高分辨率手機(jī)鏡頭的光學(xué)設(shè)計與性能仿真畢業(yè)論文.docx

本科畢業(yè)設(shè)計（論文）高分辨率手機(jī)鏡頭的光學(xué)設(shè)計與性能仿真 目 錄中文摘要英文摘要1 緒論11.1 引言11.2 手機(jī)鏡頭與數(shù)碼相機(jī)鏡頭比較11.3 拍照手機(jī)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r21.4 手機(jī)鏡頭未來趨勢42 手機(jī)照相理論基礎(chǔ)62.1 手機(jī)鏡頭成像原理62.2 手機(jī)鏡頭基本術(shù)語62.2.1 焦距62.2.2 光圈72.2.3 像素72.2.4 分辨率83 手機(jī)鏡頭像差理論與優(yōu)化設(shè)計93.1 手機(jī)鏡頭像差理論93.2 光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計114 8百萬像素手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計134.1 鏡頭設(shè)計指標(biāo)134.2 設(shè)計結(jié)果13致 謝18參考文獻(xiàn)19高分辨率手機(jī)鏡頭的光學(xué)設(shè)計與性能仿真摘 要快速發(fā)展的手機(jī)照相功能，讓我們對照片的清晰度要求越來越高，一些低端的數(shù)碼相機(jī)早已逐步由擁有高分辨率的手機(jī)攝像頭逐漸取代了，但在目前市場照相手機(jī)中高像素拍照手機(jī)的占絕大部分，800萬像素的手機(jī)在市場中高比率占有正式因為這樣，對研究高分辨率手機(jī)鏡頭有著重大的意義。文章中總結(jié)了手機(jī)鏡頭的國內(nèi)外發(fā)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合了光學(xué)非球面以及像差理論，使用ZEMAX軟件，進(jìn)行光學(xué)設(shè)計得到了一個800萬像素的超薄手機(jī)鏡頭。該鏡頭由4片光學(xué)塑料非球面透鏡組成，優(yōu)化是通過ZEMAX軟件的功能，并最終獲得一個高像素超薄成像結(jié)構(gòu)，總長僅3.21mm且具有優(yōu)良性能、成本低廉，滿足設(shè)計要求的手機(jī)鏡頭。關(guān)鍵詞： 手機(jī)鏡頭；800萬像素；塑料非球面；ZEMAXOPTICAL DESIGN AND PERFORMANCE SIMULATION OF HIGH RESOLUTION MOBILE PHONE LENSABSTERACT The rapid development of mobile phone camera function, so that we are more and more demanding on the photos, some low-end digital camera has long been gradually replaced by a high-resolution mobile phone camera, but in the current market camera phone high pixel camera phone Of the vast majority of the 8 million pixel mobile phone market in the high proportion of possession of the formal because of this, the study of high-resolution mobile phone lens has great significance. The article summed up the development of mobile phone at home and abroad on the basis of the combination of optical aspheric and aberration theory, the use of ZEMAX software, optical design has been a 8 million pixel ultra-thin mobile phone lens. The lens consists of four optical plastic aspherical lenses that are optimized by the function of the ZEMAX software and eventually get a high pixel ultra-thin imaging structure with a total length of only 3.21mm and with excellent performance, low cost to meet the design requirements of the phone lens.KEY WORDS mobile phone lens; eight million pixels; plastic aspheric; ZEMAX1 緒論1.1 引言 在當(dāng)今社會,手機(jī)已成為人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?。手機(jī)作為最基本的通信手段之一,已經(jīng)被賦予了更多的實用功能,攝像機(jī)的性能已經(jīng)成為衡量手機(jī)綜合性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在的手機(jī)已經(jīng)擁有高端鏡頭和入門級數(shù)碼相機(jī)可以媲美攝影成像性能,但隨著微型光學(xué)鏡頭和圖像處理技術(shù)的發(fā)展,手機(jī)彩信和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷涌現(xiàn),實時記錄手機(jī)獨(dú)特的快速共享功能是一大亮點,人們喜歡用手機(jī)進(jìn)行記錄美好的瞬間和實時圖像,并與朋友和家人共享實時。因此,為了獲得更好的拍攝效果和質(zhì)量人們也是不斷地開發(fā)與研究,研制高像素手機(jī)鏡頭已經(jīng)成為一種趨勢。成像質(zhì)量高、便攜性好的手機(jī)攝像頭將越來越普及。 隨著手機(jī)和手機(jī)攝像頭鏡片加工技術(shù)的突破 , 隨著光學(xué)加工、精密機(jī)械和電子電路技術(shù)的不斷發(fā)展與更新,一些低端的數(shù)碼相機(jī)被手機(jī)取代,和一些高質(zhì)量的影像如數(shù)碼相機(jī)也已經(jīng)被高像素鏡頭的手機(jī)取代。單反相機(jī),價格更昂貴,且操作復(fù)雜,體積和重量讓他無法被復(fù)制。相比之下,高像素手機(jī)正成為首選。目前市面上800萬像素以下的手機(jī)占據(jù)了大部分市場,畫面質(zhì)量并不理想,因此設(shè)計高質(zhì)量的成像,簡單的手機(jī)鏡頭結(jié)構(gòu)顯得尤為迫切和重要。 1.2 手機(jī)鏡頭與數(shù)碼相機(jī)鏡頭比較現(xiàn)在幾乎所有的手機(jī)都有攝像頭 ,同時, 手機(jī)攝像頭會迅速改變 。如手機(jī) 的數(shù)碼相機(jī)功能,它的賣點不是數(shù)碼相機(jī)的功能,是在給定的 MMS 無線傳輸、實時 共享等特點。但進(jìn)入 3G 1 時代以來,充分證明手機(jī)在人們進(jìn)行視頻通話的功能是 非常有前途的,和朋友從簡單的語音通話到視頻通信, 它更能吸引消費(fèi)者,手機(jī) 攝像頭可以實現(xiàn)數(shù)字圖像通信是基于數(shù)碼相機(jī)完全無法匹敵的。移動攝像機(jī)鏡頭和數(shù)碼相機(jī)鏡頭的特點和結(jié)構(gòu)有許多不同之處,可以從以下 幾個方面進(jìn)行比較:(1)側(cè)重點不同 移動相機(jī)鏡頭專注于如何最好的成像性能可以實現(xiàn)在有限的長度范圍內(nèi)。 這是微透鏡的主要追求 ,保證圖像質(zhì)量的前提下 ,縮短光學(xué)鏡頭的最大總長度，數(shù)碼相機(jī)鏡頭的總長度是沒有那么嚴(yán)格,可以把體積和空間做的比較大,它是圖像質(zhì)量的主要追求, 如何得到圖像的高質(zhì)量是關(guān)注的焦點。(2)鏡片的數(shù)目不同手機(jī)相機(jī)鏡頭緊湊 ,這限制了透鏡的數(shù)目 ,他們大多是4片左右。為了提高數(shù)碼相機(jī)的成像質(zhì)量,更多的鏡頭可以不受限制地使用,這更有利于提高圖像質(zhì)量,所以數(shù)碼相機(jī)的鏡頭一般超過 5 片。(3)加工難度不同 手機(jī)相機(jī)通常使用塑料非球面 ,近年來,中國的塑料加工技術(shù)的非球面零件 有很大的進(jìn)步,但還沒有形成一個成熟的、完整的系統(tǒng)2。普通數(shù)碼相機(jī)的使用玻 璃球面具有性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟、易于加工。會使用更多的非球形玻璃高端數(shù) 碼相機(jī)因為在球面像差的光學(xué)設(shè)計,彗差, 散光和畸變，像差校正、非球面表面 往往有更好的效果?？梢杂行У馗纳茍D像質(zhì)量,減少光學(xué)元件的數(shù)量,大大減輕攝像機(jī)的重量。(4)光敏元件不同目前市場上有兩種光敏元件 。一個是 CCD 器件的電荷耦合器件,價格比較昂貴,但技術(shù)成熟,靈敏度高,噪聲低,成像效果好。另一個是 CMOS3 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 ，其制造成本相對較低 ,功耗小 ,集成度高 。光敏元件通常用來移動照相機(jī)鏡頭。在數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展中,光敏元件的面積不能占太多,但在追求更好的成像,更好利用純彩色屏幕。感光元件比較大,數(shù)碼單反的應(yīng)用基本上是一個光敏元件的 APS 規(guī)格,在高端機(jī)器中,必須使用全幀傳感器。但這是不可想象的,因為它必然會增加產(chǎn)品的體積,近幾年來,隨著CMOS工藝的發(fā)展 , Exmor RCMOS4 的出現(xiàn) , CMOS 傳感器克服了許多技術(shù)瓶頸,手機(jī)鏡頭使用 CMOS 圖像傳感器集成度高的多。因此,照相手機(jī)有以下優(yōu)點:1.便攜性好,隨時攜帶使用;2.實時共享,高效快捷;3.質(zhì)量穩(wěn)定、重塑畫面;4.體積小、耗電量小、結(jié)構(gòu)緊湊。1.3 拍照手機(jī)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r手機(jī)或相機(jī)的起源始于 2000年 ,那時日本的第三大移動運(yùn)營商 J-Phone 推出了世界上第一個 j-sh04 手機(jī)內(nèi)置相機(jī),它配備了11萬像素CMOS數(shù)碼相機(jī)的鏡頭,并配有一個大鏡子,能夠拍攝355 x 288像素的照片,雖然畫面太差,而且無法與主流配置相比,許多消費(fèi)者感覺需求量不大的,但它是有照相功能手機(jī)的一個里程碑,它使手機(jī)相機(jī)的快速發(fā)展,它的出現(xiàn),手機(jī)廠商已逐漸認(rèn)識到手機(jī)鏡頭存在價值。在接下來的兩年或三年,如手機(jī)攝像頭像素也如雨后春筍,一場春雨后有所增加,如索尼P900,有了鏡頭,你可以拍攝640480像素,最大分辨率為30萬5。雖然這些鏡片的質(zhì)量略有改善,而且價格低,開發(fā)周期短,但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于入門 級數(shù)碼相機(jī),后來也更多地用于低端相手機(jī)的第二攝像頭。 2003五月,夏普公司重新推出的第一個百萬像素攝像頭的手機(jī)j-sh53,它有一個100萬像素的攝像頭,最大分辨率為1144 * 858像素6。除了支持多種分辨率選擇和連續(xù)的功能,在j-sh04第一代手機(jī)質(zhì)量的變化,無論是拍攝的清晰度、亮度和色彩還原,接近低端數(shù)碼相機(jī)的水平。接下來的幾天中,技術(shù)不再是手 機(jī)攝影像素的瓶頸,同年十月,日本卡西歐運(yùn)營商KDDI定制的世界上第一個 200 萬像素的攝像頭 a5403ca 手機(jī),該機(jī)采用光敏元件在暗光條件下也 CCD 表現(xiàn)出色 , 并支持自動對焦和閃光燈拍攝,它的出現(xiàn),被稱為手機(jī)行業(yè)的影像學(xué)變化的革命。72004年初,富士通生產(chǎn)的f900i擁有128萬像素CCD鏡頭,11萬像素CMOS鏡頭,兩個攝像頭可用于視頻通話。同年5月,和卡西歐的沖擊,推出了世界上300萬像素的攝像頭,a5406ca第一手機(jī),它配備了 320 萬英寸的大尺寸 CCD 感光元件 的 1 / 1.8 有效像素,照片QXGA(2048x1536像素)可以采取,而非球面鏡片的小而薄的。有利于提高圖像質(zhì)量,也降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大小 。從世界上第一個手機(jī)百萬像素的誕生,到第一個300萬像素手機(jī)攝像頭 ,只有大約一年的 時間,手機(jī)攝像頭在這個時期是塑料鏡頭結(jié)構(gòu) 3 片 ,與像素數(shù)、光學(xué)非球面逐漸 增 大 。圖 1-1為3芯片的手機(jī)鏡頭的周期結(jié)構(gòu)顯示, 3 個鏡頭和過濾器和玻璃蓋, 其 中非球面光學(xué)元件數(shù)量已達(dá)到 4-5 個,市場較在 45 - 50 度角,光敏元件的尺寸為1/ 4英寸,最小像素尺寸可為1.75mm1.75mm,但基本上沒有自動對焦或變焦功能8。圖 1-1 早期 3 片式手機(jī)鏡頭結(jié)構(gòu) 隨著技術(shù)門檻越來越低,提高像素不再是實現(xiàn)提升攝影水平的唯一手段,光學(xué)變焦可以讓夏普再創(chuàng)建一個尖銳鋒利的手機(jī)9,沃達(dá)豐日本發(fā)布了全球首款支持2倍光學(xué)變焦的200萬像素手機(jī)v602sh。該機(jī)配備了202萬像素的CCD鏡頭,支持2倍光學(xué)變焦和40倍數(shù)碼變焦功能,最大16001200像素照片拍攝。2004、三星發(fā)布M339,一個320萬像素的攝像頭,同時支持3倍光學(xué)變焦,為用戶提供出色的拍照體驗。時隔一年,三星還推出了世界上第一個手機(jī) M509 擁有 500 萬像素的攝像頭,這種配置足以與700萬像素和800萬像素的專業(yè)數(shù)碼相機(jī)競爭,同時出自三星,相應(yīng)的模型是三星 M709,三星 sph-v8200 。現(xiàn)在,一些國外 知名手機(jī) iPhone 、諾基亞、索愛,三星,摩托羅拉,和相機(jī)像素已擴(kuò)展到800萬,1000萬,甚至高的像素鏡頭結(jié)構(gòu)的大多數(shù)這些相機(jī)的手機(jī),結(jié)合3光學(xué)塑料和1片光學(xué)玻璃。為了獲得更好的效果,非球面的數(shù)量逐漸增加,自動對焦,光學(xué)變焦,和一些主流相機(jī)功能逐漸被納入成到手機(jī),加閃光燈等硬指標(biāo)使手機(jī)如虎添翼。在配置和性能雖然取得了顯著的成果,但這些高端手機(jī)比較昂貴,不適合大眾消費(fèi),國內(nèi)手機(jī)廠商紛紛加快步伐10,力爭推出更多的自主品牌的高像素拍照手機(jī)。1.4 手機(jī)鏡頭未來趨勢未來手機(jī)鏡頭及其制造工藝的發(fā)展趨勢主要有以下幾點: 第一: 在手機(jī)鏡頭像素及傳感器方面 :像素越高 ,分辨率越高 ,這是手機(jī)鏡 頭發(fā)展的一個必然趨勢。但像素越高不代表成像質(zhì)量越好 ,傳感器也對手機(jī)成像 質(zhì)量的提高 ,起著非常重要的作用 ,傳感器的尺寸越大 ,光的性能越好 ,光子捕 獲越多 ,而超薄手機(jī)也限制了傳感器的尺寸 ,因此 ,如何在保持像素不變的情況 下 ,讓傳感器尺寸變得更小 ,則是一個非常重要的發(fā)展方向。 第二: 在手機(jī)鏡頭尺未來手機(jī)必將走向超薄化 ,手機(jī)鏡頭的尺寸就成了比較重要 的研制因素之一 ,手機(jī)鏡頭使用的鏡片數(shù) ,就是制約手機(jī)鏡頭尺寸的一個關(guān)鍵因 素, 手機(jī)鏡片數(shù)越多 ,成像越真實 ,但同時 ,鏡頭的尺寸也會更大 ,因此 ,如何保 證像素不變的情況下使用到越少的鏡片數(shù),是光學(xué)設(shè)計未來發(fā)展的一個重要方 向。 第三: 在手機(jī)鏡頭使用光學(xué)塑料方面: 光學(xué)塑料較光學(xué)玻璃劣勢的地方就在于折 射率普遍不高 ,今后的光學(xué)塑料若是在折射率有進(jìn)一步的突破 ,可以很大程度上 改變現(xiàn)在光學(xué)設(shè)計的許多瓶頸點 ,而且新開發(fā)的光學(xué)塑料種類越來越多 ,在光學(xué)性能和物理特性都有待改善11。 第四: 在手機(jī)鏡頭制造工藝方面。未來手機(jī)鏡頭的高像素 、超薄化趨勢 ,制約其 最重要的因素就是光學(xué)系統(tǒng)的公差 ,其公差范圍勢必會比低像素光學(xué)系統(tǒng)的要 緊 ,這同樣就對模具加工及成型工藝有越來越高的要求 ,模具結(jié)構(gòu)加工設(shè)計以及 成型超精密注塑成型工藝如何更好的達(dá)到更高精度的公差 ,對于生產(chǎn)制造來說 ,是一個關(guān)鍵的發(fā)展方向。2 手機(jī)照相理論基礎(chǔ) 手機(jī)照相理論基礎(chǔ)包括手機(jī)鏡頭的成像原理和和手機(jī)鏡頭的基本術(shù)語。2.1 手機(jī)鏡頭成像原理手機(jī)鏡頭成像原理,其實和數(shù)碼相機(jī)成像原理。與傳統(tǒng)照相機(jī)相比,在光敏元件的光電轉(zhuǎn)換中,反射透鏡穿過透鏡組的光的透鏡組,是使用膠片作為信息記錄載體的傳統(tǒng)照相機(jī)，膠片的感光元件，經(jīng)過一系列處理后發(fā)展和固定并獲得膠片。最后,得到一張圖片。手機(jī)或數(shù)碼相機(jī)鏡頭的原則體現(xiàn)在多個單元透鏡傳輸?shù)綀D像傳感器CCD或CMOS12光,光信號將刺激光電二極管感光元件產(chǎn)生光信號再轉(zhuǎn)換信號,然后,模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器A/D,并得到最終的結(jié)果,經(jīng)過DSP處理壓縮成特定的圖像格式存儲在存儲器中,整個過程如圖2-1所示。移動攝像機(jī)鏡頭是一種微型結(jié)構(gòu)的數(shù)碼相機(jī)鏡頭,可以實現(xiàn)相機(jī)功能在有限的空間內(nèi)。在成像過程中,光學(xué)透鏡和光敏元件是影響成像質(zhì)量的最重要因素。圖2-1 手機(jī)鏡頭成像過程2.2 手機(jī)鏡頭基本術(shù)語 光學(xué)系統(tǒng)中有很多專業(yè)術(shù)語，手機(jī)鏡頭也不例外。手機(jī)鏡頭基本術(shù)語包括焦距、光圈、像素、分辨率、感光元件等等，本文僅介紹相關(guān)基本的專業(yè)術(shù)語名詞。2.2.1 焦距 焦距是光學(xué)系統(tǒng)測量光聚集或發(fā)散能力的量度。物體的不同部分反射的光 通過透鏡聚焦在膠片的某一點上 ,圖像具有清晰的輪廓和真實的紋理,被稱為焦點。所述手機(jī)鏡頭為凸透鏡,光敏元件為凸透鏡組附近的焦點,基本上與透鏡中心到光敏元件CCD13或CMOS成像平面的距離基本上等于透鏡的焦距。根據(jù)焦距長度可分為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、廣角鏡頭和長焦鏡頭,即視場角。 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的角度是50度,這是人們可以看到的頭和單眼不動的角度來看,從 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭,以觀察的風(fēng)景和感覺,我們通?？吹降娜庋蹖ο蠡旧鲜窍嗤?。35 mm標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距40mm、50mm或55mm;廣角鏡頭,即鏡頭角度大,適用于大范圍拍 攝距 離與現(xiàn)場附近 ,有時用來故意夸大業(yè)績前景 ,距離和透視感強(qiáng) 。典型的廣角鏡頭,135mm相機(jī)焦距28mm,視角75度角。常用的“35mm”和“38mm”鏡片比28mm焦距略長14長焦鏡頭,俗稱“長鏡頭”。適用于小景深拍攝遠(yuǎn)距離場景,便于背景模糊,突出主體。一個35mm相機(jī)的長焦鏡頭通常分為三個階段。以下135mm稱為中焦距,如85mm,FOV,28度。這種鏡頭通常用來拍攝人,有時稱為人像鏡頭。135-500稱長焦距,如200mm,視場角12度。500mm說長焦距,視場角小于5度,適用于拍攝很遠(yuǎn)處的物體,如在森林近距離拍攝野生動物,被拍攝物體較近,長焦距的鏡頭是很有用的。 在成像過程中手機(jī)鏡頭,傳感器的尺寸是不一樣的,對不同大小的角的感光元件成像鏡頭的觀點是不同的,所以真正的透鏡的焦距，較不同的拍攝范圍和傳感器的尺寸是密切相關(guān)的,它通常定義在鏡頭135膠片相機(jī)的拍攝角度的焦距,在不同的感光元件的角度是135,相機(jī)的焦距被成像為135,和等效焦距成像。2.2.2 光圈 光圈也被稱為有效孔徑 ,是用來控制光線通過鏡頭進(jìn)入機(jī)身裝置 它的作用是確定進(jìn)入鏡頭的光量,有一個很好的鏡頭,通常不能隨意改變鏡頭的直徑,但我們可以通過孔、圓形或多邊形光柵內(nèi)部控制鏡頭中的可變鏡頭,鏡頭光圈為內(nèi)部裝置。 我們通常使用 f 值來表示光圈的大小 ,其中 f = f (透鏡焦距)/D (透鏡有 效孔徑的直徑)15。它是光學(xué)系統(tǒng)中相對孔徑( D / f )的倒數(shù)。公式表明孔徑 f 值越 小,孔徑越大 ,光輸入量越大 ,成像時屏幕亮度越高。光圈數(shù)序列鏡頭常用的 有: F1.0 , F1.4、 F2.0 、 F2.8 、 F4.0 、 F5.6 , f8.0 、 F11 、 F16 、 F22 、 F32 , F64 , F128 ,通過鏡頭到達(dá) 光和感光元件 的光圈數(shù)的光的數(shù)量的平方成反比, 所以相 鄰兩孔數(shù) 1:2 比例。例如,從 F4.0 光圈 f5.6 調(diào)整,光的數(shù)量將翻一番 ,我們說一 個大光圈 。對于普通消費(fèi)者的數(shù)碼相機(jī),光圈 F 通常在 f2.8-f16 。此外 ,孔是在 確定字段大小深度的最重要因素,孔徑越小,現(xiàn)場拍攝現(xiàn)場范圍較大深度越大 ,所以應(yīng)適當(dāng)調(diào)大光圈 ,有利于宏觀 ,和廣泛的增長拍攝 ,一般使用小光圈。 2.2.3 像素 構(gòu)成圖像的最小單位稱為像素。換種方法說,像素數(shù)量越高 ,圖像的成像辨識度越高。數(shù)碼相機(jī)中的像素數(shù)有兩種常見的表示方式 ,一種是數(shù)組表示法,即產(chǎn)品的長寬,如像素640480,像素16001200。另一種是代表總數(shù)的,如500萬像素,800萬像素等16。對光電傳感器的像素數(shù)決定了其成像分辨率。數(shù)碼相機(jī)有兩個像素表示: 最大和有 效像素。 采用內(nèi)插法將 DSP 芯片內(nèi)插得到的最大像素點 ,通過雙線性插值 、最近鄰插值法在放大后的圖像中增加像素以增加圖像的放大率。插值后得到的圖像 質(zhì)量不能與實際光敏成像。最大像素通常是指直接像素的 CCD / CMOS 傳感器, 為了增加銷量的一些企業(yè) ,最大像素的數(shù)碼相機(jī) ,只有廣告 ,但用戶應(yīng)該意識到這 是數(shù)碼相機(jī)的內(nèi)部操作和繪畫價值 ,印刷時的圖片 ,圖片的丟失將是顯而易見的。主動像素與最大像素不同,有源像素是真正參與成像的像素值。最大像素通常包含光敏器件的非成像部分,而有效像素是透鏡變焦率的轉(zhuǎn)換。美能達(dá)dimage7為例,CCD像素數(shù)為524萬,由于CCD部分不參與成像,有效像素僅為490萬。 2.2.4 分辨率 “分辨率”一詞是指單位長度中包含的像素數(shù),通常為像素/英寸(PPI)。分辨率為1024768的圖像表示每個水平線包含1024個像素,即行數(shù)為1024行,行數(shù)為768行。數(shù)碼相機(jī)的分辨率圖像信息可以區(qū)分的能力,執(zhí)行和場景的細(xì)節(jié)力表示,它決定了最終的圖像可以顯示圖片的大小, 數(shù)碼相機(jī)的分辨率水平,取決于 CCD 或 CMOS 攝像機(jī)的數(shù)量 ,像素越多 ,分辨率越 高。 手機(jī)鏡頭的最高分辨率是照相機(jī)可以拍攝的最大圖像面積。在相同大小的圖 片中 ,分辨率越大 ,圖片面積越大。通常分辨率由每個方向的像素數(shù)如640480等表示。手機(jī)鏡頭的最高分辨率等于它的 CCD / CMOS 像素的最大數(shù)目。像素指數(shù)通 常用 于評價的性能的 CCD / CMOS ,和分辨率指數(shù)被用來評價質(zhì)量的數(shù)碼相機(jī)拍 攝17。 CCD 和 CMOS 的分辨率在水平方向上的像素數(shù)表示 ,線性透鏡成像分辨率模式, 每一個像素的寬度,然后我們說CCD / CMOS,在透鏡的水平方向上的分辨率相匹配,所以它也在垂直方向上。這個定義確保 CCD / CMOS 可以精確地區(qū)分的圖像中 的最小像素數(shù)的細(xì)節(jié)。3 手機(jī)鏡頭像差理論與優(yōu)化設(shè)計 理想的光學(xué)系統(tǒng)可以是近軸區(qū)域的理想圖像 ,但其實用價值不大。因為它只 適用于近軸區(qū)域非常小的相對孔徑和視野成像 。任何一個實際光學(xué)系統(tǒng)的成像 都需要一定的相對孔徑和視野,這正是這兩個系統(tǒng)的功能和實用價值密切相關(guān) 的。因此在計算光路時 ,遠(yuǎn)大于由傍軸區(qū)域的限制 ,物體的尺寸和位置與近軸區(qū) 域不同 ,如實際與理想之間的差異為光學(xué)像差。 3.1 手機(jī)鏡頭像差理論 在所有的光學(xué)系統(tǒng)中 ,像差有兩種類型:一種是波像差，另一種是幾何像差。18波像差的基礎(chǔ) 上 ,研究光的電磁波理論 ,如果一個完美的成像光學(xué)系統(tǒng) ,球面波 ,任何物體通 過光學(xué)系統(tǒng)的點在空間就像是一個球面波 ,事實上,圖像空間不是球面波前成像 , 我們偏離的程度稱為球面像在波中的差別 。基于幾何光學(xué)理論,實際的光被跟蹤, 并 且通過光學(xué)系統(tǒng)的對象發(fā)出的光偏離高斯圖像 ,稱為幾何像差 ?？讖胶鸵曇俺上窬哂幸欢ǖ膶嶋H光學(xué)系統(tǒng),使入射光具有不同的直徑和不同的成像位置,并且入射光的成像放大率在不同的領(lǐng)域變化,子午面成像的性質(zhì)和失弧光束的平面是不同的。因此,單色光學(xué)成像會產(chǎn)生五種不同的幾何像差,即球差、彗差、像散(正弦偏差)、場曲率和畸變,稱為單色像差。但事實上,大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)都是光和多色光源成像,由于介質(zhì)的色散,不同單色光的折射率是不同的,所以不同的單色光成像的大小和位置是不一樣的 ,不同的成像單色光 叫顏色差異19。色差有兩種,即位置色差和倍率色差。 (1)球面像差分軸同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng) ,不再是同心光束 ,在不同的高度位置上 不同程度的近軸 成像點相對于光軸入射的光 ,我們將之稱為軸向球差的偏差。它 僅與孔徑u(H)有關(guān),且與視野Y無關(guān),所以球面像差可以表示為: （3-1） 其中, h1 表示在入射的高度,第一光入射面表示A1、A2、A3代表主球差系數(shù)和二、三階球差系數(shù),當(dāng)孔徑小時,入射高度小,主要表現(xiàn)為球面像差,球差的增加越來越大,最重要的兩個或兩個以上的高級像差的光學(xué)系統(tǒng) 是非常小的,可以忽略不計。因此,根據(jù)公式 (3-1) ,我們通常補(bǔ)償?shù)闹饕蛎嫦?差與較高的球面像差,和糾正的邊緣帶的球差為零:當(dāng) H = HM ,邊緣球錯誤被校正 為0。 （3-2）當(dāng) h=hm 時，邊緣帶球差校正為0。 由于球面像差的存在,高斯圖像上的像點不是一個點,而是一個圓散斑,可以用公式計算出光斑的半徑20: （3-3） 其中， T 縱軸是球差,彌散斑的半徑 , L是邊緣光像方截距 l 與 L 相同， 在軸光線上 , u 是方孔徑角 ,我們可以看到從正面鏡頭 ,圖像邊緣光攔截比近軸 光線為方攔截小 ,會產(chǎn)生負(fù)球差 ，圖像邊緣光攔截大于近軸光線 ,會產(chǎn)生正球面像 差。對于移動透鏡的光學(xué)設(shè)計 ,我們選擇了正透鏡和負(fù)透鏡的適當(dāng)組合 ,它們 產(chǎn)生的球差可以互相補(bǔ)償 ,從而有效地校正球差。 (2) 慧差（正弦差）：同心光束的主光線的對稱性 ,通過光學(xué)系統(tǒng) ,不再相交于一點 ,在垂直軸方向與主光不相交的軸外物點寬光束通過光學(xué)系統(tǒng)成像損 失對稱后, 稱為慧差。它是光圈 H 和視野 Y 的函數(shù),通常表示為 : （3-4） 首先初級慧差 ,在之二級孔徑慧差 ,視野二級慧差是最后一個。對于手機(jī)鏡 頭, 慧差的大小主要取決于這三個決定 。慧差是離軸像差的一種，它破壞了離軸視場的分辨率21。我們通常使用對稱結(jié)構(gòu)來糾正慧差,或在特定位置的光闌。 (3) 像散： 從軸線的光束將相交子午線和弧。子午像點與弧像點之間的距離稱為象散。它也是光圈和視野的函數(shù)。如果在光學(xué)系統(tǒng)中存在像散,則可以在物體表面形成兩個像面,而每個方向上的方向不同 。嚴(yán)重時,離軸點不能清晰可見,出現(xiàn)橢圓擴(kuò)散點 。通常我們使用組合透鏡或設(shè)置光闌以消除散光。 (4) 場曲：也稱像平面彎曲。 當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)具有場曲線時,高斯圖像平面上的遠(yuǎn)軸 區(qū)域外的圖像點將變得模糊, 平面物體的圖像將成為一個旋轉(zhuǎn)表面 。薄光束的場 曲率與光闌無關(guān),只與視場有關(guān)。因此,光場的曲率可以表示為: （3-5） 其中 Y 是孔徑坐標(biāo),第一項是主場曲線 ,第二項是兩級曲線 ,其余是類比 。根據(jù)薄 透鏡系統(tǒng)一次場曲線的計算公式 : （3-6）公式里 ，不變的是 J 的值,透鏡的焦度 ,折射率是 n : （3-7） 由于透鏡的折射率變化不大 ,只需將正透鏡和負(fù)透鏡正焦的絕對值近似相等 。對于手機(jī)鏡頭的光學(xué)設(shè)計 ,采用分離的正 、負(fù)透鏡組合來校正場曲線 。 (5) 畸變：由于球差的影響 ,在不同的視野中 ,經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的主光的交點不等于圖像的理想高度22 ,這種差異稱為畸變。它僅僅是視場的函數(shù),表示為: （3-8） 首先公式里是初級畸變,在之二級畸變,等等?；冎桓淖兝硐雸D像表面外軸的成像位置,使圖像的形狀扭曲,但不會影響圖像的清晰度。通常,我們使用對稱結(jié) 構(gòu)來糾正失真 。所述手機(jī)鏡頭的光學(xué)畸變只需在一定范圍內(nèi)控制 ,不產(chǎn)生圖像變 形。 (6) 色差：軸上點發(fā)出的不同色光的成像差稱為位置色差 ?？讖轿ㄒ慌c之有關(guān)，表示為： （3-9） 首先在公式中是色差的初級位置,即近軸光的位置,色差，后面為二級位置相差 ，等等。薄透鏡系統(tǒng)的初級色差公式是: （3-10） 在公式中, H 是透鏡的通孔, 是透鏡的焦的亮度,V是透鏡材料所對應(yīng)的的阿貝常數(shù), n 是透鏡的個數(shù)。式表明, H2 和 V 是正數(shù)。為了使系統(tǒng)消色差,該系統(tǒng)需要由正透鏡和負(fù)透鏡的組合。 因此,對于移動透鏡的光學(xué)設(shè)計,我們選擇了正透鏡和負(fù)透鏡的組合來消除位置差。 但是,軸的對象點的差異被稱為色差之間的色差的光。通常,我們使用對稱結(jié)構(gòu)或設(shè)置光闌在一個特定的位置 ,以消除色差。色差導(dǎo)致任何圖像表面的顏色漫射點 ,圖像被光暈遮蔽。因此,對于手機(jī)鏡頭的光學(xué)設(shè)計,色差校正較為嚴(yán)格,最好控制衍射極限的色差。3.2 光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計設(shè)計一個實際的光學(xué)系統(tǒng),一般可以分為以下幾個步驟: 根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境 和要求的第一步,確定其基本結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的光學(xué)透鏡系 統(tǒng)由幾個部分組成,其焦距 ,視角角度 、相對孔徑。根據(jù)解決具體結(jié)構(gòu)參數(shù)畸變 的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論第二步,或根據(jù)光學(xué)設(shè)計和光學(xué)設(shè)計可以實現(xiàn)選定的專利 要求的手冊,光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計是對初始結(jié)構(gòu)的選擇至關(guān)重要,如果你選擇不當(dāng),你會浪費(fèi)大量的時間和精力在優(yōu)化過程中,甚至作為一個的問題,不能滿足設(shè)計要求。第三步是像差校正,即通過改變光學(xué)系統(tǒng)中各透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和透鏡與透鏡材料之間的距離,使光學(xué)系統(tǒng)的像差得到一定程度的校正。然后將圖像質(zhì)量評 價第四步,觀察和圖像質(zhì)量達(dá)到總體設(shè)計要求 ,如不符合要求 ,應(yīng)認(rèn)真分析原因, 根據(jù)具體的實際情況,在像差校正成像質(zhì)量滿足要求。最后一步是計算和分配光學(xué)系統(tǒng)的加工公差和裝配公差,繪制光學(xué)系統(tǒng)圖,光學(xué)零件圖和標(biāo)注規(guī)范注 釋,以達(dá)到實際生產(chǎn)要求。在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中,像差的校正是最重要的。如何優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量 ,從最初的結(jié)構(gòu)到最佳狀態(tài) ,往往是成功的關(guān)鍵設(shè)計。由于光在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播是非線性的,即折射定律是非線性的,像差與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系也是一個非常復(fù)雜的非線性問題。光學(xué)設(shè)計優(yōu)化的過程,實質(zhì)是發(fā)現(xiàn)在解空間的一個可行的路線 ,使圖像質(zhì)量差的系統(tǒng)位置的圖像質(zhì)量良好的位置,如果初始結(jié)構(gòu)的選擇是正確的,這樣的系統(tǒng)存在于非線性問題的解決理論,和一些卓有成效的算法在數(shù)學(xué)上,如阻尼最小二乘,自適應(yīng)方法,全局優(yōu)化方法。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展 ,可以在家 里通過電腦外,也有很多公司開發(fā)的光學(xué)設(shè)計軟件,FocussoftwareInc ,ZEMAX, Optical ResearchAssociates 公司的 CODE V 23光學(xué)設(shè)計軟件包 sod88 由北京理工大學(xué)技術(shù) 光學(xué)實驗室開發(fā)。這些計算機(jī)軟件的出現(xiàn)極大地提高了光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計效率。此外,光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計必須是可行的,能夠?qū)嶋H的加工生產(chǎn)。如果沒有辦法生產(chǎn)樣品,這樣的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計是沒有意義的。不同的聚焦光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量要求和像差優(yōu)化也不同,為移動鏡片的光學(xué)設(shè)計,由于彌散斑尺寸的最大極限,并集成在微結(jié)構(gòu),一般的球差、色差,長度的要求是比較高的,和場畸 變的曲率和只需要滿足的基本要求,不影響圖像質(zhì)量,不會出現(xiàn)像變形能。因此,在移動透鏡的優(yōu)化設(shè)計中,尤其要注意系統(tǒng)的球差、色差和長度等問題。4 8百萬像素手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 隨著手機(jī)的普及以及應(yīng)用的增多，人們對手機(jī)像素的要求也越來越高，對高像素鏡頭的研究也更加深入。隨著手機(jī)像素的提高，對光學(xué)系統(tǒng)中使用的鏡片數(shù)也不斷增加。本次主要針對 4 片八百萬像素手機(jī)鏡頭的進(jìn)行設(shè)計。 4.1 鏡頭設(shè)計指標(biāo) 本次設(shè)計所匹配的芯片為索尼公司的HI84 芯片，其每個像素單元大小為 1. 12 m * 1 .12 m，其有效陣列尺寸 3283 * 2471 ，成像區(qū)域大小為 3678.3m* 2767.68 m。 八百萬像素的手機(jī)鏡頭光學(xué)設(shè)計的主要設(shè)計指標(biāo)如表 4.1 所示： 表4-1 800 萬像素手機(jī)鏡頭的主要技術(shù)指標(biāo) ItemsSpecificationEffective focal length 2.2mm-2.5mmField of view 55F/number 2.8Distortion50%Working distance Infinity Optical total length 3mm-3.5mmLens structure 4 pieces aspheric Snesor/pixel HI841/1.12m*1.12m 4.2 設(shè)計結(jié)果運(yùn)用zemax軟件，將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入，利用非球面塑料 E48R和POLYCARB ， 以及平板玻璃 BK7 三種，得到結(jié)構(gòu)圖，如圖4-2所示：圖4-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該光學(xué)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)表以及非球面系數(shù)表如表4.3表4.4所示： 表4-3 結(jié)構(gòu)參數(shù)表SurfaceTypeRadius/(mm) Thickness/(mm) GlassSemi-aperture/(mm)ObjectStandardInfinityInfinityInfinity1StandardInfinity0.0000000.434572StopStandard1.2233460.544093E48R0.4949653Standard-3.1077970.1029310.5500724Standard-1.5090070.132527POLYCARB0.5556295Even asphere1.9527230.0980060.6323566Even asphere2.6197040.689421E48R0.6701737Even asphere-1.0410830.6102550.7924668Even asphere-2.5866080.279603E48R0.8508129Even asphere2.2620500.2539431.14916610StandardInfinity0.400000BK71.26974611StandardInfinity0.1000001.369543ImageStandardInfinity1.409186表4-4 結(jié)構(gòu)的非球面系數(shù)Surface56789K0.0000000.0000000.0000000.0000000.000000A-0.003026-0.1434780.112617-0.252275-0.137704B0.0274300.072089-0.113777-0.0027540.022712C0.134275-0.1614180.057196-0.6676800.022712D0.238195-0.387404-0.4054290.3162290.024887E-0.1420061.8149150.2533190.1992800.010490該光學(xué)系統(tǒng)的總長為 3.21 mm，焦距為2.43mm，視場角為60，在設(shè)計指標(biāo)要求內(nèi)。 手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)的評價方式一般有一下幾點： （1） 光線像差圖（ RayAberrationplot ），是光闌坐標(biāo)函數(shù)的像差曲 線，該曲線其意義是光線與圖像正方形交點的坐標(biāo)和主光與圖像面的交點坐標(biāo)的差值。該圖能很好地反映實際光 ，從圖 4-5 中可知 ，優(yōu)化后 刻度值為 0.0125 mm ，點列圖反應(yīng)的是整個系統(tǒng)成像的幾何結(jié)構(gòu) ，其中更具有代表意義的是 RMS 光斑，它是徑向尺寸的均方根，如圖4-6 所示，現(xiàn)中心視場的 RMS 直徑僅為0.000875 mm，小于像素單元的大小，邊緣視場也相應(yīng)減小，可見系統(tǒng)的像差得到了很好的優(yōu)化 。 圖4-5 光線像差圖圖4-6 點列圖 （2）調(diào)制傳遞函數(shù) MTF，表示在不同頻率下，由光學(xué)系統(tǒng)表示的正弦強(qiáng)度分布函數(shù)的對比度(振幅)的衰減。對于相機(jī)系統(tǒng),閾值為0.1?，F(xiàn)在通用的鏡頭檢測手法例如投影檢測和實拍檢測等等也是利用了光學(xué)傳遞函數(shù)的方法只是方式上的不同。而對于手機(jī)鏡頭,主成像區(qū)域則集中在0.707個視野內(nèi),允許一定范圍內(nèi)的水滴超出了視野的0.707。奈奎斯特頻率對應(yīng)于本文中所用的芯片是1/(2pixel)= 447lp /毫米。如圖4-7所示,在1 / 2奈奎斯特頻率223lp /毫米,所有視場大于0.3,如圖4-8所示,在3 / 4奈奎斯特頻率298lp /毫米,所有視場大于0.2,滿足系統(tǒng)的MTF值。圖 4-7 在1/2奈奎斯特頻率下的 MTF 曲線圖圖 4-8 在3/4奈奎斯特頻率下的 MTF 曲線圖 （3）場曲和畸變、球差圖，場曲和像差如圖 4-9 所示。場曲反應(yīng)了整個光學(xué)系統(tǒng)像面彎曲的情況 ，從圖中可知，畸變所示邊緣視場畸變?yōu)?.5%，在設(shè)計指 標(biāo)要求內(nèi)。圖 4-10 球差優(yōu)化后的鏡頭其球差刻度范圍 - 0.013mm 0.009 mm，且實際大小在0.025mm以內(nèi)。圖4-9 場曲、畸變圖圖4-10 球查圖（4） 相對照度，相對照度是以系統(tǒng)像面上最亮的點進(jìn)行歸一化得到的，它被定義為每單位面積的照度的圖像平面,這是一個函數(shù)的Y視圖的視圖中的相對照度圖。影響相對照度大小的因素有很多 ，包括 f 數(shù)、漸暈因子和像差等。該鏡頭的相 對照度如圖 4-11 所示，最外視場相對照度在 60% 以上，滿足設(shè)計需求。 圖 4-11 相對照度致 謝 時間過的很快，四年的大學(xué)時光在不知不覺地過去了，轉(zhuǎn)眼間就要完成大學(xué)的學(xué)習(xí)生活，去面對社會。十多年的努力學(xué)習(xí),讓我充實了自己,對每一位幫助過我的人的感激之情油然而生。首先要感謝我的導(dǎo)師運(yùn)高謙，從始至終，一直對我們的耐心教導(dǎo)，對于在短時間內(nèi)完成畢業(yè)論文的要求，為我們一一制定計劃。每次布置任務(wù)，讓論文完成的進(jìn)度一直在預(yù)定的計劃中。這篇論文的完成，讓導(dǎo)師付出了大片心血，與導(dǎo)師的息息教導(dǎo)要很大的關(guān)系。同時導(dǎo)師交流方式和為人方面我很欣賞，給人一種和藹可親的感覺，我很高興這樣負(fù)責(zé)的一位導(dǎo)師。在此，我對運(yùn)導(dǎo)師表示崇高的敬意和衷心的感謝。在此，我還要感謝我的室友高原俊杰，崔銀璽，王永杰，施慶西，范可順以及最好的朋友等等，四年來，有了他們的共同進(jìn)步與成長，讓使我的大學(xué)生活變得豐富多彩。感謝他們的關(guān)心與幫助，四年，伴隨著一輩子的兄弟。感謝我的父母，養(yǎng)育之恩。感謝他們二十多年無微不至的關(guān)懷和理解，現(xiàn)在只能按時完成學(xué)業(yè)，用自己未來的努力給予他們給多的關(guān)心和照顧。祝我的父母身體健康，永遠(yuǎn)開心快樂。最后再一次感謝幫助過我的良師益友，祝大家身體健康，學(xué)業(yè)有成，家庭幸福。參考文獻(xiàn)1黃一帆, 李林. 光學(xué)設(shè)計教程M. 北京:北京理工大學(xué)出版社, 2009:4-6. 2遲澤英, 陳文建. 應(yīng)用光學(xué)與光學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)M. 南京:東南大學(xué)出版社, 2008：357-365. 3郁道銀, 談恒英. 工程光學(xué)M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006:147-152. 4黃城. 變焦距手機(jī)鏡頭的光學(xué)設(shè)計D. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009. 5劉宵嬋. 變焦手機(jī)鏡頭的設(shè)計D. 長春：長春理工大學(xué)，2009. 6李廣，汪建業(yè)，張燕. 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