扫描器光学系统

掃描器光學系統

講師：張榮喬、周明德

1. 掃描器光學系統簡介

(a) 透鏡

光學成像之用

(b) 反射鏡

正面鏡

(c) 光源

冷陰極管(CCFL)

(d) 光感測器

CCD(Charge couple device), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) , CIS(Contact Image Sensor)

掃描器光學結構

以Carriage來組合所有光學元件

2. 元件特性

(a) Lens(透鏡)

何謂透鏡﹖簡單來說，就是一個使得光線可以改變其前進方向的成像系統，而當我們使用一個透鏡元件時，有一些特性是我們應該去注意了解的：

a. 光程總長(Total Track)

T.T.在設計光路時是一個相當重要的參數，它可以讓決定整個光路系統的大致上的大小，並且可以決定整個光路系統中他的光程應該設計為多少時，可以得到最佳結果。

b. 有效焦距長(Effect Focal Length)

EFL為一個透鏡元件之有效焦距長，其定義為從透鏡的主點面至焦點之長。此為透鏡元件之重要參數。

c. FNO (F-Number)

FNO 為一個透鏡元件之重要參數之一，此參數的定義為EFL/孔徑直徑，此參數在光路設計中扮演一個重要角色，就是它可以決定此光路系統之進入光量大小，FNO愈大，就代表可以進入的光量愈少，而得到的影像會較暗。而FNO也分為兩種，分別為Infinite和Working Distance，這兩個的不同處在於Infinite FNO 為平行光系統使用的FNO，而Working Distance FNO為當T.T.距離系統時使用的FNO。

d. 物件大小(Object Size)

此為一個光路系統中，當符合T.T.時，可以放的物件大小。

e. 放大/縮小率(Magnification/Reduction)

放大縮小率為當物件的光經過一個透鏡元件時，最後到成像面(Image)時的大小比率，其公式為Image size/Object size，但是另外有個方法可以較輕易計算出大約的放大/縮小率，其公式為像距/物距。

f. 光源(Light Source)

光源為一透鏡元件適用之範圍，而不同的光源範圍就需要使用不同的透鏡元件材料。

g. Spot Size

Lens聚光時的像點大小，為配合CCD的pixel size，其影像面上的spot size 必須小於pixel size。

h. 主面位置(Position of Principle Plane)

一個透鏡元件均會有兩個主面，分為首主面和次主面，而主面便是由各個主點連接起來的面，而主點便是當一個透鏡系統不管內部如何折射，而將平行入射光線及往焦點方向的光面作延長線，此兩條延長線相交之處變是其主點，而將每條光線均利用此方法找出其主點，而將這些主點連接起來，就成為主面。

i. 入射光瞳及出射光瞳(Entrance and Exit Pupil)

在透鏡系統中，都會有所謂的孔徑或是光闌(Aperture Stop)，而這些會將光線阻擋的結構，在透鏡中扮演相當重要的角色，因為它可以阻擋所謂雜散光的進入，而所謂入射光瞳和出射光瞳，分別是指當我從物件面和成像面去看光闌時其呈現出來的光闌孔徑大小。另外主光線(Chief Ray) 決定入射光瞳與出射光瞳的位置，而主光線通常為物件的光線會通過光閘中心點的那條光線，而入射光瞳及出射光瞳位置分別為此線之延長線與光軸相交之位置。

j. 相對亮度(Relative Illuminance)

相對亮度主要是指中心與邊緣的相對亮度而言，在一個成像系統裡，中心的

cos比例的衰減，所以相對亮度直就是要提醒我們中心亮度與兩旁的亮度會有 4

及兩旁的亮度值不同，若要成像面整體亮度均勻，就需要將物件面上作補光或削光的動作。

k. 變形(Distortion)

變形在透鏡成像系統中是屬於像差的一種，而此種像差會造成在成像面上使

得影像扭曲變形，最主要是因為當斜向入射時，其波為斜向前進，而產生傾斜波面，而造成成像面上的像有所扭曲，而這種情況，若進入至透鏡的光線的角度愈大，其扭曲率愈高。

l. 半場角(Half-Field Angle)

此為一個透鏡系統中之收斂角度，也就是說，一個透鏡系統的光瞳所能夠接受的最大角度入射光，因為通常一個透鏡系統習慣是一個對稱系統，所以通常都只取一半做為定義，所以在此所謂半場角便是光瞳可容許之最大角度的一半。 m. 鍍膜(Coating)

在光學系統中，可以根據不同的需求，而鍍上不同類型的模層。 n. MTF(Modulation Transfer Function)

MTF 在評估一個透鏡系統時是一個相當重要的參數，而透鏡系統的MTF 值，主要受到下面幾個因素影響：

(1)、孔徑大小

(2)、像差

(3)、光源波長

(4)、入射角度

所謂MTF ，其實就是透鏡的轉換函數，最簡單的MTF 的表示方式為：

m i n

m a x m i n m a x )(I I I I v M T F +-= 其中I max 和I min 分別為影像強度的極大值與極小值。

而MTF 都會有一個截止頻率，如果在理想情況時，MTF 的截止頻率為：

)

(10FNO f λ= 就MTF 而言，當空間頻率為零時，其MTF 值為最大，其值為1，而之後隨著頻率增加而下降，當降至截止頻率時，其MTF 值正好為零。而此條曲線在理想狀況時會呈現一條近似直線的曲線下降，但是當有像差時，MTF 值受到像差這項的影響相當大，其MTF 的曲線將會下降的相當快速，很有可能還未到截止頻率時就下降為零。

在透鏡系統中，當遇到斜向入射時，通常都會根據斜向角度的軸分為逕向(Saggital)和切向(Tangental)，通常簡寫為S 和T 方向，而這兩個方向的MTF 值會不同，就一般而言，S 的MTF 值會優於T 的MTF 值。

(b) Mirror(反射鏡)

反射鏡一般分成正面鏡和反面鏡，依據不同的反射材質可用來反射不同波長的光線。選擇反射鏡的性質如下：

a. 正面鏡

使用鍍膜層的正面，必須對反射膜外層加上一層保護膜，一般正面鏡的鍍膜需用到5～6層，成本較高，用於光學系統。