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,ω为,,?，焦距为,(,,,,，后工作距离为,(,,,。

采用,,,，,, 公司的,,,,,,,型号,,,万像素传感器，最大分辨率为,,,,×,,,,，最小像素为,(,μ,。

设计结果显示:各视场的均方根差(,,,)半径小于,(,μ,，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,,μ,，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,(,μ,×,(,μ,，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,ω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Δd,(,(,,,(,),NL (,)假设NL,NR,,,,,,,,,，代入公式(,)可得Δd,,(,μ,,,(,μ,，也就是像面上弥散斑半径最大不能大于,(,μ,。

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(,,,)半径为,,μ,，轴外点有的甚至达到了,,μ,，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，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,(,μ,，满足弥散斑半径不大于,(,μ,的条件。

,(, 场曲和畸变场曲反应像面的弯曲程度，对像质有很大的影响，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,,μ,，满足系统设计要求，垂轴色差最大为,(,μ,，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,(,λ。

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。