300万像素手机镜头设计_刘茂超

(1. In stitu te of Pho ton ics & Pho to T echno logy, N o rthw est U n iversity, X i′an 710069, Ch ina; 2. D ivision V II of B YD CO. , L td. , Shenzhen 518111, Ch ina;
刘茂超1, 张 雷2, 刘沛沛1, 邸 兴3, 白晋涛1
(1. 西北大学 光子学与光子技术研究所, 陕西 西安 710069; 2. 比亚迪股份有限公司 第七事业部, 广东 深圳 518111; 3. 西北大学 物理系, 陕西 西安 710069)
摘 要: 设计一种300 万像素的手机镜头。该镜头由3 片塑料非球面透镜和1 个红外滤光片组成, 采用三星公司的一款 300 万像素0. 635 cm (1 4 inch) CM O S 作为该镜头的图像传感器, 像素颗 粒大小为1. 75 Λm , 其分辨率极限为285 lp mm , 即为奈奎斯特频率。镜头的光圈值F 为2. 85, 视 场2Ξ 为62°。该镜头有较好的成像质量, 在奈奎斯特频率1 2 处绝大部分视场的M T F 值大于0. 5, 波前均方差 (RM S w avefron t erro r) 小于 0. 14Κ (Κ为波长) , 最大畸变为- 0. 2%。 关键词: 光学设计; 手机镜头; 300 万像素; 非球面透镜; M T F; ZEM A X
目 前, 数码相机的图像传感器仍然被CCD 所 掌控, 而在可拍照手机方面主要应用CM O S 图像 传感器, 虽然其主要是V GA , 但 130 万像素, 200 万 像素, 300 万像素等高像素的CM O S 也已逐步推向 市场。
虽然 CCD 技术已经能够提供较好的探测性 能, 但费用高、制造商有限等因素制约了CCD 市场 份额的扩大。相比之下, CM O S 探测器具有集成度 高、体积小、质量轻、功耗低、价格低、无光晕、高读 出速率等CCD 图像传感器不具备的优点。近年来, 随着亚微米和深亚微米工艺技术的发展和器件结 构的不断改进, CM O S 图像传感器的图像质量已 明显优于CCD 的图像质量, 因而可以预期在不久 的将来它将会在许多领域取代CCD [123 ]。
收稿日期: 2007212226; 修回日期: 2008201217 作者简介: 刘茂超 (1983- ) , 男, 山东金乡人, 西北大学光子学与光子技术研究所硕士研究生, 主要从事光学设计与固体激 光器的研究。 E2m a il: lium c2002@yahoo. cn
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第 29 卷 第 6 期 2008 年 11 月
应用光学
V o l. 29
Jou rnal of A pp lied O p tics
N ov.
Nபைடு நூலகம்o. 6 2008
文章编号: 100222082 (2008) 0620944205
300 万像素手机镜头设计
图 2 M T F 曲线 F ig. 2 Curves of ploychroma tic d iffraction M TF
3. 2 优化过程 用ZEM A X 进行优化, 使得各种参数达到我们
的要求。 其优化过程如下: 1) 首先将各个透镜的厚度、间距、半径、曲率、
偶次非球面系数设成可变量; 2) 由于是手机镜头, 其尺寸受到限制, 因此我
由于本文采用的是0. 635 mm CM O S 传感器, 像素的颗粒尺寸是1. 75 Λm。要想使设计的镜头与 该CM O S 相匹配, 必须满足:
CM O S
像素尺寸=
1 镜头的分辨率×2
即该镜头的分辨率必须达到 285 lp mm 。 [7]
3 设计过程
3. 1 设计的思路 选择一个初始镜头, 对其进行不断的优化设
计, 使其达到我们的要求。 初始镜头的光圈值选择 为 F 2. 85, 总长度为 5. 07 mm , 其结构如图 1 所示。 从图1 可以看出, 设计采用4 个镜片, 其中前3 个采 用非球面塑料。第 1 和第 3 个镜片的材料为 480R , 第 2 个镜片采用的材料为 POL YCA RB , 第 4 个为 B K7 材质的滤光片, 滤掉 (700～ 1 100) nm 的近红 外光, 厚度为0. 3 mm。480R 和POL YCA RB 在550 nm 处的折射率和阿贝系数分别为 1. 535, 55. 95 和 1. 585, 29. 91。
引言
2000 年 11 月, 夏普联合日本当时第三大移动 运营商J 2p ho to 推出了全球第一款照相手机, 像素 为 11 万。 这部划时代的手机诞生自今, 照相手机 受到了用户极大的喜爱, 得到了迅猛的发展。 手机 厂商纷纷推出各式各样的照相手机, 其像素也从开 始的 11 万像素, 发展到现在的 30 万像素、130 万像 素、200 万像素[1]。一些商家也推出300 万像素甚至 更高像素的手机, 但是并不是所有的高像素手机都
向商家说的那样, 其高像素是通过软件的插值得到 的, 并非实际有效像素。鉴于此, 本文设计了一款实 际有效像素可达 300 万的手机镜头。
1 感光器件的选取
不论是照相手机还是数码相机, 除了要有好的 光学镜头以外, 感光器件的好坏也是影响其成像质 量的一个极其重要因素。CCD 和CM O S 是目前最 常用的2种图像传感器, 被广泛地应用于数码相
的大小。空间频率是在像面上每mm 内黑白相间的 性[8]。 对于本次设计我们采用偶次非球面。
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2. 2 调制传递函数 (M T F )
的形状可小型化, 也可减轻系统质量等; 同时还可
M TF 可以叙述为通过镜头使标准标板 (cha rt) 成像时, 表示一定空间频率反差传递比率
以更好地消除球差、彗差、像散、场曲, 减少光能损 失, 从 而 获 得 高 质 量 的 图 像 效 果 和 高 的 光 学 特
们在 ZEM A X 的 M ER IT FU N CT ION ED ITO R 下, 用 TO TR 操作数对镜头的总长度进行限制, 使 其小于 5 mm ;
3) 用R EA Y 操作数对入射到第 10 个面即像 面的光线进行控制, 以减小像差, 提高成像质量;
4) 用 RA ED 操作数对光线的出射角度进行 限制, 控制在 28°。 其目的是为了更好地和像面的 CM O S 耦合;
3. D ep a rtm en t of Physics, N o rthw est U n iversity, X i′an 710069, Ch ina)
Abstract: A m ob ile p hone len s a ssem b ly com po sed of 3 p la st ic a sp heric len ses and an IR filter w a s designed. T h is len s a ssem b ly ha s an excellen t im ag ing p erfo rm ance. Con sidering p roduct ion and co st, the p la st ic len s 480R w a s cho sen. T he 1 4 in 3 m ega2p ixel CM O S m ade by Sam sung w a s taken a s the im age sen so r of the len s a ssem b ly, w ho se p ixel size w a s 1. 75 Λm , lim it ing reso lu t ion w a s 285 lp mm , F 2num ber w a s 2. 85 and FOV w a s 62°. It s M T F in the m o st of FOV a t ha lf of N yqu ist frequency is h igher than 0. 5, RM S w avefron t erro r is less than 0. 14Κ and m ax im um d isto rt ion is - 0. 2%. Key words: op t ica l design; len s of m ob ile p hone; 3 m ega2p ixel cam era; a sp heric len s; M T F; ZEM A X
本文采用韩国三星公司的一款 300 万像素 CM O S 作 为 设 计 镜 头 的 配 套 传 感 器, 其 尺 寸 为 0. 635 mm (1 4 inch ) , 由于采用了 90 nm 的制造 工艺, 每个感光单元的尺寸下降到 1. 75 Λm。
线对数, 以每mm 若干线对表示 (1 p mm )。 通常, M T F 值随空间频率的上升而下降, 即一个镜头的 M T F 值越大越好,M T F 曲线包围的面积越大越 好, 偏离光轴的点在子午方向 (S) 和弧矢方向 (T ) 的M T F 值越接近越好[526 ]。
图 1 初始结构 F ig. 1 Pr imary structure
之所以采用非球面是因为和球面镜片相比, 非
F 2. 85, 视场 62°左右。同时控制好光线的出射角 球面可以提高系统的相对口径比, 扩大视场角, 在
度, 使其与后面CM O S 能更好地耦合。
提高光束质量的同时透镜数比球面构成的少, 镜头
应用光学 2008, 29 (6) 刘茂超, 等: 300 万像素手机镜头设计
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