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更新日期:108年4月12日

光電工程學研究所光學系統設計團隊創新研發單透鏡成像系統

透鏡成像為人類科技中,至為重要且應用在許多領域。為確保成像品質,光學成像系統透鏡模組於實際製作過程中,必須滿足與標定值相偏差的極限容許量,亦即滿足國際公差規範所制定之設計容忍度。

傳統的成像系統, 例如手機相機, 乃採取疊加多個透鏡來提升攝像品質,然而多透鏡系統之設計方式於實際生產時,必須考量各透鏡彼此間之偏移狀態,以利滿足公差規範。理論上,透鏡數越多成像品質越高,但也意味有著更多的透鏡需滿足公差所訂規之允許變動量。故此,於實際生產過程中,更多的透鏡將造成公差規範更難以滿足,為了精確地擺設透鏡,勢必增加更高的製作成本。

為解決此一棘手的問題,微光學實驗室蘇國棟教授所領導之光學系統設計團隊創新研發單透鏡成像系統。此一成像系統乃是基於人眼以及由生物啟發之多焦距人工複眼原理,所製作出之光學結構。人工複眼乃是類似於昆蟲複眼之曲面六邊形微透鏡陣列,當中的每個人造小眼排列成圓弧形陣列,並以小角度接受正向入射光來調整其焦距,此舉有助於本研究實現具有廣視野且結構緊湊之薄型化相機模組。並因系統中僅存在單一透鏡,故無須考量多透鏡彼此間之偏移情況,而使公差規範更容易滿足,如此得以降低製作成本。

由於半球型透鏡具有廣視角、無慧差等優異特性,故此本研究採用半球型透鏡作為光學系統中仿人眼之主透鏡設計。然而半球型透鏡存在場曲像差,以至於光學系統若僅使用半球型透鏡將無法得到較佳的成像品質。為解決此一難題,研究團隊特別引入微透鏡陣列製程技術,使得半球型透鏡表面得以結合曲面型微透鏡陣列。其中的每顆微透鏡,乃利用噴墨技術滴出溶液至基板後再經翻模而成。各顆微透鏡之曲率半徑可藉由控制溶液滴數來進行調變,因此微透鏡之焦距可藉由調控溶液滴數而獲得改變。不同位置之微透鏡負責調整其存在位置所接收到之入射光場聚焦點,用以校正光學聚焦平面。如此僅需單一透鏡片,即可達成薄型化相機鏡頭。

本研究成果,已發表於高影響指數之光學和光電子學領域SCI期刊Optica。 研究經費感謝臺灣科技部「數位經濟前瞻技術研發與應用專案計畫」的支持。 [W.-L. Liang, J.-G. Pan, and G.-D. J. Su, “One-lens camera using a biologically-based artificial compound eye with multiple focal lengths,” Optica, Volume 6, Issue 3, 326-334 (2019). DOI: 10.1364/OPTICA.6.000326 (https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-6-3-326)]

  • 掃描式電子顯微鏡對剖半後之半球型微透鏡陣列進行觀測

    當鏡片製作完成後,我們使用精密切割機將其由中間準確地裁切為兩半,並利用掃描式電子顯微鏡對剖半後之半球型微透鏡陣列進行觀測,以驗證由本製作技術自製之曲面型微透鏡陣列確實具有半球型透鏡外型。

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