1、800 万像素手机 镜头的 zemax设计2012.03.13 评论关闭 4,757 views 目录隐藏 1 引言 2 感光器件的 选取 3 设计指标 4 设计思路 4.1 材料选取 4.2 初始结构选 取 4.3 优化过程 5 设计结果 5.1 光学调制传 递函数 5.2 点列图 5.3 场曲和畸变 5.4 色差和球差 5.5 相对照度 6 公差分析 7 结论随着手机市 场对高像素 手机镜头的 需求增大，利用 光学设 计软件设计 一款大相对 孔径 万像素的广 角镜头。该镜头由 片非球面玻 璃镜片，片非球面 塑料镜片，片滤光镜 片和片保 护玻璃构成 。镜头光圈值 为，视场角 为，焦距为，后工
2、作距离 为。采用 公司的 型号 万像素传感 器，最大分辨率 为 ，最小像素为 。设计结果 显 示：各视场的均 方根差（）半径小于 ，在奈奎斯特 频率处大多数 视场的 值均大于 ，畸变小于 ， 畸变小于 。关键词：手机镜头；光学设计；万像 素；引言手机镜头的 研发工作始 于世纪 年代，世界上第一 款照相手机 是由夏普 （现在的日本 沃达丰）在年推出的 手 机，它只搭载了 一个万 像素的 数码相 机镜头。随后各大手 机知名制造 厂商纷纷开 始研发手机 摄像功能。年 月日 夏普制造了 万素 的 ，目前照相手 机的市场占 有率几乎是 ，特别是带有 高像素 、 的镜头就成 为镜头研发 的热点。目前 万像
3、素的手 机市场占有 率还不是太多，但随着人们 对高端手机 的需求量越 来越大，万像 素手机肯定 是主流趋势 。鉴于此，在选用合理 初始结构的 基础上，优化出了一 款万 像素的手机 镜头。 感光器件的 选取感光器件有 （电荷耦合器 件）和 （互补金属氧 化物半导体 ）两种。器 件产生的图 像质量相比 于来 说要低一些 ，到目前为止 ，大多数消费 级别以及高 端数码相机 都使用 作为感光 元件；感 应器则作为 低端产品应 用于一些摄 像镜头上，目前随着 技术 的日益成熟 ，也有一些高 端数码产品 使用 器件。相 对于 有很多优点 ，比如价格低 、集成化程度 高、体积小、质量轻、功耗低、无光晕、高读
4、出速率 等。所以很多手 机生产商都 采用 器件作为 手机镜头的 图像传感器 。目前 芯片的尺 寸越做越小 ，相应的像素 尺寸也越来 越小，分辨率反而 越来越高。现在国际上 生 产厂家主要 有 、 、 、 等，本文采用 公司的 型 号 （ ），该款传感器 采用超低功 耗技术，待机状态消 耗功率小于 ，在最高分辨 率情况下帧 速率为 时消 耗功率为 。 的最高 分辨率为 （犎）（犞），实际像素值 为 ，其最小像素 尺寸为 ，有效感光元件对角线尺 寸为，由此可得半 视场大小为 。为了防止加 工装配时的 误差导致像 面的上下偏 转，本设计取半 视场大小为 。即一个空间 周期至少有 个像素，故此 器件所
5、要 搭配的光学 镜头需要能 解析 （） 的空间频率 设计指标市场上主流 万手 机镜头的视 场角大约为 ，光圈值为 ，镜头总长小 于，高像素手机 由于传感器 件的增大导 致像差矫正 较为困难，往往都是采 用小相对孔 径，这样会导致 成像光照度 不足，成像质量不 理想。本镜头的视 场角达到了，达到了广角 物镜的要求 ，光圈值为 ，具体参数如 表所示 设计思路 材料选取光学塑料是 一种透明的 非晶体有机 高分子聚合 物，它具有透光 性好，质量轻，成本低，加工简单等 优点，但是它也有 很多缺点，比如折射率 可靠性差，膨胀系数大 ，表面硬度低 ，耐热性耐溶 性差。一般手机镜 头为了考虑 成本多数选 用塑
6、料材料 ，本镜头为了 让成像效果 更稳定，耐热性耐溶 性更好，在第一面镜 片上选用 ，其折射率和 阿贝数分别 是和 ，第二、四面镜片选 用聚碳酸酯 （ ），其折射率和 阿贝数分别 是和 ，第三面镜片 选用日本 公司的 材料，其折射率和 阿贝数分别 是、，第五面镜为 的滤光片，滤掉 （ ）的近红外光 ，第六面为 的保护玻 璃，其折射率和 阿贝数分别 是和 。 初始结构选 取一个好的镜 头离不开一 个合适的初 始结构，如果初始结 构选择不当 ，再经验丰富 的设计者也 完成不了设 计任务。初始结构的 选择有好多 种，可以通过设 计者的经验 利用高斯光 学原理创造 一个初始结 构，但这种方法 计算繁琐
7、并 且对设计者 的像差理论 知识和经验 要求较高，除此之外也 可以通过查 阅手册或者 查询相关专 利来获取初 始结构，这种方法比 较简单方便 ，而且能达到 理想的设计 需求。万像 素手机结构 无非是 、 和 ，本镜头采用 的是 “正 负 正 负”结构，初始结构参 考了视场和 光圈与本设 计要求相当 的美国专利，其视场角 为，光圈值为 ，光学结构长 度，结构如图 所示。由片镜片 组成，第一片镜为 玻璃材质，二、三、四片为塑料 材质，第五第六片 为玻璃载薄 片，孔径光栏设 置在第一片 镜前。 优化过程 像差矫正对于照相镜 头，要求有较大 的相对孔径 ，还要有较大 的视场。为了得到大 视场除了消 除
8、位置色差 、球差、彗差外，对像散、场曲、畸变及倍率 色差也必须 特别注意。由于 分辨率的 限制，照相物镜所 成的像无须 象目镜系统 那样，成像接近理 想，往往以像差 在像面上形 成的弥散斑 大小（即能分辨的 线对数）来衡量系统 的成像质量 。手机镜头的 分辨率犖犔 应大于 器件的 分辨率犖犚 ，所以手机物 镜所允许的 弥散斑半径 应为d（）NL （）假设 NLNR ，代入公式（）可得 d ，也就是像面 上弥散斑半 径最大不能 大于。手机 镜头对 于畸变有严格要求，一般控制在 内，倍率色差也 应控制在衍 射极限以内 。把初始数据 输入到 中，发现种像 差都很大，其轴上点视 场弥散斑均 方根（）半
9、径为 ，轴外点有的甚至达到了 ， 远远大于手 机镜头允许 的弥散斑直 径，如图所示 。 优化思路由于采用了 非球面，这样大大增 加了系统的 自由度，理论上可以 优化到无数 阶，但考虑到加 工成本和技 术的限制，第一面镜优化到阶 ，第二、三、四面镜优化 到阶。优化步骤可 分为步：）把所有透镜 的曲率半径 ，厚度，间隔，非球面系数 设置为可变 量，在 中加入焦 距，系统结构长 度限制条件 ，各个初级像 差，主光线出射 角和 默认的 优化函数（评价函数选 择 ）等限制参数 ，进行初步优 化。）通过改变各 个参数的权 重并加入高 级像差参数 可得到更好 的像质，比减少高级 像差，如果高级像 差不能矫正
10、 ，则可以尝试换其他的玻 璃来优化，也可以通过 手动微调来 反复优化，这样有可能 得到更优质 的结构）最后把一些 像差的权重 设置为，最好只加入 结构限制的 参数和默认 的优化函数 进行优化，也可以通过 加入 、 参数等使 （调制传递函 数）进一步提高 ，最终达到各 个像差平衡 。 设计结果优化后镜头 结构如图 所示。光学总长度 为，焦距和后工 作距离分别 为 和，视场为 ，像高 ，略大于 的对角 线，主光 线最大 出射角（）小于，满足 耦合的条 件。 光学调制传 递函数（调制传递函 数）是能全面评 价一个光学 系统的成像 质量，它是在光学 设计完成后 ，不需要进行 试制就能比 较具体了解光学
11、系统的 实际成像能 力。此镜头分辨 率要达到 （奈奎斯特）采样频率，即最大分辨 率为 。对于照相镜 头，视场 以内的区域 是主要成像 区域，对于范围 以外视场像 质允许一定 程度的下降 ，如图所示 。由图可以 看出，在奈奎斯特 采样频率 处，大部分市场 的 值都 大于，在 处全视 场的 值都大于 ，视场 的 值大 于，在 处视场 的值 均大于，满足照相系 统的 阈值。由图可见 ，在 和 处 值分别大 于和。 点列图由图可看 出，所有视场像 面上的弥散 斑基本上都 在衍射极限 之内，并且全视场 （均方根差）都小于，满足弥散斑 半径不大于 的条 件。 场曲和畸变场曲反应像 面的弯曲程 度，对像质有
12、很 大的影响，由图可知 ，场曲矫正在 范 围内，完全满足设 计要求，由图可看 出，畸变矫正在 以内，也符合设计 要求。 色差和球差色差分为轴 向色差和倍 率色差，由图可知 ，轴向色差小 于 ，满足系统设 计要求，垂轴色差最 大为，也符合要求 ，球差在本镜 头中很小，完全符合要 求。 相对照度对于手机照 相光学系统 来说，一般相对照 度越大越好 ，随着视场的 增大，将导致出射 主光线的角 度也越来越 大，这样就会使 相对照度下 降，一般来说，全视场相对 照度大于 即可。在本系统中 ，由于具有大 相对孔径，在全视场相 对空间为 ，虽没有达到 的要求，但也能满足 拍摄需要，如图所示 。 公差分析好的
13、光学系 统不仅要有 良好的像质 和结构指标 ，更要考虑到 现代加工工 艺水平，加工工艺水 平决定了系 统公差的大 小，所以在设计 阶段要充分 考虑到系统 的公差大小 。如果系统容 忍的公差很 小，就有可能就 超过现代加 工工艺，最终导致加 工失败。非球面玻璃 和塑料镜片 可以采用模 压成形技术 ，模压成形技 术的光学元 件直径为 ，直径公差，厚度为，厚度公差为 ，面形精度可 达到。经过对系统 公差进行分 析，确定设计公 差都在加工 工艺能达到 的范围内。 结论通过对镜头 的优化，得到了一款 像质较好的 万像 素的手机镜 头，整体结构紧 凑，透镜厚度均 大于，便于加工铸 造。其焦距为 ，有较大的后 工作距离（），两片载薄片 对镜头起到 一个很好的 保护和滤光 作用，其具有较大 的相对孔径 ，进光量是一 般手机的 倍，这样保证了 在光线不好 情况下手机 的拍摄效果 。其光学总长 为，畸变小于 ，畸变小 于，像面主光线 出射角度小 于，像面能量集中在 范围 内。综合来说，此镜头满足 实际生产要 求。
