 1 2n sin f -

k f 2 cos k 1 2n 2 cos 1

2 cos k f a

k f 2 2nk f cos

k f 2 k 1 2n 2 cos 1

2 cos k f a

k f 4 2 -k kT f 2 f cos

k f 4 2 kT k f 2 2 cos 1

2 cos k kT

f f 2 cos a

RQ[k]

[k]

s MQ[k]

e d SP e

d SP

e d SP e

d SP e

d SP

e d SP e

d SP

e d SP SP

0 e

d SP SP

0

e d SP 0

D

以四個k 值為一組,k 為奇數時, MI[k] 取平均得Ave

(

MI[k]

)

;k 為偶數時, MQ[k] 取平均得

(

MQ[k]

)

Ave 。表1 列出第一組和第二組的 MI[k] 和 MQ[k] 值。

相位可由下式求得,同時直流項a 亦被消除,

(28)

( ) ( )

⎢⎣

= ⎡

+ Ave MQ[k]

MI[k]

Ave tan-1 -

e

d

φ

ψ

若收發器與目標物距離為0,同樣的方法可得到

φ

e,將上式減去

φ

e得到相位位移,再求得距離。

為方便起見,以下均以φ代表相位位移。

對第 i 組而言,

( )

⎟⎟

⎜⎜ ⎞

⎛ Δ

Δ +

= Δ +

=

SP SP

SP f

6 f - f i

8 f f

3 f - 4i

2

π φ π φ π

ϕ

反正切函數的值定義在-π/2 到 π/2 之間,因此所得到的相位不是 0 到 2π。由於反正切函數之分子 分母的正負號分別對應了sinψ 和 cosψ 之正負號,然而正弦、餘弦是以 2π 為週期的連續函數,因此可 藉由反正切函數的分子分母之正負來判別相位中的象限所在。利用表2 的判斷法則可將相位展開至 0 到2π 的範圍,此方法稱為相位展開技術(phase unwrapping)。

ϕ

=Ai+B,A 和 B 皆為常數,φ 為角度,和公式(13)比較,

1440 A f

f = × SP

Δ

因為

1 4n fSP 4f0

= + ,

所以

(

4n 1

)

360 A f

f

0 = +

Δ

由上式可知,取樣頻率f 不變的情況下,改變調制頻率SP f ,且滿足0

1 4n fSP 4f0

= + ,Δ 便可求得,再f 代入公式,將φ 修正為 ψ,由公式得到距離。

(29)

令n=1, -4

0

ff =-10

Δ ,k=1,2,3,…,600,模擬的取樣結果如下圖所示(只取前 200 個取樣值顯示)。

再四個取樣值為一組,以前述相位計算方式所得到的結果。

且由公式,相位誤差

ϕ

-

φ

與 f0

Δf

成正比,下圖為此模擬。

取樣結果

以四個為一組得到相位值

Δf

(

×10-6

)

(30)

相位誤差與 f0

Δf

成正比關係

利用可程式鎖相迴路,可以得到任意的調制頻率,只要選擇適當的低頻石英震盪器作為訊號源,

即可得到一個低頻取樣訊號及許多適當的高頻調制訊號,大大簡化了電路結構,降低成本卻能達到高 可靠範圍及高精度的距離量測。

下表所示,即是整個雷射測距系統可使用的相關頻率,如表所示之 Non-ambiguity Range 及 Resolution,即使使用簡單、便宜又好空控制的 80 MHz,我們確實可以量測到 1.04 mm 的精確度,完 全補足了雷射測距儀的技術缺塊。

以上說明鎖相運算法則,可以如前表所示,由一低頻得到一個可靠範圍(non-ambiguity range, NAR)

之粗尺;再利用更高的對應頻率得到一個量測的鎖定相位範圍而得到一個細尺範圍,也就是真正高精 度的量測了。

我們在雷射測距已有基礎的技術與成果,下面是我們硬體實測的結果和照片:

1. 測試頻率 12.5MHz。

2. 測試不同距離確認誤差值,結果如下:

測試距離 175cm 135cm 115cm 75cm MIN 175.2 134.4 114.1 74.3 MAX 176.4 135.3 115.3 75.4

±誤差 0.60 0.45 0.60 0.55 單位:cm

(31)

測試照片:

實測距離175cm

175cm 距離比較

175cm 全景圖

(32)

實測距離135cm

135cm 距離比較

135cm 全景圖

(33)

實測距離115cm

115cm 距離比較

115cm 全景圖

(34)

實測距離75cm

75cm 距離比較

75cm 全景圖

(35)

各距離波形及雷射光點比較

175cm 接收波形圖 175cm 雷射光點圖

135cm 接收波形圖 135cm 雷射光點圖

115cm 接收波形圖 115cm 雷射光點圖

75cm 接收波形圖 75cm 雷射光點圖

(36)

微小型中短距離高精度雷射測距儀技術微小型及模組化

在微小型中短距離高精度雷射測距儀技術,以及微小型和模組化能力,我們已可達如下列能力成 果:

微小型中短距離高精度雷射測距儀技術成果

功能方塊圖及系統設計圖

(a) (b)

(37)

(c) (d)

模組照片及實測照片

TABLE THE RANGING MEASUREMENTS

NO. Average(rad) Deviation(rad) 2.5M-dis(mm) 80M-dis(mm) 1 293.2962358 0.408593247 68.09887443 2.128089826 2 386.3405096 0.389671553 64.94525878 2.029539337 3 21.45734662 0.428284945 71.38082411 2.230650753 4 293.0607178 0.351978853 58.66314218 1.833223193 5 28.92217299 0.421297535 70.21625592 2.194257997 6 108.4458722 0.332939598 55.48993304 1.734060408 7 23.6198863 0.320904989 53.48416479 1.67138015 8 126.2302818 0.296427705 49.40461743 1.543894295 9 306.080407 0.396868705 66.14478424 2.067024508 10 20.98700178 0.356038324 59.33972059 1.854366268 11 35.80508599 0.435513553 72.58559222 2.268299757 12 38.21549827 0.474207891 79.03464846 2.469832764 13 23.21615749 0.463196582 77.19943041 2.4124822 14 356.5750128 0.37691447 62.8190784 1.9630962 15 265.1753274 0.375288246 62.54804098 1.954626281 16 257.7842259 0.37401684 62.33614007 1.948004377 17 69.26234525 0.337068212 56.17803537 1.755563605 18 336.5115734 0.354550726 59.09178762 1.846618363 19 156.9135241 0.454607432 75.76790529 2.36774704 20 160.2540611 0.274571467 45.76191111 1.430059722

Accuracy (rad) Accuracy (mm)

Min 0.474207891 2.469832764 Max 0.274571467 1.430059722

由上列顯示我們確有微小型中短距離高精度雷射測距儀技術,以及微小型和模組化能力。

(38)

我們將第一、二年高精度測距雷射發射、雷射接收及高頻測距電路模組;還有變焦鏡頭光學鏡片 及光機構模組;加上控制界面;研究開發整合成可做主動式量測自動對焦光學影像檢測系統。

當然,我們的主動式量測自動對焦光機電整合系統,個別模組件,當然也可以單獨分別用在新型 的手機相機模組設計、中長距離高精度雷射測距儀本機等小系統組及自足功能的產品。

手機相機模組包含了光學鏡頭鏡片組、光學元件機構與電子電路設計三大部份,光學鏡頭的設計 必需在有限的手機空間中,以最少的透鏡群補償像差提高成像品質。我們在本計畫所設計的鏡頭以非 球面與繞面透鏡設計,有效的利用了空間達成三倍及更高倍率的光學變焦的目的,並且對於像差修正 有相當好的表現。三倍光學變焦是藉由透鏡位置的移動改變焦距使放大率能增加或縮小,要使透鏡精 確移動到準確的位置,有賴於變焦機構的設計,利用齒輪機構、凸輪機構、螺旋機構或連桿機構與驅 動器的配合才能使變焦鏡頭的精準的動作,電子電路設計用於物體距離的量測與影像的接收,做為光 學鏡頭與機構之間的溝通。

擁有這些重要的技術基礎,我們在下一階段的研究工作,將朝向手機相機輕、薄、短、小的目標 前進,設計具有4 倍、5 倍或更大光學變焦能力之手機相機模組,並以光機模擬軟體 CODE V 或 ASAP 做光學與機構之設計與優化,再加入我們所擁有的高精測距之技術與利用高精度之模造或精密鑽石刻 技術製作微小型透鏡,使用微小型超音波馬達做全自動之精準機構驅動及定位,以達全自動對焦之技 術能量及硬體製作能力。

光、機、電的結合,才能使得手機相機模組達到微小型、高變焦比、高成品質的目的。

我們此基礎研究成果,不但有多篇著名國際期刊及研討會論文發表,更有獲得專利並通過技術審查。

並可立即應用到創新雷射十字線標示測距多功能儀技術開發。

我們是循序由

(1). 精細雷射十字線標示技術研究

(2). 雷射十字標示儀精準光機整合技術開發

(3). 微小型中短距離高精度雷射測距儀技術微小型及模組化 (4). 雷射十字線標示測距多功能儀光機電整合技術開發研究

將上列三種: (1).精細雷射十字線標示技術研究結果; (2).雷射十字標示儀精準光機整合技術開發; (3).微 小型中短距離高精度雷射測距儀技術微小型及模組化; 整合到雷射十字線標示測距多功能儀的光機電 整合技術開發研究。

下圖是雷射十字線標示測距多功能儀的架構圖。

(39)

十字測距儀示意圖及系統描述

(40)

我們的研究方法是先解析研究現有產品的規格及結構,精進研製的結果。達到全綠光、高垂直精度、

在5m 距離的標線直徑可小於等於1.5mm。下圖是我們雷射十字儀機構設計:

上圖為雷射十字儀內部構裝圖,為一紅光一綠光之雷射十字儀。

我們研究步驟詳述如下:

(1). 精細雷射十字線標示技術研究

要得到極小線寬的雷射十字儀雷射十字線,理論上要有理想的雷射光輸出。其參數是極小雷射輸 出光點、Gaussian shaped 對稱均勻雷射輸出光點、極小雷射輸出散射角、人眼安全範圍內最大雷射輸 出功率等等。我們探討研究,選定如果我們改善到Gaussian shaped 對稱均勻的雷射輸出光點以及極小 雷射輸出散射角,將有可能得到極小線寬的雷射十字儀的雷射十字線。而這良好雷射十字儀雷射輸出 參數,是一般廠商的產品較難做到的。因為可能從面知識不瞭解、技術不瞭解或不能做到。

我們原理分析知道要得到極小雷射輸出散射角,可以使用 Beam expender 光束擴大器的理論。擴 大雷射光輸出的光束,可以倍比的增加雷射光輸出光束的平行度,同時也可以得到更小的雷射光輸出 散射角。另外我們原理分析得到要有 Gaussian shaped 對稱均勻的雷射輸出光點,要使用 Spatial filter 空間濾光器的原理方法,消除high transverse modes 高模態雷射光點。而一種 Beam collimator with iris diaphragm 帶有可調小圓孔徑的準直光束擴大器,是最簡單的、最經濟、也是最有效的解決方式。

我們的一種 Beam collimator with iris diaphragm 帶有可調小圓孔徑的準直光束擴大器,設計圖如 下:

(41)

我們架設帶有可調小圓孔徑的準直光束擴大器,詳細步驟如下:

1.先固定雷射光源架座,將光源調整為水平光。

2. 架設調整一焦距為 2.5cm 的第一片準直鏡片 3. 架設調整一焦距為 10cm 的第二片準直鏡片 4. 架設調整 Cylindrical lens,

5. 第一片準直鏡片及第二片準直鏡片焦點架設調整可調小圓孔徑 而下圖,更是5m 遠精細線實距量測驗證的全圖。

5m 遠精細線實距量測驗證架構圖示

(42)

散射角在Collimator 準直鏡組變化計算

(43)

由上計算數值,我們可以看得很清楚,我們使用4倍的準直鏡組,確可使散射角變化成1/4。當然我們 更要實驗來證明。下列照片就是我們使用4倍的準直鏡組的架構照片。我們更將柱狀鏡片裝上,果然得 到在5m距離,精細達1.2mm的雷射標示線,做到目前台灣產品最佳的精度,不但達到美、日1.5mm的 雷射標示線高精細雷射標示線的高規格,更有超越。

(a) (b)

(c)

(44)

(d) (e) 高精細線雷射十字線架設實際量測結果及照片

下數據表顯示,經過帶有可調小圓孔徑的準直光束擴大器,我們使用4倍的準直鏡組,確可使散射 角變化成1/4。且十字線的精細度,在5m距離也只有1.2mm,更優於日本產品的1.5mm。

TABLE

THE BEAM DIVERGENCE MEASUREMENTS Distance FWHM Beam Divergence

(Raw beam)

FWHM Beam Divergence (Collimated beam) 50 cm 0.73 mrad 0.152 mrad 100 cm 0.726 mrad 0.213 mrad 200cm 0.675 mrad 0.155 mrad 300cm 0.86 mrad 0.188 mrad 400 cm 0.744 mrad 0.195 mrad 500 cm 0.655 mrad 0.219 mrad Average 0.731 mrad 0.187 mrad

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Distance(cm)

BD(mrad)

FWHM Beam Divergence (Raw beam)

FWHM Beam Divergence (Collimated beam)

The beam divergence measurements

(45)

而我們加上帶有可調小圓孔徑的準直光束擴大器,在 6.3 公尺的距離遠,雷射十字線線寬,也只 有1.6mm。在標準 5 公尺的距離遠,綠光雷射十字儀雷射十字線線寬,更只有 1.2mm。這結果,不但 比市售所有雷射十字儀產品,雷射十字線線寬實際量測結果更好,也比最佳日本高價位雷射十字儀產 品雷射十字線線寬1.5mm 更佳。而且我們也可以提供國內業者更新、更高明顯度的全綠光雷射十字儀 產品。

但市面上能設計委製採購得到的鏡片最佳規格如下:

1.EFL:10.9mm 2.SD:9.526mm

3.LD wave length:650nm

4.LD to lens distance:9.567mm(optic axis),含 LD to window glass distance 1.04mm 5.Power collect efficiency:46﹪

6.Assembly tolerance for Laser collimator system z Lens tilt:+/-0.1 degree

z Lens decenter:+/-80um

z LD to lens distance:+/-10um(LD 與 lens 間最好有微調裝置)

Table:加入鏡片製作與組裝公差後的 Beam sizes

Propagation distance (mX- Beam size (mm)

Y- Beam size (mm)

0 0.0006249 0.002968

0.17 4.4 3

10 9.6 6

15 11.8 7.6

33 20.8 14.4

打點

(46)

LD Collimator Scale: 4.50 ORA 07-Dec-10 5.56 MM

我們也有新的雷射十字光源鏡片設計能力及結果如下,非常有可能達到目前業者更佳的目標 1.2mm。

我們lens design 的結果:

(47)
(48)

(2). 雷射十字標示儀精準光機整合技術開發

雷射十字標示儀精準光機整合是要研究的技術,下列圖示設計說明是我們具備的雷射十字標示儀精 準光機整合技術。

(49)
(50)

本研究計畫研究成果計有在著名國際期刊已發表刊出四篇研究成果論文,另外兩篇 SCI 著名國際 期刊論文正整理投稿中;參加著名國際研討會已發表刊出五篇研究成果論文;此外我們也已獲得四篇 專利並通過技術審查。詳如下項已有國際期刊論文發表及國際研討會已發表論文列,並詳註明發表刊 物名稱、卷期及出版日期。另有執行本計畫相關之專利、技術報告、或學生畢業論文等表列。當然也 有業界宏惠光電科技股份有限公司及上煇精密儀器有限公司兩家公司前來洽詢開發量產事宜等。

(51)

若該計畫已有論文發表者(須於論文致謝部分註明補助計畫編號),得作為成果報 告內容或附錄,並請註明發表刊物名稱、卷期及出版日期。若有與執行本計畫相 關之著作、專利、技術報告、或學生畢業論文等,請在參考文獻內註明之。

本研究計畫研究成果計有在著名國際期刊論文發表,著名國際研討會研究成果論文發表,及執行 本計畫相關之專利、技術報告、或學生畢業論文等表列。

期刊論文:

1. Junewen Chen, Jing-Bin Duan, Shih-Jui Wu, Yi-Hsien Chen , Li-An Chiu, Chuan-Sheng Hong and Ya-Ping Kuang ,

“Novel medium range cross-lines laser indicator and range finder”

Advanced Materials Research, Vols .403-408(2012), pp 2764-2767, 2012 (EI)

2. Junewen Chen, Jing-Bin Duan, Shih-Jui Wu, Yi-Hsien Chen , Li-An Chiu and Ya-Ping Kuang ,

“Robotic cross-lines laser indicator and range finder”

Advanced Materials Research, Vols .311-313, pp 1594-1598, August, 2011(EI) 3. Junewen Chen, Hao-Sheng Hsieh, Yi-Hsien Chen, Shih-Jui Wu and Li-An Chiu

“A Novel Extremity Balance System-Design and Manufacturing”

Advanced Materials Research, Vols .201-203, pp 895-903, February, 2011(EI)

4. Junewen Chen, Yau-chen Tseng, Kai-Chun Chuang, Jung-Chao Chen and Shu-Yuan Lin,

“Rotating type miniature camera phone multi-focal length optical system”

Optical Review, Vol. 16, N0. 2, pp103-115, April 2009 (SCI)

國際會議論文:

1. Junewen Chen, Jing-Bin Duan, Shih-Jui Wu Yi-Hsien Chen , Li-An Chiu and Ya-Ping Kuang,

“Semiconductor lasers in indication and measurement application”

The Photonics Global Conference 2010. conf10a336, 3-1C-5, pp1-3.(PGC), Singapore from 14 to 16 December, 2010. (EI Conference Journal)

2. Junewen Chen, Jing-Bin Duan, Shih-Jui Wu, Yi-Hsien Chen , Li-An Chiu and Ya-Ping Kuang,

“Electro-Optomechatronics design of a high peak power ultra-short pulse UV laser system”

Taiwan (OPT) 2010, OPT5-P-040, p1-3, Tainan, Taiwan, ROC, Dec. 2010. (EI Conference Journal) 3. Junewen Chen,

“The modeling and characterization of simple semiconductor wafers as passive laser modulators”

SPIE 7354, p73541B, 2009.

Present at European Symposium on Optics and Optoelectronics, 20 April 2009, Prague, Czech Republic.

(EI Conference Journal)

(52)

4. Junewen Chen,

“Optimized single amplified ultra-short laser pulse”

SPIE 6998, p69981D, 2008.

Present at Photonics Europe, 8 April 2008, Strasbourg, France. (EI Conference Journal) 5. Junewen Chen,

“Techniques of single amplified high intensity ultra-short pulse laser system”

SPIE 6874, p6874N, 2008.

Present at Photonics West, 21 January 2008, San Jose California, USA. (EI Conference Journal)

專利成果:

中華大學 通訊系暨電機研究所 陳振文副教授

No

專利名稱 國別 專利號碼 發明人 專利期間 1. 使用空間濾波鏡組改

進雷射十字儀標示線 精細化之裝置

中華民國 新型第 M394471 號

陳振文,段景斌, 邱利安,康雅萍

自2010 年 12 月 11 日至 2020 年 8 月 4 日

2. 使用準直鏡組改進雷 射十字儀標示線精細 化之裝置

中華民國 新型第

M393690號 陳振文,段景斌, 邱利安,康雅萍

自2010 年 12 月 1 日至 2020 年 7 月6 日

3. 可調式多組輸出電源 供應裝置

中華民國 新型第 M372489 號

陳振文, 自2010 年 1 月 11 日至 2019 年 7 月13 日

4. 具有雷射十字標記與 測距功能之裝置

中華民國 新型第M 343789號

陳振文 自2008年11月1日至2018年6月23 日

參考文獻

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