zemax設(shè)計(jì)實(shí)例之手機(jī)鏡頭

1、 HYPERLINK http:/www.ylsnu/optical-design-of-8-mega-pixel-mobile-phone-camera/ o 800 萬(wàn)像素手機(jī)鏡頭的zemax設(shè)計(jì) zemax設(shè)計(jì)實(shí)例之手機(jī)鏡頭2012.03.13評(píng)論關(guān)閉4,757 views 隨著手機(jī)市場(chǎng)對(duì)高像素手機(jī)鏡頭的需求增大，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)一款大相對(duì)孔徑萬(wàn)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(hù)玻璃構(gòu)成。鏡頭光圈值為，視場(chǎng)角為，焦距為，后工作距離為。采用 公司的型號(hào)萬(wàn)像素傳感器，最大分辨率為，最小像素為。設(shè)計(jì)結(jié)果顯示：各視場(chǎng)的均方根差（）半徑小于，在奈奎斯

2、特頻率處大多數(shù)視場(chǎng)的值均大于，畸變小于 ， 畸變小于 。關(guān)鍵詞：手機(jī)鏡頭；光學(xué)設(shè)計(jì)；萬(wàn)像素；引言手機(jī)鏡頭的研發(fā)工作始于世紀(jì)年代，世界上第一款照相手機(jī)是由夏普（現(xiàn)在的日本沃達(dá)豐）在年推出的手機(jī)，它只搭載了一個(gè)萬(wàn)像素的數(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。年月日夏普制造了萬(wàn)素的，目前照相手機(jī)的市場(chǎng)占有率幾乎是，特別是帶有高像素、 的鏡頭就成為鏡頭研發(fā)的熱點(diǎn)。目前萬(wàn)像素的手機(jī)市場(chǎng)占有率還不是太多，但隨著人們對(duì)高端手機(jī)的需求量越來越大，萬(wàn)像素手機(jī)肯定是主流趨勢(shì)。鑒于此，在選用合理初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化出了一款萬(wàn)像素的手機(jī)鏡頭。感光器件的選取感光器件有（電荷耦合器件）和（互補(bǔ)金

3、屬氧化物半導(dǎo)體）兩種。器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比于來說要低一些，到目前為止，大多數(shù)消費(fèi)級(jí)別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用作為感光元件；感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像鏡頭上，目前隨著技術(shù)的日益成熟，也有一些高端數(shù)碼產(chǎn)品使用器件。相對(duì)于有很多優(yōu)點(diǎn)，比如價(jià)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。所以很多手機(jī)生產(chǎn)商都采用器件作為手機(jī)鏡頭的圖像傳感器。目前芯片的尺寸越做越小，相應(yīng)的像素尺寸也越來越小，分辨率反而越來越高。現(xiàn)在國(guó)際上生產(chǎn)廠家主要有、等，本文采用公司的 型 號(hào) （），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，在最高分辨率情況下幀速率為時(shí)消耗功率為。的最高分辨率為（犎

4、）（犞），實(shí)際像素值為，其最小像素尺寸為，有效感光元件對(duì)角線尺寸為，由此可得半視場(chǎng)大小為。為了防止加工裝配時(shí)的誤差導(dǎo)致像面的上下偏轉(zhuǎn)，本設(shè)計(jì)取半視場(chǎng)大小為。即一個(gè)空間周期至少有個(gè)像素，故此器件所要搭配的光學(xué)鏡頭需要能解析（） 的空間頻率設(shè)計(jì)指標(biāo)市場(chǎng)上主流萬(wàn)手機(jī)鏡頭的視場(chǎng)角大約為，光圈值為，鏡頭總長(zhǎng)小于，高像素手機(jī)由于傳感器件的增大導(dǎo)致像差矯正較為困難，往往都是采用小相對(duì)孔徑，這樣會(huì)導(dǎo)致成像光照度不足，成像質(zhì)量不理想。本鏡頭的視場(chǎng)角達(dá)到了，達(dá)到了廣角物鏡的要求，光圈值為，具體參數(shù)如表所示設(shè)計(jì)思路材料選取光學(xué)塑料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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但

5、是它也有很多缺點(diǎn)，比如折射率可靠性差，膨脹系數(shù)大，表面硬度低，耐熱性耐溶性差。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 ，其折射率和阿貝數(shù)分別是和，第二、四面鏡片選用聚碳酸酯（），其折射率和阿貝數(shù)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(shù)分別是、，第五面鏡為的濾光片，濾掉 （）的近紅外光，第六面為的保護(hù)玻璃，其折射率和阿貝數(shù)分別是和。初始結(jié)構(gòu)選取一個(gè)好的鏡頭離不開一個(gè)合適的初始結(jié)構(gòu)，如果初始結(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(gè)初始

6、結(jié)構(gòu)，但這種方法計(jì)算繁瑣并且對(duì)設(shè)計(jì)者的像差理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)要求較高，除此之外也可以通過查閱手冊(cè)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(jiǎn)單方便，而且能達(dá)到理想的設(shè)計(jì)需求。萬(wàn)像素手機(jī)結(jié)構(gòu)無非是、 和，本鏡頭采用的是“正負(fù)正負(fù)”結(jié)構(gòu)，初始結(jié)構(gòu)參考了視場(chǎng)和光圈與本設(shè)計(jì)要求相當(dāng)?shù)拿绹?guó)專利，其視場(chǎng)角為，光圈值為，光學(xué)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)如圖所示。由片鏡片組成，第一片鏡為玻璃材質(zhì)，二、三、四片為塑料材質(zhì)，第五第六片為玻璃載薄片，孔徑光欄設(shè)置在第一片鏡前。優(yōu)化過程像差矯正對(duì)于照相鏡頭，要求有較大的相對(duì)孔徑，還要有較大的視場(chǎng)。為了得到大視場(chǎng)除了消除位置色差、球差、彗差外，對(duì)像散、場(chǎng)曲、畸變及倍率色差也必須特別注意

7、。由于分辨率的限制，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?。茨芊直娴木€對(duì)數(shù)）來衡量系統(tǒng)的成像質(zhì)量。手機(jī)鏡頭的分辨率犖犔應(yīng)大于器件的分辨率犖犚，所以手機(jī)物鏡所允許的彌散斑半徑應(yīng)為d（）NL （）假設(shè)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(jī)鏡頭對(duì)于畸變有嚴(yán)格要求，一般控制在內(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)輸入到中，發(fā)現(xiàn)種像差都很大，其軸上點(diǎn)視場(chǎng)彌散斑均方根（）半徑為，軸外點(diǎn)有的甚至達(dá)到了，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于手機(jī)鏡頭允許的彌散斑直徑，如圖所示。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

8、，但考慮到加工成本和技術(shù)的限制，第一面鏡優(yōu)化到階，第二、三、四面鏡優(yōu)化到階。優(yōu)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(shù)設(shè)置為可變量，在中加入焦距，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度限制條件，各個(gè)初級(jí)像差，主光線出射角和默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)（評(píng)價(jià)函數(shù)選擇）等限制參數(shù)，進(jìn)行初步優(yōu)化。）通過改變各個(gè)參數(shù)的權(quán)重并加入高級(jí)像差參數(shù)可得到更好的像質(zhì)，比減少高級(jí)像差，如果高級(jí)像差不能矯正，則可以嘗試換其他的玻璃來優(yōu)化，也可以通過手動(dòng)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)）最后把一些像差的權(quán)重設(shè)置為，最好只加入結(jié)構(gòu)限制的參數(shù)和默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也可以通過加入 、 參數(shù)等使（調(diào)制傳遞函數(shù)）進(jìn)一步提高，最終達(dá)

9、到各個(gè)像差平衡。設(shè)計(jì)結(jié)果優(yōu)化后鏡頭結(jié)構(gòu)如圖所示。光學(xué)總長(zhǎng)度為，焦距和后工作距離分別為 和，視場(chǎng)為，像高，略大于的對(duì)角線，主光線最大出射角（）小于，滿足耦合的條件。光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)（調(diào)制傳遞函數(shù)）是能全面評(píng)價(jià)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，它是在光學(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（奈奎斯特）采樣頻率，即最大分辨率為。對(duì)于照相鏡頭，視場(chǎng)以內(nèi)的區(qū)域是主要成像區(qū)域，對(duì)于范圍以外視場(chǎng)像質(zhì)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(chǎng)的 值都大于，在處全視場(chǎng)的值都大于，視場(chǎng)的 值大于，在處視場(chǎng)的值均大于，滿足照相系統(tǒng)的閾值。由圖可

10、見，在和處值分別大于和。點(diǎn)列圖由圖可看出，所有視場(chǎng)像面上的彌散斑基本上都在衍射極限之內(nèi)，并且全視場(chǎng)（均方根差）都小于，滿足彌散斑半徑不大于的條件。場(chǎng)曲和畸變場(chǎng)曲反應(yīng)像面的彎曲程度，對(duì)像質(zhì)有很大的影響，由圖可知，場(chǎng)曲矯正在范圍內(nèi)，完全滿足設(shè)計(jì)要求，由圖可看出，畸變矯正在以內(nèi)，也符合設(shè)計(jì)要求。色差和球差色差分為軸向色差和倍率色差，由圖可知，軸向色差小于，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)照度對(duì)于手機(jī)照相光學(xué)系統(tǒng)來說，一般相對(duì)照度越大越好，隨著視場(chǎng)的增大，將導(dǎo)致出射主光線的角度也越來越大，這樣就會(huì)使相對(duì)照度下降，一般來說，全視場(chǎng)相對(duì)照度大于即可。在本系統(tǒng)中，由于具有大相對(duì)孔徑，在全視場(chǎng)相對(duì)空間為，雖沒有達(dá)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(xué)系統(tǒng)不僅要有良好的像質(zhì)和結(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。非球面玻璃和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 ，直徑公差，厚度為，厚度公差為，面形精度可達(dá)到。經(jīng)過對(duì)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)。結(jié)論通過對(duì)鏡頭的優(yōu)化，得到了一款像質(zhì)較好