高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真文献综述

文献综述

题目_高分辨率手机镜头的

光学设计与性能仿真

学生姓名洪鑫

专业班级电子科技13-01 学号************

院（系）物理电子工程学院

指导教师(职称)运高谦（讲师）

完成时间2017年5月30日

高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真

摘要：手机的数码相机功能指的是手机是否可以通过内置或是外接的数码相机进行拍摄静态图片或短片拍摄，作为手机的一项新的附加功能，手机的数码相机功能得到了迅速的发展。针对目前国内高像素手机镜头的快速发展，本文对整个手机镜头发展历史与现状以及发展趋势，设备原理及其制造材料加以了阐述。

关键字：手机镜头/发展/原理/未来

1.手机镜头的历史背景

手机拍照功能的日益发展带动了整个手机镜头产业的进步，作为手机产业中重要的一环，手机的拍照功能的竞争己经到了一个白热化的阶段，这就带动了手机镜头产业的飞速发展，市场规模和需求不断增大，手机对传感器的需求量，已经超过电子产品的整个市场，成为最大。

前几年，全球的手机出货量达到惊人的百亿部，这种格局的改变带动了整个产业的火热度，从而提升整体的业界水平。智能手机的高清晰度及其功能效果更能在同类行业里形成明显的价格优势，加上三星、苹果等大企业在各自品牌上，对拍照功能的优势进行品牌效应的手段，更使得手机镜头行的发展得到长足的进步。

镜头行业的高速发展，究其原因，其一源于移动终端的高速发展。平板电脑与智能手机目前的发展潜力非常大，成长最快，并且搭载了双镜头的模式。随着人生活水平的提高，加上3G/4G业务的广泛应用这种双镜头模式的技术提升，也是未来终端镜头技术发展的重点；其二，高像素手机的使用比例步步攀升，这种使用比例的迅速提高，促使镜头市场的规模也不断的增加，从iphone4搭载了500万像素的镜头开始以后快速发展指到现在普遍手机都会有1300万像素的手机镜头最高可达5000万像素以上。

近几年来，计算机自动控制技术得到广泛的发展与应用，镀膜技术，高精密数控加工技术的单点金刚石加工技术，新型材料的研发与使用，非球面技术的研

究与发展，以及图像处理的白平衡，灰度二进制算法等一些硬件、软件的发展，都对手机镜头的高像素、高像质的目标提供了强有力的支撑。

从2000年全球第一款支持拍摄功能的手机问世以来，这款搭载11万像素COMS镜头的手机成为了手机拍照技术上革命性的突破，在中国市场，诺基亚配带的30万像素的手机开辟了中国可拍照手机的新型之路，随后手机摄像头的像素持续发展，从30万、130万，逐渐发展到800万、1000万乃至1300万，到了2016年，国内1300万像素的镜头已经成为智能手机的标准配置，而5000万像素这种曾经不敢想象的高端镜头也逐渐被应用到智能手机上。

2.手机镜头的发展趋势

在2000年到2006可拍照手机的强势发展阶段，各种镜头的厂商比拼的是的像素，通过提升传感器的像素的个数来较多传达图片信息量来提升图像的质量，手机的像素也从10万像素迅速提升到千万级别，而在2010年以后，像素的增长速度已经放缓，至今1300万像素是主流产品。

在对图像质量要求的前提下，目前对手机机体轻薄化的趋势越来越明显，这在2006年至今的手机发展的机形上可以明显看出来。越来越薄的手机备受人们的喜爱，在市场所占的份额也比较大，苹果手机的s系列在世界范围内都得到了相当大的认可，其他厂商也纷纷效仿，并都取得了自己在平板手机标志性的机型，得以畅销。

但那些极端的追求拍照功能的手机，并没有在市场上得到发展，如：一些可以外接各种镜头的手机，还有一些改变空间结构，屏幕可以旋转的，将镜头设计在手机对侧，为了增大内置空间的手机。这些手机没有考虑手机的多功能效果，而逐渐被市场所淘汰。而手机对焦方式的变革，也正是由于对手机轻薄化的强烈需求而造成的。鉴于对画质的要求，当时主流的镜头开始由数码变焦幵始向光学变焦过度，这样虽然可以减少图片在传输过程中信息的损失，但是也大大的增加了手机的厚度，于是，光学变焦又开始向数码变焦变革。

3.手机镜头的基本原理

3.1手机镜头的结构

手机镜头的结构与普通摄影镜头的结构区别不大，但是受限于手机厚度，所以其装配空间很小，由于其本身的整体结构比较小，所以需要的精度比较高，复杂的结构容易带入较大的误差，加工起来也不能保证误差在允许范围内。装配时也容易造成配合不好，而产生偏心、倾斜的现象。镜片和镜筒之间的配合釆用过盈配合，防止镜片在镜筒内松动，一般情况下，第一枚镜片和第二枚镜片的公差敏感度比较大，所以两枚镜片采用了紧扣式的配合，两枚镜片通过端面的凸出和凹陷配合在一起，可以降低公差，保证同轴度。

3.2手机镜头的工作原理

手机镜头的工作原理为：景物通过手机镜头生成的光学图像投射到图像传感器的表面上，然后转换为电信号，电信号再通过A/D(模数转换）转换后，变成数字图像信号，然后再将数字图像信号交给数字信号处理芯片（DSP）中进行加工处理，再通过接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到景物的画面了。

4.手机镜头未来的发展方向

这两年智能手机的硬件比拼进入白热化，手机的拍照能力也成为衡量一款手机性能的重要标准，而最能反应拍照能力的量化标准就是手机的像素。手机摄像头的像素数在这几年的增幅很快：2010年是500万，2011和2012年800万是标配，在去年，许多手机已经提升到了1300万像素。而在今年，这个数字增加到1600万，甚至是2000万。当然也不乏诺基亚这样在手机像素一条道走到黑的厂商，拿出4100万的“怪兽”级像素惊诧世人。在一定程度上来说，众多手机的像素已经超越了卡片相机甚至是中低端的单反。这么看来，一味再提高手机的像素似乎已经没有必要，那么手机摄像头未来的发展方向究竟在哪里？

提升对焦速度

如今大多数智能手机采用的是“对比检测”自动对焦，分析附近像素的对比度要确定哪个区域应该对焦。这一技术不足之处是，不合适在弱光环境中使用，此外对焦速度也不是特别理想。相比这一技术，现在比较先进的有助于提升对焦速度的技术有：相位对焦技术和闭环式马达镜头技术

(1)相位检测技术

相位检测技术其实是一个常会出现在单反相机中的颇为出名的技术，相较于传统的对比检测技术，采用完全不同的工作原理，主要是分析通过相机镜头的光线来确定哪个物品应该对焦。这是一个非常复杂的过程，不过最基本的就是相位检测。

在iPhone6和iPhone6 Plus发布期间，苹果花费了较长的时间谈论了其iSight相机的“Focus Pixels”新功能，新功能的加入使iPhone6的对焦速度达到了iPhone 5s的两倍，这实际上就是相位检测自动对焦技术。事实上，今年年初发布的三星Galaxy S5成为全球率先使用该技术的智能手机。现在iPhone6和iPhone6 Plus则是第二款使用该技术的智能手机。

(2)闭环马达镜头

除了苹果三星采用的相位对焦技术，还有一种现行的比较好的技术就是闭环马达自动对焦技术。它是由早先的开环马达对焦技术发展而来，开环式自动对焦的问题是比较费时间，因为镜组在运动到位置的时候不会马上停止，会因为惯性等因素在预想位置上晃动，所以需要一个稳定时间之后才能维持。而闭环式由于自带反馈控制，这个时间要短的多，而且停在预想位置领域上的概率要比开环高得多，也就是一般宣传的速度快、精度高。目前这一技术在众多国产品牌手机上可以看到，例如 vivo、联想等。

提升暗光拍摄效果

手机拍照环境越来越多变，暗光环境就是其中之一。提升暗光拍摄效果也是众多厂商努力的一个方向。同样，提升暗光拍摄效果也有多种方法。