掃描器光學系統 1. 掃描器光學系統簡介
2. 元件特性
3. 元件選取與系統效能計算
4. 影像品質與光路設計
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), CMOSCompleme ntaryMetal Oxide Semico nductor)
,CIS(Co ntact Image Se nsor)
掃描器光學結構 以Carriage來組合所有光學元件
2. 元件特性
(a) Len s(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 Distanee這兩個的不同處在於Infinite FNO 為平行光系統使用的FNO,而Working Distanee 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 亮度與兩旁的亮度會有cosj比例的衰減，所以相對亮度直就是要提醒我們中心 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(Distortio n) 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(Coati ng)
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 Tran sfer Fun ctio n) 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： ⑴、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：
其中Imax和Imin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:
f -- 0 ■(FNO)
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(Tangentai),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
M TFv) I m a x
I
min
I m a
I
min 〜6層，成本較高，用於光學系統。 b. 反面鏡 使用鍍膜層的反面，因此不須對反射膜外層加上保護膜，成本較低，用於一 般
日常生活的反射成像，由於會經過一個玻璃介質，因此在傾斜角度時會有鬼影 (多重影像 )，反射次數越多則鬼影越多，故不使用於光學系統。 c. 入射角
由於鍍膜一般對於不同的入射角其反射率並不同 ，因此對於在光學系統中盡 量不操作於入射角大於 45 度。 d. 鍍膜材質 反射面都使用金屬膜，當我們使用不同材質的金屬膜時，其反射率隨著不同
的波長而改變。在可見光範圍中大多使用較便宜的鋁材質，它的反射率在可見光 波長範圍大約為 90%以上。 e. 表面粗糙度
雖然鋁鍍膜於可見光的反射率為 90%，但若反射的表面不平坦就會造成反射 率下降，因此我們使用表面較容易製成平坦的玻璃材質作為鍍膜的基板。
(c) Lamp(燈管) 在光學系統中，光源是相當重要的主體，一個光學系統若是沒有光源就無
法 作用了，而在Scanner的光學系統裡，主要的光源來源為冷陰極管(CCFL)，下面 就是冷陰極管的特性及發光原理。 CCFL 為低壓水銀放電燈，在螢光燈中封入少量水銀蒸氣，當電壓加大時， 水銀蒸
氣會被電子衝擊而產生253.7nm的紫外線，而經過螢光體後可轉換成可見 光，而不同氣體與不同的螢光體組合便可改變其發光顏色，而 CCFL 的亮度對於 周圍環境溫度也有相關特性，當周圍溫度低時，因為燈管內水銀蒸氣壓力也降 低，所以減少與封入惰性氣體的效果及紫外線輸出，使得啟動電壓上升及降低可 見光輸出，而當溫度過高時，因為內部水銀蒸氣壓力過高，而使得光輸出減少， 另外， CCFL 的點燈的穩定時間為 3-5分鐘，點燈時的瞬間光輸出為穩定時的 70%， 30 秒後達到 90%。而 CCFL 的特點如下： (1) 、電器及光學特性安定
(2) 、壽命長 (約 15000Hr) (3) 、耐點滅特性 (10 萬次以上 ) (4) 、小型量輕
(5) 、低發熱量
(6) 、低消耗電力
在照明學上，有一些術語是光學系統中常用的，現在就如下面敘述： a. 光通量(Luminous flux,①) 單位：流明 (lumen, Lm) 簡述：由一光源所發射並被感知之所有輻射能稱之為光通量。
b. 光強度(Luminous Intensity, I) 單位：坎德拉或燭光(candela, Cd)