【毕业学位论文】利用微棱镜阵列制作单眼立体摄影镜头之光学系统设计-光电工程

國雲科技大學 光電工程研究所碩士班 碩士文 用微鏡陣製作單眼體攝影鏡頭之光學系統設計 of 究 生：楊婷婷 指導教授：陳建宇 博士 中華民國 97 6 月 1 用微鏡陣製作單眼體攝影鏡頭之光學系統設計 of 究 生： 楊婷婷 導教授： 陳建宇 博士 雲科技大學 光電工程碩士班 碩士文 A of 008 華民國 97 6 月2 用微鏡陣製作單眼體攝影鏡頭之光學系統設計 學生：楊婷婷 同學 指導教授：陳建宇 博士 國雲科技大學光電工程碩士班 摘 要 在本研究中採用單鏡頭的體拍攝手法，用鏡的 分光能，只需使用一個鏡頭，就可以拍攝張左右同角的影像。本研究使用光學模擬軟體 角為 定焦鏡頭，再將此鏡頭置入光學模擬軟體 微鏡陣板作結合，最後用模擬結果分析此系統。我們設定的三段考光源R 、 G、B 波長分別為R= 630G=550B=470替代欲將拍攝的物體。經過模擬後，證實物體經過本系統，在成像面上，水平方向被割為個影像。這個影像是由同方向所拍攝得到的影像。此系統經過幾何計算後，可以依據同的物距，而有同的物寬及物高。對於大型的物體，可將它放置於距鏡頭較遠處，如此一，物體多大，可輕鬆擷取體影像。我們使用光學塑膠材 作微鏡陣板，比起一般玻璃( 如製作的鏡，可以低成本。此外，因為此材有輕、薄的優點，所以使得整體系統的重變輕、長縮短、可以方攜帶，並且可與一般的相機或攝影機作結合。 關鍵字：微鏡，單鏡頭，體影像對，擷取體影像，可視角 i of n a to a of of a to a by of . of to ,G R= 630 G=550 B=470 nm as it be of of on on by as ii by of of in to of or of 謝 學生楊婷婷首先要感謝是我的指導教授陳建宇師以及中央大學孫文信師，在研究所中對學生的付出。研究的途上，總是跌跌撞撞、忐忑安，師總是扮演著嚴師慈父的角色，諄諄教誨著我，引我朝向既定的目標勇往前進，殷期盼有朝一早能夠完成這艱難的任務，在我學習遭遇困頓時，也是師給予我正確的方向，渡過許多的瓶頸。這過程中，也讓我學習到從前未曾經過的事物，從中得到許多體悟進而成長少。還有一位是帶我進光學設計域的師宇仁師，因為他的執著與嚴格，讓我從懂到解；甚至引導做出一組屬於我的光學系統設計。再要感謝的是周學韜師，謝謝您對於我的文提出許多有的解與指教，讓學生能知道本篇文的優缺點進而改進。 我非常感謝我的父母在這之中給予我的幫助以及支持，讓我無後顧之憂，可以全衝。我也很幸運的擁有很好的學長、同學、學弟以及朋友們，是你們一陪著我完這艱苦的，讓我有信心的完成這篇碩士文。 在這的歲月中長長短短，但確能使我蛻變成長，也讓我能取得碩士學位，相信這段過程是我人生中的重要的程碑。 最後謝謝國雲科技大學，提供一個優的學習環境，讓學生能在這個環境中，自由的開創與發揮，且有母校作為後盾下，在未就業過程中祈能有所發展。真的要感謝的人太多太多，謹以此文獻，獻給大家。 中文摘要 緒體影像技術的發展今體影像應用體影像對的拍攝光學的元件機與目的文架構第二章、 體影像成像原眼睛的構造眼的成像經與側膝核眼睛的特性生深感之因素因素因素生深感的形式4v 第三章、 光學設計原鏡原頭初階設計鏡設計之符號定義及原軸近似下的光追跡法透鏡的主點和焦點透鏡組合系統學計算的矩陣方法9第四章、 鏡頭設計頭設計的基本規格34.2 初階設計質分析頭設計最佳化分析1第五章、 模擬架構與方法體鏡頭之初階設計體鏡頭之光學系統設計9第章、 結果與討鏡陣板之結構體影像對之結果與分析限遠處體影像限遠處體影像像之探討拍攝物體的大小與距之關係9 水平視角直視角組對整體系統的影響對色散的影響作上容許範圍4第七章、 結7考文獻9目 表 透鏡的曲與厚示意圖5表 鏡間距與曲8表 研究所使用的感測器之相關4表 學系統規格4表 學透鏡尺寸規範5表 8表 8表 化函2表 化完成後的表面資3表 球面係3表 像解析與視場角之據整6表 組物像距關係6表 種情形下在感測面所測得光線9表 平視角與可拍攝物體的物寬1表 直視角與可拍攝物體的物高2表 用的光學塑膠材4表 許分析表6 目 圖 對相同物體由同方向作拍攝 圖 作出視差體顯示器之原示意圖圖 眼睛的構造0圖 經網結構0圖 眼(R) 與左眼(L) 視場的測範圍2圖 眼視差之體成像3圖 幕上的視差5圖 線入射鏡後之幾何關係圖7圖 線以()1入射鏡之幾何關係圖8圖 學系統的主點與焦點9圖 學系統的節點0圖 鏡成像光圖0圖 一球面折射光1圖 球面間折射光圖2圖 透鏡的有效焦距 後焦距 4圖 平面與物像距之關係圖6圖 分開透鏡所組成系統圖7圖 近軸光學下的球面折射光9圖 學設計程圖2圖 7圖 統初階光圖7圖 化完成後的光追跡圖5 檢驗鏡組圖6圖 統架構圖7圖 線以1入射上鏡陣板之幾何關係圖8圖 線以1入射下鏡陣板之幾何關係圖8圖 鏡陣板之全收光角9圖 鏡陣板與物像平面的幾何關係0圖 限遠處物體經過微鏡陣0圖 組視角圖1圖 鏡陣板之結構2圖 窮遠處的物光入射鏡片時(a)系統光追跡圖 (b) 接收面的成像位置4圖 始圖像( 黑白)5圖 擬所成影像(a)影像僅通過鏡組(b) 影像通過微鏡陣與鏡組- 56圖 始圖像( 彩色)6圖 擬所成影像( 彩色)(a) 影像僅通過鏡組(b) 影像通過微鏡陣與鏡組7圖 平視角關係圖0圖 直視角2圖 鏡的色散4x 第一章 、緒 在我們平常的生活當中，張開眼睛能看到各種同 的景物，椅子、子、樹木、花草等等，還有我們生活周遭所接觸到的，大多是具有體的型態，我們以雙眼能夠看到的體影像是有別於一般顯示螢幕中的影像，雖然在螢幕的畫面中可呈現出人物或景物的移動、旋轉等等同的動態效果，但這些影像所呈現的感覺並非是人眼睛所感覺的真正體效果。只要我們多加注意就會發現，其實每一個物體有它的厚存在感，或者當我們以雙眼觀看真實空間的周遭環境時，可以感覺出同物體之間的相對距，這就是景物的深。 為符合自然視覺的需求，我們試圖要做出一個想 的體顯示系統，從體拍攝到體顯示，之後將體效果呈現給人 。而對於一個想的體顯示器，它的條件必須同時具有眼視差(和移動視差 (的功能 1，最好還可以提供多人同時觀賞。眼視差，是指觀賞者的左眼和右眼，由於觀看角有同，所接收之影像內容亦有些許差的效應。動態視差，則是指當觀賞者眼睛位置移動時，由於觀賞角的變化，眼睛所接收的之影像內容也跟著改變的效應。 體影像技術的發展 人在很久以前就開始思考眼睛形成體感的機制。要瞭解體影像的產生，首先要對深感 (做一個定義。在西元 280 解釋對於同一個物體，眼同時分別看到同的影像，這會造成深感。在現代心學中，上述所做的定義則稱作是雙眼視差 (，它是造成深感的一個重要因素，另外還有光角 (與眼調節 (能，對於產生深感也扮演著重要的角色 2。大約在 1600 1 ，第一個嘗試做出 3D 體影像的是 用繪畫的技術，對於同一個物體，分別從個同的觀看方向，去畫出張清晰的圖形而組合成一體圖，然而他的圖畫現今已存在。之後百多，也有許多人製作出似的體繪圖。直到攝影技術的發明，這種繪圖技術逐漸沒，取而代之的是體鏡與體相機的發展。 在 1838 ，提出體視鏡 (的原，即同一物體從同方向所得到的張影像，用個反射鏡，讓張像分別由雙眼觀看，這種形式的體視鏡，現今稱之為 體鏡 3。之後，在 1849 ，用相同的概，只是將反射鏡以鏡取代，製作出第一個具有實用性的體鏡，而這種形式的體視鏡，現今則稱之為 。而為要同時取得同角的影像，特別 設計的體相機因應而生，藉由光學設計、透鏡組合，能讓張或多張影像同時成像於底片的同位置上，這對於同時獲取同角的影像提供相當大的。而在二十世紀初期，人們開始思考是否可由任意的角看體影像，以增加觀看的自由。 美國的 F. E. 1903 所製作的 ，則是將左右眼的影像以線條相互間隔的方式做融合，並在融合 影像的前面加上一片視差遮障(用遮障線條的遮蔽效果，讓左右眼分別看到融合圖形中的左右影像，以達到體的效果。之後，F. E. 用此原做許多的應用。另外一種方法，則是在 1908 由法國的 提出的 後則將之簡化為複眼透鏡面板 並製作出 3D 體圖6 。它用柱透鏡的光學特性，一樣將左右線條影像融合的圖形，分別讓左右眼看到同的影像，而達到體的效果。這項技術在 1950 和 1960 代，由於塑膠材質的發展和印技術的提升，使得 體影像的技術有快速的發展與應用。 在 1948 ，由 D. 提出的全像術，之後應用於影像技術與資訊處方2 面，有重大的突破，直到 1962 才由美國的 照二光束法設計一套射全像干涉式之 3D 體顯示系統，它用同調性高的光源 ( 通常是射 )，將照射在物體表面的散光源與考光 源所產生的相位差記在全像片上，再用光源照射於全像片，可重建出與原物體相似的體影像7 。 今體影像應用 體影像距今已發展 200 的史，用雙眼像差的原，發展出許多體顯示技術8 ，近一百多出現包括紅眼鏡式(、機械快門眼鏡式 (、液晶快門眼鏡式 (LC 、偏極眼鏡式 (、明差 (眼鏡式、頭盔式( 9，其應用面涵蓋娛、醫學、模擬訓 、科學、遠距操作、電腦繪圖等域。然而，現今大部分的體顯示螢幕，在欣賞體影像的同時還需配戴體眼鏡觀看， 以上所述種方式所呈現的影像皆有同程的體效果。而現今大部分在一般平面螢幕上所呈現出的體影像，在欣賞畫面的同時還需配戴其應對的體眼鏡觀看，因此，這樣的體顯示系統又可稱為 D 雖然顯示的影像也有錯的體效果，然而需配戴眼鏡觀看，則很難讓一般人普遍地接受。除體眼鏡外觀較為特殊外，最主要的原因，在於一般人面對習慣的介面方式，常會導致一些潛在的人因問題。以頭盔式顯示器(，有越越多的研究報告指出，長時間配戴 心等現象，事實上，是戴其他體眼鏡於眼睛上，是生上的額外負擔。因此D 設計，除在設計影像畫面的同時，需設計出配合好的體眼鏡，需要考到人體的配合，以減少其他的後遺症產生。 相對於D 直接以雙眼觀看體影像的顯示系統則稱為3 D 之前所述的左右影像插排融合技術，這種方法常用於一般的體照片，直接以雙眼觀看有體深的效果，但是，由於此種方法在處畫面插排和影像融合時，需有較多的考與限制，因此以往的體顯示螢幕較少以此方式進設計。然而由於現在顯示技術的進步和其免戴鏡、自由觀賞空間的優點，讓我們想將之用於現今普遍的電腦螢幕上，期望在平面螢幕前能顯示出自由觀賞空間的體顯示畫面。 (a)從左邊拍攝的影像 (b)從右邊拍攝的影像 (c)經過插排後的影像 圖 對相同物體由同方向作拍攝 1903 ，美國的 提出視差遮障法 (的原，並製作出視差體圖 (。而視差遮障法主要仍是用雙眼的視差產生體感，其原顯而，如圖 示。首先，將取得的個同角的影4 像，分別做等距的分割成垂直線條，然後用插排 (的方式將左右影像交錯地融合在一起，則融合圖形的偶部分是右影像；奇部分是左影像。然而，要達到體的效果，還需用透光狹縫 (與透光遮障 (垂直相間的光柵條紋，放置於融合圖形之上，而狹縫與遮障的寬，與左右影像割的寬一致，並用遮障的遮蔽作用，限制左右眼分別看到左右影像，使雙眼所看到的影像產生差而有體的感覺。但要注意的是，遮障線條與融合圖形之間要有一定的距，才能讓左右眼分別看到交錯的影像，產生所要的體感。 作出視差體顯示器之原示意圖 體影像的拍攝 目前有分為眼顯示與頭戴式顯示，而管哪種顯示方法，是需要一組體影像對(，才能有體的深感產生，因此拍攝技術也是目前體影像技術中，重要的一環。體影像在拍攝的方式目前有分為一機拍法與機單拍法，一般要拍攝體影像對，是採用一機拍法，或機單拍法10 ，所5 謂的一機拍法就是針對目標物做二次拍攝，次的拍攝是從同方向，假如是攝影機作拍攝的機器，這台攝影機就需移動，在左邊拍完，就要平移到右邊再拍攝，在平移到右邊的過程中，發生誤差的話，這就會使雙影像能合成，或者就算合成也會有體效果。機單拍法就是用台攝影機同時拍攝目標物，此方法也會有台攝影機位置校準的問題，況且同時拍攝就是等於這台攝影機在拍攝時要完全沒時差的同步觸發，這是有技術上的困難。演變至今，已有雙鏡頭拍攝體影像11 和單鏡頭拍攝體影像種方法，而在單鏡頭拍攝上，因使用的元件同，又可分為反射式元件12 ，與折射式元件13,14,15 。者相較，雙鏡頭體拍攝術要求機的必需一致，這個部份是比較難以去控制，再者還必需是在同一時間作觸發的動作，相較於單鏡頭體拍攝術，輕而舉的解決雙鏡頭的難題，再者單鏡頭體拍攝術所需要佔用的空間面積是相對縮減，對於未在發展多視點體顯示時，能發揮其功效。 光學元件 早期光學的發展一直是以幾何光學為基礎，大部份的光學元件使用玻璃材，並且幾乎是以研磨為主要的加工方式，元件表面的主要形可分為球面和非球面。近在微機電元件與系統製作技術的快速發展下，帶動整個高科技產業，同時亦促進相關之消費性電子產品與密光電裝置蓬勃發展，如位影音光碟機、位相機等產品，以及科技商品的多樣化過程中，體積小、功能多、動性佳與價格宜等的訴求已成為各項商品的設計趨勢，此時傳統光學元件已經無滿足這些需求。此外，在光、機、電系統整合的潮中，微小光學系統已佔有舉足輕重的地位，因此研究如何製作微小型、高效、容製作的光學元件已是當今光學界刻容緩的任務。 6 因傳統的玻璃反射元件與折射元件已無法滿足新時代的需求，塑膠微光學元件是近急速發展的域，僅可以實現傳統光學元件所無法實現之特殊功能，而且具有體積小、重輕、於複製、成本低與材選擇性大等優點，並且容與其他光電元件結合成光電、光學系統，使光電產業在輕薄短小潮中，可上一層的發展。 我們針對微鏡陣板的材，特別選擇聚甲基丙烯酸甲酯(亦稱有機玻璃，其具有優越的透光性、質輕與加工等優點，一般 定性也是塑膠光學材中品質最好的，但有缺點在於吸濕性大、表面硬和耐溶劑性差。由於 有尺寸穩定性好、價格宜等優點。微鏡陣板也應用在顯示器面板16 的導光板中，所以製程技術非常成熟，管是用模具而射出17 或熱壓成形18 ，採用微影製程技術，塑膠光學片可進加工，大製造，塑膠光學具有輕薄的特性，進組合之後可使系統達到可攜式之目的。 機與目的 顯示器平面化在 21 世紀已成為一股可抗拒的潮，應用層面涵蓋資訊、通訊、消費性及資訊家電等電子產品，由於目前尚無任何一種顯示器技術可以同時滿足全方位的應用需求，因此平面顯示器儼然進入百家爭鳴的春秋戰國時期；但近隨著位電視的開播及資訊情報社會的，加上網際網及動通訊的發達，顯示器在電子產業的定位也從昔日單純的人機介面功能蛻變為資訊及視訊之窗的角色，對顯示畫質的性性要求也為嚴格。平面顯示器已充分的融入大家的生活中，大家也在追求高的影像享受，如何將影像能夠體顯示化是大家想積極開創。 現今的體平面顯示器，還是需要體影像的輸入，所以本研究才會針對7 體影像之擷取進相關的探討，上一節有提到一般傳統擷取體影像的方式有分為一機拍與機單拍，而一機拍只能拍攝靜態，且在做二次拍攝時，水平位移確也能被確定，產生多一個變，雖然機單拍可以拍攝動態影像，但其達到台機器相同時間點啟動，以及設計一致，這有一定的困難，所以本研究首先提出以微光學元件進多視角影像擷取的單機單拍法。這種單機單拍法通常會藉由折射式光學元件達到其效果，而本研究用一組攝影鏡頭，並在與它相距之一段距再擺放一組微鏡陣板做為雙視角影像擷取元件，即可使 攝出雙視角的影像。這樣的設計構想下，整體系統使用一台攝影機，就能成功拍攝體影像對，同時解決位置校準、同步觸發的問題，且重變輕、可攜性高、實用性強、提升空間用與減少成本的好處。 文架構 文首章介紹體影像整體的發展過程，到近期的相關研究與應用，由於本研究其研究主題是如何擷取體影像，針對體影像之擷取也有其文獻回顧。本研究也將使用微光學元件析微光學元件相較於傳統光學元件的優缺點，最後以動機與目的將本研究的重點點出作為本章結束。第二章主要介紹體影像產生的原，以它作為本文的基礎。第三章是針對本研究所設計的光學系統其及相關原作明。第四章是明本研究所需要使用到定焦鏡頭，並將它設計完成。第五章為本研究的整體的光設計，光學元件之間如何整合完成。第章為本研究其結果與討，將模擬的分析結果呈現，並針對所設計完成的結果進討，進而到整體架構優缺點以及未展望有明。 8 第二章 、體影像成像原 雙眼是造成影像具有深感的重要器官，而根據研究指出位於視經末端的一對組織 側膝核 對於深感的產生扮演著非常重要的角色。因此，我們首先要探討眼睛的基本構造，接下會指出產生深感的三項生因素、七項心因素，以及三種產生深感的形式2 。 眼睛的構造 眼的成像 科學家一致認為，一對眼睛所分別看到的影像是造成 深感的主要源。眼睛球的結構，示，使得單眼視網膜所成的影像只是一個二維影像的資訊，因此，基本上單眼視網膜所收集到的影像是會有深感的，需藉由另一隻眼睛所看到的影像，讓視網膜接收到同的二維影像資訊，透過視經傳輸至大腦，再經過大腦對於張影像的判別，進而對該物體產生遠近距的深感。 經與側膝核 而視經如何將雙眼的二維影像資訊接至大腦，圖 視經網的結構。視經從視網膜要到達大腦的入口有處，在這個入口可找到一對側膝核 (，一個 直徑大約有公分，而厚約有一公分。 9 圖 眼睛的構造19 圖 經網結構20 10 較值得注意的是，雙眼的視經在進入側膝核之前 會先相交一次，藉由這次相交，某部分的視經會將右眼的影像資訊轉換成左眼的資訊；相同地，某些左眼的資訊也會轉換為右眼的資訊，我們稱這些經為相交視經 (經過相交視經的作用，使得影像資訊進入大腦之前，對於影像有前處 (功能，而且在研究報告中已顯示出，每一個含有層，能夠分別對左右眼的資訊做先一步的處。 然而，深感的功能並完全是由 只能是產生深感的一個特殊角色，另外，藉由控制水晶體大小改變焦距 (與雙眼光軸的相對角 (對於深感提供重要的資訊，在 眼睛的特性 人眼睛有幾項重要的與特性，我們將其舉如下21 ： (1)眼的平均距 ( 瞳孔的距) ： 6.5 (2)瞳孔的直徑：2-8 依照而改變) (3)最大的角解析：約為 ( 即 1/120) (4)最大的資訊傳輸：雙眼的傳輸為 06 s，單一經的傳輸為 5 s. (5)視場(：視場可以分成三個主要的部分，如圖 示： 11 圖 眼(R) 與左眼(L) 視場的測範圍 (a)靜止的視場 (：當眼睛往前直看的視場。 (b)固定點 (視場 ：對於一固定點，眼球可移動的範圍。 (c)可動的視場 (：將頭固定住，眼睛所允許移動的範圍。 生深感之因素 三空間的物體，藉由其反射的光線進入到人眼睛 的視網膜表面，能夠知道物體的存在與形。人視網膜的基本機能和照相攝影的原相似，在我們的視網膜上