机构简洁的手机镜头设计

1引言近年来，市场上越来越追求使用CCD，CMOS等图像感测元件，并且应用于移动电话、笔记本电脑等便携式电子装置中的照相装置。

该类照相装置需安装于有限的装配空间内，故体积较小，则安装于其内的光学镜头模块也应具有较小体积，并期望重量较轻。

较早光学镜头设计中，一般采用球面玻璃透镜，重量较大，且其抗冲击性较差。

此外，球面镜不可避免带来了球差等像差，需要多个透镜予以平衡，故其总长较长，重量较大，进而增加了成本，如美国专利5493449[1]中镜头的4个透镜均采用玻璃材质，且折射率均较大，因此镜头重量较大，制造成本较高。

其焦距为10mm，后焦距达到8.437mm，总长为13.37mm。

为了减小成像系统总长和体积，镜头设计中出现了仅包括一个或两个透镜元件的简洁式手机镜头，如美国专利7433291[2]和7317585[3]，但是该类镜头很难实现较好的成像性能及较高的分辨率。

单透镜系统仅可以匹配CIF等级的图像感测元件，其分辨率仅为11万像素左右；双透镜系统可以匹配VGA等级的图像感测元件，其分辨率也仅有30万像素左右。

随着CCD 技术的不断发展，现在已出现Mega等级的图像感测元件，随着CMOS像元尺寸从先前的5m m迅速发展到现在的1.4m m，将500万像素的镜头集成到手机上已不是问题。

为了充分使用高分辨率的图像感测元件结构简洁、高分辨率手机镜头的设计Design of a Compactness and High Resolution Lens System for MobilePhone摘要讨论了结构简洁、高分辨率的手机镜头的光学设计问题，对现有的手机光学系统进行了总结和研究，利用光学设计软件Code V，结合非球面透镜理论，设计出可用于可见光波段且符合结构简洁、成像品质高、生产成本低要求的手机定焦镜头。

镜头长度较短，采用非球面塑料透镜，生产成本较低，成像性能良好，满足使用要求。

关键词光学设计；手机镜头；非球面；结构简洁；高分辨率Abstract The optical design for a compact and high resolution lens system for mobile phone is discussed.The conventional mobile phone lens systems are summarized and bining the non-sphericalprinciples,a fixed-focus lens with compact structure,excellent optical performance and low cost isdesigned with Code V.With aspherical plastic lens and short length,the production cost can bedecreased.The lens has good performance and meets practical requirements.Key words optical design;lens system for mobile phone;aspheric surface;compactness;high resolution中图分类号TB851.1doi：10.3788/LOP20094612.0080的分辨能力，现有技术中常采用3透镜元件或4透镜元件，如美国专利20070091470[4]，20080180813[5]及20080043346[6]。

文献[7]设计了500万像素手机镜头，镜头的F数为2.8，视场角为65°，光学总长为5.8mm，应用于手机里稍偏大，畸变小于2%，仍有提升的空间。

现有手机镜头中部分采用非球面透镜[8]。

相比球面镜，非球面镜边缘较薄，透镜中央处的光线和边缘处的光线可以聚焦到同一位置，可有效减小球差，还可以提高系统的相对孔径，扩大视场角，并可通过调整非球面系数来提高光学性能和降低镜片数量。

随着精密机械和加工技术的不断演进，如今可利用计算机数控单点金刚石车削技术、高精密数控抛光技术、超精密加工技术、塑料射出技术、玻璃模造技术及激光微加工技术来完成非球面透镜的制造[9~13]。

此外，非球面玻璃透镜的制造成本较高，且玻璃材质比塑料材质重量大，而塑料透镜的吸水率高于玻璃透镜的吸水率。

当湿度变化较快时，塑料透镜吸收水的不均匀分布会造成折射率的不一致，因此通常采用吸水率不高于0.7%的塑料材质，但是大多数塑料透镜的光学性质仍然容易受到外界环境的影响。

另外，光学塑料的硬度要比光学玻璃的小，所以光学塑料透镜的抗划伤性较差，这也影响成像的精确度。

现有技术中，CIF等级的镜头常采用塑料材质，VGA及1 Mega等级的镜头常采用塑料、玻璃材质的组合结构或塑料、玻璃混合材质，而2Mega及以上等级的镜头一般采用塑料、玻璃材质的组合结构。

如美国专利20080043346[6]中的镜头就完全采用塑料材质，虽实现了较高的分辨率，但是受到外界环境影响较大。

另外，现有镜头设计中把孔径光阑置于透镜之间，各透镜关于光阑在一定程度上对称，类似双高斯透镜的设计容易校正各种像差，如美国专利7251083[14]中的镜头，其光阑置于第一、二透镜之间，可以有效限制各透镜尺寸的增加，特别是光阑后第三透镜尺寸的增加。

但该类镜头必须确保较长的出瞳距离，故很难减小镜头总长，且很难保证光阑在透镜中间的精确位置，所以现有镜头设计中也考虑把光阑置于物方位置上，如美国专利20080043346[6]和7330318[15]，但是镜头相对于光阑排列得不对称，故很难补偿色差和彗差，宽视场镜头中该趋势更显著。

近来，为了在保持镜头良好成像性能的同时减小系统总长和重量，有些镜头的后焦距被设计得太小，如美国专利7385770[16]，其后焦距为0.41mm，这就存在远心光路性能[17]问题。

这类镜头有效孔径效率较小，成像边缘部分易产生阴影。

而美国专利7388721[18]中的透镜系统，在保持后焦距为0.9779mm的同时，确保了良好的远心光路性能。

但是传统镜头在保证一定后焦距的同时，往往增大了系统总长。

该镜头总长达到了7.06mm，较难整合到便携式装置中。

本文选择美国专利20080043346为系统初始结构，结合上述各镜头结构优点，设计出一个简洁、成像品质高的优化结构，系统的重量及生产成本较低，其抗冲击性较强，并且减小了受外界因素的影响，增大了系统的相对孔径及视场角，实现了较高的分辨率，另外确保了良好的远心光路性能，有效避免了轴外物点成像光束渐晕现象的产生，即消除了成像边缘部分的阴影。

2优化结构该优化镜头的光学模组及相关参数值如图1和表1所示，其特征在于：第一透镜为凸向物方双面非球面正透镜；第二透镜为双凹双面非球面负透镜；第三透镜为凸向物方双面非球面正透镜；第四透镜为双凹双面非球面正透镜。

透镜表面表面类型半径r/mm厚度d/mm材料通光口径/mm 物面球面∞∞光阑球面∞0.1 1.5020 2非球面 2.224160.99585E48R 1.6252 3非球面-4.046620.10932 1.7258 4非球面-14.2150.56757PC 1.7570 5非球面 2.2127850.37582 2.1306 6非球面37.71960.72031E48R 2.6420 7非球面-1.6516 1.09272 2.7392 8非球面-1.66440.64897E48R 3.2480 9非球面19.87860.11996 4.5848 10球面∞0.3K9 4.6864 11球面∞0.1 4.8164像面球面∞0 4.8806表1系统结构参数为克服传统光学镜头重量稍大及抗冲击性差的缺点，该系统中4块透镜均采用塑料材质，其优点是制造过程简单，制造成本低，装配成本也较低，因为许多注模塑料制成的透镜元件具有精确的弯曲度和高度磨光的表面以及成型过程要求低，而玻璃材质透镜元件必须采用独立的注模、磨光来完成。

为克服塑料镜头受外界影响较大的缺点，该优化系统中第一、三、四透镜优先采用E48R 型号的塑料材料，其折射率为1.53116，色散系数为56.04。

第二透镜采用的是PC 塑料材质。

平行板是一平板玻璃，用以保护图像感测元件的成像面，其材质优选K9玻璃，折射率和色散分别为1.51633和64.1。

另外，在平行板的至少一个表面上镀覆一层红外截止滤膜，以滤除来自物体反射光线中的红外线，从而提高成像品质。

光阑位于物方位置上，置于第一透镜前。

成像面的图像感测元件通常为CCD 或者CMOS ，鉴于成本，通常采用CMOS 。

该手机镜头的4块透镜均为以光轴对称的非球面透镜，其可通过调整非球面系数来提高镜头成像性能。

其中8个非球面的设计均需满足优选的非球面表达式=cr 21+1-（1+k ）c 2r 2姨+a 1r 4+a 2r 6+a 3r 8+a 4r 10+a 5r 12+…,（1）其中为以各非球面与光轴交点为起点，垂直光轴方向的轴向值，即镜面深度值。

因为所选透镜的形状均为轴对称式透镜，故该非球面公式均取偶次项；c =1/R ，其中R 为镜面中心曲率半径，c 为镜面中心曲率，r 为镜面中心高度，a 1,a 2,a 3,a 4,a 5为非球面系数，k为二次曲面系数。

应用式（1）时，其二次曲面系数k 值及非球面系数a 1,a 2,a 3,a 4,a 5的数值可参照表2。

具体优化实例中，使用的图像感测元件CMOS 有效面积为4.0mm ×3.0mm ，对角线长度为5mm 。

系统有效焦距f =3.9mm ，相对孔径为F /2.6，全视场角为64°，景深为700mm 到无穷大，系统总长为5.03mm ，可较好地整合在移动电话中。

此外，我们在保证系统总长不增大的前提下，运用光学设计软件Code V 对系统各面曲率半径及间隔进行优化，虽然系统的后焦距较小，但孔径光阑置于第一透镜的物方曲面较近距离处，故全孔径光线能够通过具有主光焦度第一透镜的物方曲面，以至从物方入射的光线得到较大会聚，减小了主光线入射到像面的角度（约20°），一定程度上改进了系统的远心光路性能，故提高了边缘视场照度。

对于拍照手机镜头，相对照度越大越好，但是随着视场的增大，相对照度会不断降低，一般认为相对照度大于50%即可。

如果照度太低，边缘视场的光线会较暗，画面容易形成暗角，人眼很容易觉察，从而影响图片的整体一致性。

从图2中可以看出相对照度大于50%，满足要求。

3成像性能第一透镜和第二透镜采用非球面，可以改善光学表2系统二次曲线常数及非球面系数表面k a 1a 2a 3a 4/10-3a 5/10-3第1非球面-0.03798-0.0200260.008062-0.0327第2非球面-22.2091-0.1493590.064559-0.04912第3非球面64.64875-0.1631890.075587-0.03321第4非球面-0.2442-0.0401440.029785-0.00601第5非球面685.4150.0172060.0025895-0.00272第6非球面-3.6824-0.0519950.0267566-0.0148067.6594-2.5658第7非球面-0.374640.1228577-0.07817840.028217-3.7048-0.0814第8非球面64.082260.0458018-0.0162608-1.5657×10-31.116-0.1143图1优化系统结构图成像性能。