zemax设计实例之手机镜头

2012.03.13 评论关闭 4,757 views 

随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大，利用Ｚｅｍａｘ光学设计软件设计一款大相对孔径８００万像素的广角镜头。该镜头由１片非球面玻璃镜片，３片非球面塑料镜片，１片滤光镜片和１片保护玻璃构成。镜头光圈值Ｆ为２．４５，视场角２ω为６８°，焦距为４．２５ｍｍ，后工作距离为０．５ｍｍ。采用ＡＰＴＩＮＡ 公司的ＭＴ９Ｅ０１３型号８００万像素传感器，最大分辨率为３２６４×２４４８，最小像素为１．４μｍ。设计结果显示：各视场的均方根差（ＲＭＳ）半径小于１．４μｍ，在奈奎斯特频率１／２处大多数视场的ＭＴＦ值均大于０．５，畸变小于２ ％，ＴＶ 畸变小于０．３ ％。
关键词：手机镜头；光学设计；８００万像素；Ｚｅｍａｘ

引言

手机镜头的研发工作始于２０世纪９０年代，世界上第一款照相手机是由夏普ＪＰＨＯＮＥ（现在的日本沃达丰）在２００１年推出的ＪＳＨ０４手机，它只搭载了一个１１万像素的ＣＯＭＳ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。２００３年５月２２日夏普制造了１００万素的ＪＳＨ５３，目前照相手机的市场占有率几乎是１００％，特别是带有高像素２Ｍ、３Ｍ、５Ｍ、８Ｍ 的镜头就成为镜头研发的热点［１］。目前８００万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，８００万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８００万像素的手机镜头。

１　感光器件的选取

感光器件有ＣＣＤ（电荷耦合器件）和ＣＭＯＳ（互补金属氧化物半导体）两种。ＣＭＯＳ器件产生的图像质量相比于ＣＣＤ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ＣＣＤ作为感光元件；ＣＭＯＳ感应器则作为低端产品应用于一些摄像镜头上，目前随着ＣＭＯＳ技术的日益成熟，也有一些高端数码产品使用ＣＭＯＳ器件。ＣＭＯＳ相对于ＣＣＤ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［６］。所以很多手机生产商都采用ＣＭＯＳ器件作为手机镜头的图像传感器。目前ＣＭＯＳ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ＣＭＯＳ生产厂家主要有Ａｐｔｉｎａ、Ｏｍｎｉｖｉｓｉｏｎ、ＳＴＭｉｃｒｏ、Ｔｏｓｈｉｂａ等，本文采用Ａｐｔｉｎａ公司的 ＭＴ９Ｅ０１３ 型 号 ７．９４ｍｍ（１／３．２ｉｎｃｈ），该款传感器采用超低功耗技术，待机状态消耗功率小于１５μＷ，在最高分辨率情况下帧速率为１５ｆｐｓ时消耗功率为３２０ｍＷ。ＭＴ９Ｅ０１３的最高分辨率为３２６４（犎）×２４４８（犞），实际像素值为７９９０２７２，其最小像素尺寸为１．４μｍ×１．４μｍ，有效感光元件对角线尺寸为５．７１ｍｍ，由此可得半视场大小为２．８５５ｍｍ。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２．８６７ｍｍ。
即一个空间周期至少有２个像素，故此ＣＭＯＳ器件所要搭配的光学镜头需要能解析１０００／（２×１．４）ｌｐ／ｍｍ＝３５８ｌｐ／ｍｍ 的空间频率［１］

２　设计指标

市场上主流５００万手机镜头的视场角大约为６０°，光圈值为２．８，镜头总长小于１ｃｍ，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６８°，达到了广角物镜的要求［２］，光圈值为２．４５，具体参数如表１所示

３　设计思路

３．１　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［２］。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 Ｎ ＬＡＫ３４，其折射率和阿贝数分别是１．７２９和５４．５，第二、四面镜片选用聚碳酸酯（ＰＯＬＹＣＡＲＢ），其折射率和阿贝数分别是１．５８５和２９．９，第三面镜片选用日本ＺＥＯＮＥＸ公司的 Ｅ４８Ｒ 材料，其折射率和阿贝数分别是１．５３１、５６．０，第五面镜为Ｋ９的滤光片，滤掉 （７００ｎｍ～１０００ｎｍ）的近红外光，第六面为Ｋ９的保护玻璃，其折射率和阿贝数分别是１．５１６和６４．１。

３．２　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。
８００万像素手机结构无非是４Ｐ、１Ｇ３Ｐ 和２Ｇ２Ｐ，本镜头采用的是１Ｇ３Ｐ“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２ω为６８°，光圈值为２．４５，光学结构长度７ｍｍ，结构如图１所示。由６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。

３．３　优化过程

３．３．１　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ＣＭＯＳ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［３］。
手机镜头的分辨率犖犔应大于ＣＭＯＳ器件的分辨率犖犚＝３５８ｌｐ／ｍｍ，所以手机物镜所允许的弥散斑半径［３］应为
Δd＝（１．５～１．２）／NL （１）
假设NL＝NR＝３５８ｌｐ／ｍｍ，代入公式（１）可得Δd＝４．２μｍ～３．４μｍ，也就是像面上弥散斑半径最大不能大于４．２μｍ。手机镜头对于畸变有严
格要求，一般控制在２％～３％内，倍率色差也应控制在衍射极限以内。
把初始数据输入到Ｚｅｍａｘ中，发现７种像差都很大，其轴上点视场弥散斑均方根（ＲＭＳ）半径为１２μｍ，轴外点有的甚至达到了１９μｍ，远远大于手机镜头允许的弥散斑直径，如图２所示。

３．３．２　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１０阶，第二、三、四面镜优化到１２阶。优化步骤可分为３步：
１）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Ｚｅｍａｘ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Ｚｅｍａｘ默认的优化函数（评价函数选择ＰＴＶ＋ＳｐｏｔＲａｄｉｕｓ＋Ｃｈｉｅｆ）等限制参数，进行初步优化。
２）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
３）最后把一些像差的权重设置为０，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 ＭＴＦＳ、ＭＴＦＴ 参数等使ＭＴＦ（调制传递函数）进一步提高，最终达到各个像差平衡。

４　设计结果

优化后镜头结构如图３所示。光学总长度为７ｍｍ，焦距和后工作距离分别为４．２５ｍｍ 和０．５ｍｍ，视场为６８°，像高２．８６７×２＝５．７３４ｍｍ，略大于ＣＭＯＳ的对角线５．７ｍｍ，主光线最大出射角（ＣＲＡ）小于２５°，满足ＣＭＯＳ耦合的条件。

４．１　光学调制传递函数

ＭＴＦ（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Ｎｙｑｕｉｓｔ（奈奎斯特）采样频率，即最大分辨率为３５８ｌｐ／ｍｍ。对于照相镜头，０．７０７视场以内的区域是主要成像区域，对于０．７０７范围以外视场像质允许一定程度的下降，如图４所示。由图４可以看出，在１／２奈奎斯特采样频率１７５ｌｐ／ｍｍ处，大部分市场的 ＭＴＦ值都大于０．４５，在２８５ｌｐ／ｍｍ处全视场的ＭＴＦ值都大于０．１２，０．７０７视场的 ＭＴＦ值大于０．２５，在３５８ｌｐ／ｍｍ处０．７０７视场的ＭＴＦ值均大于０．１５，满足照相系统的ＭＴＦ阈值［４］。由图５可见，在８０ｌｐ／ｍｍ和１００ｌｐ／ｍｍ处ＭＴＦ值分别大于０．７和０．６。

４．２　点列图

由图６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ＲＭＳ（均方根差）都小于１．５μｍ，满足弥散斑半径不大于４．２μｍ的条件。

４．３　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７可知，场曲矫正在０．０３ｍｍ范围内，完全满足设计要求，由图７可看出，畸变矫正在２％以内，也符合设计要求。

４．４　色差和球差

色差分为轴向色差和倍率色差，由图８可知，轴向色差小于２０μｍ，满足系统设计要求，垂轴色差最大为０．６μｍ，也符合要求，球差在本镜头中很小，完全符合要求。

４．５　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０．５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０．４５，虽没有达到０．５的要求，但也能满足拍摄需要，如图９所示。

５　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２ｍｍ ～５０ｍｍ，直径公差±０．０１ｍｍ，厚度为０．４ｍｍ～２５ｍｍ，厚度公差为±０．０１ｍｍ，面形精度可达到１．５λ。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。

６　结论

通过对镜头的优化，得到了一款像质较好的８００万像素的手机镜头，整体结构紧凑，透镜厚度均大于０．６ｍｍ，便于加工铸造。其焦距为４．２５ｍｍ，有较大的后工作距离（０．５ｍｍ），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１／２．４５，进光量是一般手机的１．３
倍［５］，这样保证了在光线不好情况下手机的拍摄效果。其光学总长为７ｍｍ，畸变小于２％，ＴＶ畸变小于０．３％，像面主光线出射角度小于２５°，像面８０％能量集中在２μｍ范围内。综合来说，此镜头满足实际生产要求。

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