800 万像素手机镜头的zemax设计

800 万像素手机镜头的zemax设计2012.03.13 评论关闭 4,757 views

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, 1引言

, 2, 感光器件的选取

, 3, 设计指标

, 4, 设计思路

, 4.1,(, 材料选取

, 4.2,(, 初始结构选取

, 4.3,(, 优化过程

, 5, 设计结果

, 5.1,(, 光学调制传递函数

, 5.2,(, 点列图

, 5.3,(, 场曲和畸变

, 5.4,(, 色差和球差

, 5.5,(, 相对照度

, 6, 公差分析

, 7, 结论

随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大，利用,,,,,光学设计软件设计一款大相对孔径,,,万像素的广角镜头。该镜头由,片非球面玻璃镜片，,片非球面塑料镜片，,片滤光镜片和,片保护玻璃构成。镜头光圈值,为,(,,，视场角,ω为,,?，焦距为,(,,,,，后工作距离为,(,,,。采用,,,，,, 公司的,,,,,,,型号,,,

万像素传感器，最大分辨率为,,,,×,,,,，最小像素为,(,μ,。设计结果显示:各视场的均方根差(,,,)半径小于,(,μ,，在奈奎斯特频率,,,处大多数视场的,,,值均大于,(,，畸变小于, ,，,, 畸变小于,(, ,。关键词:手机镜头;光学设计;,,,万像素;,,,,,

引言

手机镜头的研发工作始于,,世纪,,年代，世界上第一款照相手机是由夏普,,,,,,(现在的日本沃达丰)在,,,,年推出的,,,,,手机，它只搭载了一个,,万像素的,,,,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。,,,,年,月,,日夏普制造了,,,万素的,,,,,，目前照相手机的市场占有率几乎是,,,,，特别是带有高像素,,、,,、,,、,, 的镜头就成为镜头研发的热点,,,。目前,,,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，,,,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,,,万像素的手机镜头。

, 感光器件的选取

感光器件有,,,(电荷耦合器件)和,,,,(互补金属氧化物半导体)两种。,,,,器

件产生的图像质量相比于,,,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,,,作为感光元件;,,,,感应器则作为低端产品

应用于一些摄像镜头上，目前随着,,,,技术的日益成熟，也有一些高端数码产品使用,,,,器件。,,,,相对于,,,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,,,。所以很多手机生产商都采用,,,,器件作为手机镜头的图像传感器。目前,,,,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,,,,生产厂家主要有,,,,,,、,,,,,,,,,,、,,,,;,,、,,,,,,,等，本文采用,,,,,,公司的 ,,,,,,, 型号 ,(,,,,(,,,(,,,;,)，该款传感器采用超低

功耗技术，待机状态消耗功率小于,,μ,，在最高分辨率情况下帧速率为,,,,,时消耗功率为,,,,,。,,,,,,,的最高分辨率为,,,,(犎)×,,,,(犞)，实际像素值为,,,,,,,，其最小像素尺寸为,(,μ,×,(,μ,，有效感光元件对角线尺寸

为,(,,,,，由此可得半视场大小为,(,,,,,。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,(,,,,,。

即一个空间周期至少有,个像素，故此,,,,器件所要搭配的光学镜头需要能解析,,,,,(,×,(,),,,,,,,,,,,,,, 的空间频率,,,

, 设计指标

市场上主流,,,万手机镜头的视场角大约为,,?，光圈值为,(,，镜头总长小于,;,，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,,?，达到了广角物镜的要求,,,，光圈值为,(,,，具体参数如表,所示, 设计思路

,(, 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,,,。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 , ,,,,,，其折射率和阿贝数分别是,(,,,和,,(,，第二、四面镜片选用聚碳酸酯(,,,,,,,,)，其折射率和阿贝数分别是,(,,,和,,(,，第三面镜片选用日本,,,,,,公司的 ,,,, 材料，其折射率和阿贝数分别是,(,,,、,,(,，第五面镜为,,的滤光片，滤掉 (,,,,,,,,,,,,)的近红外光，第六面为,,的保护玻璃，其折射率和阿贝数分别是,(,,,和,,(,。 ,(, 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。

,,,万像素手机结构无非是,,、,,,, 和,,,,，本镜头采用的是,,,,“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,ω为,,?，光圈值为,(,,，光学结构长度,,,，结构如图,所示。由,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。

,(, 优化过程

,(,(, 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,,,,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,,,。

手机镜头的分辨率犖犔应大于,,,,器件的分辨率犖犚,,,,,,,,,，所以手机物镜所允许的弥散斑半径,,,应为Δd,(,(,,,(,),NL (,)

假设NL,NR,,,,,,,,,，代入公式(,)可得Δd,,(,μ,,,(,μ,，也就是像面上弥散斑半径最大不能大于,(,μ,。手机镜头对于畸变有严

格要求，一般控制在,,,,,内，倍率色差也应控制在衍射极限以内。