1、 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ o 800 萬像素手機鏡頭的zemax設計 800 萬像素手機鏡頭的zemax設計2012.03.13評論關閉4,757 views目錄 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/javascript:content_index_toggleToc() 隱藏 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-d

2、esign-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 引言 o 引言 1引言 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 感光器件的選取 o 感光器件的選取 2感光器件的選取 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 設計指標 o 設計指標 3設計指標 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-desi

3、gn-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 設計思路 o 設計思路 4設計思路 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 材料選取 o 材料選取 4.1材料選取 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 初始結構選取 o 初始結構選取 4.2初始結構選取 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-

4、design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 優化過程 o 優化過程 4.3優化過程 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 設計結果 o 設計結果 5設計結果 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 光學調制傳遞函數 o 光學調制傳遞函數 5.1光學調制傳遞函數 HYPERLINK http:/www.ylsn

5、u/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 點列圖 o 點列圖 5.2點列圖 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 場曲和畸變 o 場曲和畸變 5.3場曲和畸變 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 色差和球差 o 色差和球差 5.4色差和球差 HYPERLINK http:/www.y

6、lsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 相對照度 o 相對照度 5.5相對照度 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 公差分析 o 公差分析 6公差分析 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ l 結論 o 結論 7結論隨著手機市場對高像素手機鏡頭的需求增大，利用光學設計軟件設計一款

7、大相對孔徑萬像素的廣角鏡頭。該鏡頭由片非球面玻璃鏡片，片非球面塑料鏡片，片濾光鏡片和片保護玻璃構成。鏡頭光圈值為，視場角為，焦距為，后工作距離為。采用 公司的型號萬像素傳感器，最大分辨率為，最小像素為。設計結果顯示：各視場的均方根差（）半徑小于，在奈奎斯特頻率處大多數視場的值均大于，畸變小于 ， 畸變小于 。關鍵詞：手機鏡頭；光學設計；萬像素；引言手機鏡頭的研發工作始于世紀年代，世界上第一款照相手機是由夏普（現在的日本沃達豐）在年推出的手機，它只搭載了一個萬像素的數碼相機鏡頭。隨后各大手機知名制造廠商紛紛開始研發手機攝像功能。年月日夏普制造了萬素的，目前照相手機的市場占有率幾乎是，特別是帶有高

8、像素、 的鏡頭就成為鏡頭研發的熱點。目前萬像素的手機市場占有率還不是太多，但隨著人們對高端手機的需求量越來越大，萬像素手機肯定是主流趨勢。鑒于此，在選用合理初始結構的基礎上，優化出了一款萬像素的手機鏡頭。感光器件的選取感光器件有（電荷耦合器件）和（互補金屬氧化物半導體）兩種。器件產生的圖像質量相比于來說要低一些，到目前為止，大多數消費級別以及高端數碼相機都使用作為感光元件；感應器則作為低端產品應用于一些攝像鏡頭上，目前隨著技術的日益成熟，也有一些高端數碼產品使用器件。相對于有很多優點，比如價格低、集成化程度高、體積小、質量輕、功耗低、無光暈、高讀出速率等。所以很多手機生產商都采用器件作為手機鏡

9、頭的圖像傳感器。目前芯片的尺寸越做越小，相應的像素尺寸也越來越小，分辨率反而越來越高。現在國際上生產廠家主要有、等，本文采用公司的 型 號 （），該款傳感器采用超低功耗技術，待機狀態消耗功率小于，在最高分辨率情況下幀速率為時消耗功率為。的最高分辨率為（犎）（犞），實際像素值為，其最小像素尺寸為，有效感光元件對角線尺寸為，由此可得半視場大小為。為了防止加工裝配時的誤差導致像面的上下偏轉，本設計取半視場大小為。即一個空間周期至少有個像素，故此器件所要搭配的光學鏡頭需要能解析（） 的空間頻率設計指標市場上主流萬手機鏡頭的視場角大約為，光圈值為，鏡頭總長小于，高像素手機由于傳感器件的增大導致像差矯正較

10、為困難，往往都是采用小相對孔徑，這樣會導致成像光照度不足，成像質量不理想。本鏡頭的視場角達到了，達到了廣角物鏡的要求，光圈值為，具體參數如表所示設計思路材料選取光學塑料是一種透明的非晶體有機高分子聚合物，它具有透光性好，質量輕，成本低，加工簡單等優點，但是它也有很多缺點，比如折射率可靠性差，膨脹系數大，表面硬度低，耐熱性耐溶性差。一般手機鏡頭為了考慮成本多數選用塑料材料，本鏡頭為了讓成像效果更穩定，耐熱性耐溶性更好，在第一面鏡片上選用 ，其折射率和阿貝數分別是和，第二、四面鏡片選用聚碳酸酯（），其折射率和阿貝數分別是和，第三面鏡片選用日本公司的 材料，其折射率和阿貝數分別是、，第五面鏡為的濾光

11、片，濾掉 （）的近紅外光，第六面為的保護玻璃，其折射率和阿貝數分別是和。初始結構選取一個好的鏡頭離不開一個合適的初始結構，如果初始結構選擇不當，再經驗豐富的設計者也完成不了設計任務。初始結構的選擇有好多種，可以通過設計者的經驗利用高斯光學原理創造一個初始結構，但這種方法計算繁瑣并且對設計者的像差理論知識和經驗要求較高，除此之外也可以通過查閱手冊或者查詢相關專利來獲取初始結構，這種方法比較簡單方便，而且能達到理想的設計需求。萬像素手機結構無非是、 和，本鏡頭采用的是“正負正負”結構，初始結構參考了視場和光圈與本設計要求相當的美國專利，其視場角為，光圈值為，光學結構長度，結構如圖所示。由片鏡片組成

12、，第一片鏡為玻璃材質，二、三、四片為塑料材質，第五第六片為玻璃載薄片，孔徑光欄設置在第一片鏡前。優化過程像差矯正對于照相鏡頭，要求有較大的相對孔徑，還要有較大的視場。為了得到大視場除了消除位置色差、球差、彗差外，對像散、場曲、畸變及倍率色差也必須特別注意。由于分辨率的限制，照相物鏡所成的像無須象目鏡系統那樣，成像接近理想，往往以像差在像面上形成的彌散斑大小（即能分辨的線對數）來衡量系統的成像質量。手機鏡頭的分辨率犖犔應大于器件的分辨率犖犚，所以手機物鏡所允許的彌散斑半徑應為d（）NL （）假設NLNR，代入公式（）可得d，也就是像面上彌散斑半徑最大不能大于。手機鏡頭對于畸變有嚴格要求，一般控制

13、在內，倍率色差也應控制在衍射極限以內。把初始數據輸入到中，發現種像差都很大，其軸上點視場彌散斑均方根（）半徑為，軸外點有的甚至達到了，遠遠大于手機鏡頭允許的彌散斑直徑，如圖所示。優化思路由于采用了非球面，這樣大大增加了系統的自由度，理論上可以優化到無數階，但考慮到加工成本和技術的限制，第一面鏡優化到階，第二、三、四面鏡優化到階。優化步驟可分為步：）把所有透鏡的曲率半徑，厚度，間隔，非球面系數設置為可變量，在中加入焦距，系統結構長度限制條件，各個初級像差，主光線出射角和默認的優化函數（評價函數選擇）等限制參數，進行初步優化。）通過改變各個參數的權重并加入高級像差參數可得到更好的像質，比減少高級像

14、差，如果高級像差不能矯正，則可以嘗試換其他的玻璃來優化，也可以通過手動微調來反復優化，這樣有可能得到更優質的結構）最后把一些像差的權重設置為，最好只加入結構限制的參數和默認的優化函數進行優化，也可以通過加入 、 參數等使（調制傳遞函數）進一步提高，最終達到各個像差平衡。設計結果優化后鏡頭結構如圖所示。光學總長度為，焦距和后工作距離分別為 和，視場為，像高，略大于的對角線，主光線最大出射角（）小于，滿足耦合的條件。光學調制傳遞函數（調制傳遞函數）是能全面評價一個光學系統的成像質量，它是在光學設計完成后，不需要進行試制就能比較具體了解光學系統的實際成像能力。此鏡頭分辨率要達到（奈奎斯特）采樣頻率，

15、即最大分辨率為。對于照相鏡頭，視場以內的區域是主要成像區域，對于范圍以外視場像質允許一定程度的下降，如圖所示。由圖可以看出，在奈奎斯特采樣頻率處，大部分市場的 值都大于，在處全視場的值都大于，視場的 值大于，在處視場的值均大于，滿足照相系統的閾值。由圖可見，在和處值分別大于和。點列圖由圖可看出，所有視場像面上的彌散斑基本上都在衍射極限之內，并且全視場（均方根差）都小于，滿足彌散斑半徑不大于的條件。場曲和畸變場曲反應像面的彎曲程度，對像質有很大的影響，由圖可知，場曲矯正在范圍內，完全滿足設計要求，由圖可看出，畸變矯正在以內，也符合設計要求。色差和球差色差分為軸向色差和倍率色差，由圖可知，軸向色差

16、小于，滿足系統設計要求，垂軸色差最大為，也符合要求，球差在本鏡頭中很小，完全符合要求。相對照度對于手機照相光學系統來說，一般相對照度越大越好，隨著視場的增大，將導致出射主光線的角度也越來越大，這樣就會使相對照度下降，一般來說，全視場相對照度大于即可。在本系統中，由于具有大相對孔徑，在全視場相對空間為，雖沒有達到的要求，但也能滿足拍攝需要，如圖所示。公差分析好的光學系統不僅要有良好的像質和結構指標，更要考慮到現代加工工藝水平，加工工藝水平決定了系統公差的大小，所以在設計階段要充分考慮到系統的公差大小。如果系統容忍的公差很小，就有可能就超過現代加工工藝，最終導致加工失敗。非球面玻璃和塑料鏡片可以采用模壓成形技術，模壓成形技術的光學元