zemax設(shè)計(jì)實(shí)例之手機(jī)鏡頭

1、zemax設(shè)計(jì)實(shí)例之手機(jī)鏡頭2012、03、13評論關(guān)閉4,757views隨著手機(jī)市場對高像素手機(jī)鏡頭的需求增大利用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)一款大相對孔徑800萬像素的廣角鏡頭。該鏡頭由1片非球面玻璃鏡片，3片非球面塑料鏡片,1片濾光鏡片與1片保護(hù)玻璃構(gòu)成。鏡頭光圈值F為2.45，視場角2為68。，焦距為4.25mm，后工作距離為0.5mm。米用APTINA公司的MT9E013型號800萬像素傳感器，最大分辨率為3264X2448，最小像素為1.4陽1。設(shè)計(jì)結(jié)果顯示：各視場的均方根差（RMS）半徑小于1.4皿!,在奈奎斯特頻率1/2處大多數(shù)視場的MTF值均大于0.5,畸變小于2%,TV畸變

2、小于0.3%。關(guān)鍵詞:手機(jī)鏡頭；光學(xué)設(shè)計(jì)；800萬像素；Zemax引言手機(jī)鏡頭的研發(fā)工作始于20世紀(jì)90年代，世界上第一款照相手機(jī)就是由夏普J(rèn)PHONE（現(xiàn)在的日本沃達(dá)豐）在2001年推出白JSH04手機(jī)，它只搭載了一個11萬像素的COMS數(shù)碼相機(jī)鏡頭。隨后各大手機(jī)知名制造廠商紛紛開始研發(fā)手機(jī)攝像功能。2003年5月22日夏普制造了100萬素的JSH53，目前照相手機(jī)的市場占有率幾乎就是100%，特別就是帶有高像素2M、3M、5M、8M的鏡頭就成為鏡頭研發(fā)的熱點(diǎn)1。目前800萬像素的手機(jī)市場占有率還不就是太多，但隨著人們對高端手機(jī)的需求量越來越大,800萬像素手機(jī)肯定就是主流趨勢。鑒于此，在選

3、用合理初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化出了一款800萬像素的手機(jī)鏡頭。1 感光器件的選取感光器件有CCD（電荷耦合器件）與CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）兩種。CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比于CCD來說要低一些，到目前為止，大多數(shù)消費(fèi)級別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為感光元件；CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像鏡頭上，目前隨著CMOS技術(shù)的日益成熟，也有一些高端數(shù)碼產(chǎn)品使用CMOS器件。CMOS相對于CCD有很多優(yōu)點(diǎn)，比如價格低、集成化程度高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低、無光暈、高讀出速率等6。所以很多手機(jī)生產(chǎn)商都采用CMOS器件作為手機(jī)鏡頭的圖像傳感器。目前CMOS芯片的尺寸越做越小，相應(yīng)的像素

4、尺寸也越來越小，分辨率反而越來越高?，F(xiàn)在國際上CMOS生產(chǎn)廠家主要有Aptina、Omnivision、STMicro、Toshiba等，本文采用Aptina公司的MT9E013型號7.94mm(l/3.2inch)，該款傳感器采用超低功耗技術(shù)，待機(jī)狀態(tài)消耗功率小于15心，在最高分辨率情況下幀速率為15fps時消耗功率為320mWoMT9E013的最高分辨率為3264(犁)X2448(犒),實(shí)際像素值為7990272，其最小像素尺寸為1.4XI.4，有效感光元件對角線尺寸為5.71mm，由此可得半視場大小為2.855mm。為了防止加工裝配時的誤差導(dǎo)致像面的上下偏轉(zhuǎn)，本設(shè)計(jì)取半視場大小為2.86

5、7mm。即一個空間周期至少有2個像素，故此CMOS器件所要搭配的光學(xué)鏡頭需要能解析1000/(2X1.4)lp/mm=3581p/mm的空間頻率12 設(shè)計(jì)指標(biāo)市場上主流500萬手機(jī)鏡頭的視場角大約為60。，光圈值為2.8，鏡頭總長小于1cm正像素手機(jī)由于傳感器件的增大導(dǎo)致像差矯正較為困難，往往都就是采用小相對孔徑，這樣會導(dǎo)致成像光照度不足，成像質(zhì)量不理想。本鏡頭的視場角達(dá)到了68。，達(dá)到了廣角物鏡的要求2，光圈值為2.45，具體參數(shù)如表1所示3 設(shè)計(jì)思路4 .1材料選取光學(xué)塑料就是一種透明的非晶體有機(jī)高分子聚合物，它具有透光性好，質(zhì)量輕，成本低，加工簡單等優(yōu)點(diǎn)，但就是它也有很多缺點(diǎn)，比如折射率

6、可靠性差，膨脹系數(shù)大，表面硬度低，耐熱性耐溶性差2。一般手機(jī)鏡頭為了考慮成本多數(shù)選用塑料材料，本鏡頭為了讓成像效果更穩(wěn)定，耐熱性耐溶性更好，在第一面鏡片上選用NLAK34，其折射率與阿貝數(shù)分別就是1.729與54.5，第二、四面鏡片選用聚碳酸酯(POLYCARB),其折射率與阿貝數(shù)分別就是1.585與29.9第三面鏡片選用日本ZEONEX公司的E48R材料,其折射率與阿貝數(shù)分別就是1.531、56.0，第五面鏡為K9的濾光片，濾掉(700nm1000nm)的近紅外光，第六面為K9的保護(hù)玻璃，其折射率與阿貝數(shù)分別就是1.516與64.103.2初始結(jié)構(gòu)選取一個好的鏡頭離不開一個合適的初始結(jié)構(gòu)，如

7、果初始結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)，再經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)者也完成不了設(shè)計(jì)任務(wù)。初始結(jié)構(gòu)的選擇有好多種，可以通過設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)利用高斯光學(xué)原理創(chuàng)造一個初始結(jié)構(gòu)，但這種方法計(jì)算繁瑣并且對設(shè)計(jì)者的像差理論知識與經(jīng)驗(yàn)要求較高，除此之外也可以通過查閱手冊或者查詢相關(guān)專利來獲取初始結(jié)構(gòu)，這種方法比較簡單方便，而且能達(dá)到理想的設(shè)計(jì)需求。800萬像素手機(jī)結(jié)構(gòu)無非就是4P、1G3P與2G2P，本鏡頭采用的就是1G3P正負(fù)正負(fù)”結(jié)構(gòu)，初始結(jié)構(gòu)參考了視場與光圈與本設(shè)計(jì)要求相當(dāng)?shù)拿绹鴮＠?，其視場?為68°，光圈值為2.45，光學(xué)結(jié)構(gòu)長度7mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由6片鏡片組成，第一片鏡為玻璃材質(zhì)，二、三、四片為塑料材質(zhì)，第五第六

8、片為玻璃載薄片，孔徑光欄設(shè)置在第一片鏡前。3.3優(yōu)化過程3.3.1 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CMOS分辨率的限制，照相物鏡所成的像無須象目鏡系統(tǒng)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(shù))來衡量系統(tǒng)的成像質(zhì)量3。手機(jī)鏡頭的分辨率輦摘應(yīng)大于CMOS器件的分辨率輦?cè)?3581p/mm,所以手機(jī)物鏡所允許的彌散斑半徑3應(yīng)為Ad=(1.51.2)/NL(1)假設(shè)NL=NR=3581p/mm，代入公式(1)可得Ad=4.2即3.4,也就就是像面

9、上彌散斑半徑最大不能大于4.2m0手機(jī)鏡頭對于畸變有嚴(yán)格要求，一般控制在2%3%內(nèi)，倍率色差也應(yīng)控制在衍射極限以內(nèi)。把初始數(shù)據(jù)輸入到Zemax中，發(fā)現(xiàn)7種像差都很大，其軸上點(diǎn)視場彌散斑均方根(RMS)半徑為12皿1,軸外點(diǎn)有的甚至達(dá)到了19皿1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于手機(jī)鏡頭允許的彌散斑直徑，如圖2所示。3.3.2 優(yōu)化思路由于采用了非球面，這樣大大增加了系統(tǒng)的自由度，理論上可以優(yōu)化到無數(shù)階，但考慮到加工成本與技術(shù)的限制，第一面鏡優(yōu)化到10階，第二、三、四面鏡優(yōu)化到12階。優(yōu)化步驟可分為3步：1 ）把所有透鏡的曲率半徑，厚度，間隔，非球面系數(shù)設(shè)置為可變量，在Zemax中加入焦距，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長度限制條件，各個初

10、級像差，主光線出射角與Zemax默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)（評價函數(shù)選擇PTV+SpotRadius+Chief）等限制參數(shù)，進(jìn)行初步優(yōu)化。2 ）通過改變各個參數(shù)的權(quán)重并加入高級像差參數(shù)可得到更好的像質(zhì)，比減少高級像差，如果高級像差不能矯正，則可以嘗試換其她的玻璃來優(yōu)化，也可以通過手動微調(diào)來反復(fù)優(yōu)化，這樣有可能得到更優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)3 ）最后把一些像差的權(quán)重設(shè)置為0，最好只加入結(jié)構(gòu)限制的參數(shù)與默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也可以通過加入MTFS、MTFT參數(shù)等使MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）進(jìn)一步提高，最終達(dá)到各個像差平衡。優(yōu)化后鏡頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。光學(xué)總長度為7mm，焦距與后工作距離分別為425mm與0.5mm，視場為68

11、°，像高2.867X2=5.734mm，略大于CMOS的對角線5.7mm,主光線最大出射角（。11人）小于25°，滿足CMOS耦合的條件。4.1光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）就是能全面評價一個光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，它就是在光學(xué)設(shè)計(jì)完成后，不需要進(jìn)行試制就能比較具體了解光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際成像能力。此鏡頭分辨率要達(dá)到Nyqu1st（奈奎斯特）采樣頻率，即最大分辨率為3581p/mm。對于照相鏡頭，0.707視場以內(nèi)的區(qū)域就是主要成像區(qū)域，對于0.707范圍以外視場像質(zhì)允許一定程度的下降，如圖4所示。由圖4可以瞧出，在1/2奈奎斯特采樣頻率1751p/mm處，大部分市場的MTF

12、值都大于0.45，在2851p/mm處全視場的MTF值都大于0.12,0.707視場的MTF值大于0.25，在3581p/四處。.707視場的MTF值均大于0.15，滿足照相系統(tǒng)的MTF閾值40由圖5可見，在801p/mm與1001p/mm處MTF值分別大于O.7與0.6。由圖6可瞧出，所有視場像面上的彌散斑基本上都在衍射極限之內(nèi)，并且全視場RMS（均方根差）都小于1.5皿!,滿足彌散斑半徑不大于4.2陽1的條件。1.3 場曲與畸變場曲反應(yīng)像面的彎曲程度，對像質(zhì)有很大的影響，由圖7可知，場曲矯正在0.03mm范圍內(nèi)，完全滿足設(shè)計(jì)要求，由圖7可瞧出，畸變矯正在2%以內(nèi)，也符合設(shè)計(jì)要求。）naUB

13、MlVBa1.4 色差與球差色差分為軸向色差與倍率色差，由圖8可知，軸向色差小于20pm,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，垂軸色差最大為0.6pm，也符合要求，球差在本鏡頭中很小，完全符合要求。1.5 相對照度對于手機(jī)照相光學(xué)系統(tǒng)來說，一般相對照度越大越好，隨著視場的增大，將導(dǎo)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0.5即可。在本系統(tǒng)中，由于具有大相對孔徑，在全視場相對空間為0.45,雖沒有達(dá)到0.5的要求，但也能滿足拍攝需要，如圖9所示。O 9 8 7 6 5 4 3 IO.0sO.0.0.0,0.弼要占年陋01111*1*J03,46510.213.61720

14、423K27.230654y視場*)相對照度Eig.9Rtduti'keillunitnutk)n5 公差分析好的光學(xué)系統(tǒng)不僅要有良好的像質(zhì)與結(jié)構(gòu)指標(biāo)，更要考慮到現(xiàn)代加工工藝水平，加工工藝水平?jīng)Q定了系統(tǒng)公差的大小，所以在設(shè)計(jì)階段要充分考慮到系統(tǒng)的公差大小。如果系統(tǒng)容忍的公差很小，就有可能就超過現(xiàn)代加工工藝，最終導(dǎo)致加工失敗。非球面玻璃與塑料鏡片可以采用模壓成形技術(shù)，模壓成形技術(shù)的光學(xué)元件直徑為2mm50mm，直徑公差±0.01mm，厚度為0.4mm25mm，厚度公差為±0.01mm，面形精度可達(dá)到1.5入。經(jīng)過對系統(tǒng)公差進(jìn)行分析，確定設(shè)計(jì)公差都在加工工藝能達(dá)到的范圍內(nèi)。6 結(jié)論通過對鏡頭的優(yōu)化，得到了一款像質(zhì)較