一种数码相机定焦镜头的光学系统设计_路建华

文章编号:1002-2082(2008)06-0949-05
一种数码相机定焦镜头的光学系统设计
路建华,温同强,黄　城,丁桂林
(江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013)
摘　要:为适应市场上对结构简洁、成像品质高且生产成本低的数码相机镜头的需要,运用光学设计软件CO DE V ,在传统数码相机定焦镜头的基础上,结合非球面塑料透镜理论,模拟出了生产成本较低的三片式数码相机定焦镜头。

该数码相机镜头结构的特点是:模块仅包括3块透镜;选择塑料镜头代替玻璃/塑料混合镜头或者全玻璃镜头,降低了系统的生产成本;系统的后焦距增大到0.8116m m,能够确保良好的远心光路性能;透镜表面完全采用非球面设计,较好地校正了球差等各种像差,使透镜具有良好的光学成像性能。

关键词:光学设计;数码相机镜头;非球面
中图分类号:
T N 942.2 文献标志码:
A
Optical system design for fixed -focus lens of digital camera
LU J ia n -hua ,W EN Tong -qiang ,HU ANG Cheng ,DIN G Gui -lin
(Co lleg e o f M echanical Engineering ,J ia ng su U niv er sity ,Zhenjia ng 212013,China)
Abstract :Based o n the conv entional fixed-focus lens a nd the aspherical principles,a triplet fix ed-focus lens assembly fo r the digital camera was sim ula ted with the optical system desig n softw are CODE V to meet the needs for the com pactness ,high transmissivity ,ex cellent o ptical perfo rmance and low co st .In the lens assembly ,plastic lenses w ere cho sen instead o f g lass /plastic hybrid o r all glass lenses for the cost and productio n consideration.The back foca l leng th o f the digital cam era w as increased by 0.8116m m with the lens assembly.Therefore,it ca n g ua ra ntee a better perfo rmance fo r the telecentric beam path .The pro files o f the th ree lenses w ere desig ned as aspheric surfaces so as to correct the aberratio n and ensure the ex cellent o ptical perfo rmance.
Key words :o ptical desig n;lens of digital camera;aspherical surface
引言
在长期的光学镜头设计实践中,出现了很多光学系统结构
[1-4]
,如全球面玻璃透镜系统、光阑置于
透镜系统中间的成像系统、前置光阑型透镜系统以
及考虑远心光路性能的成像系统等。

传统光学镜头设计中,数码相机镜头一般采用球面玻璃透镜,虽然容易加工,但采用玻璃材质增加了镜头质量,且玻璃材质的抗冲击性较差,不小心摔落到地面上时
镜头容易损坏。

此外,应用球面镜片不可避免带来
球面像差,影响成像性能,需要多个透镜以平衡球差等像差,故其总长较长,质量较大,进而成本增加。

为了减小镜头的总长、体积、质量及制造成本,现有数码相机镜头中部分采用非球面透镜。

非球面透镜可以避免球面透镜所产生的球面像差,同时采用较少的透镜即可满足其光学成像性能。

因非球面
收稿日期:2007-12-20;　修回日期:2008-02-04
作者简介:路建华(1984-),男,安徽六安人,硕士研究生,主要从事光学系统设计等研究工作。

E-mail :jia nhua840925@sina.co
第29卷第6期2008年11月 应用光学J ournal of Applied Optics
Vol.29No.6
Nov.2008
透镜有其特有的光学优点。

在现有的镜头中,全塑料式非球面镜片得到广泛应用,采用这种结构后,可通过调整非球面系数来提高光学性能且能够降低镜片数量和质量。

然而塑料镜片与玻璃镜片相比,通光性能较差,在光线不是很好时成像效果差,同时质量较轻,制造成本较低,因而适用于要求较低的装置中。

玻璃材质透镜通光性能较好,成像品质良好,但其成本较高,产品市场竞争力不强,因而只适用于要求较高的装置中。

随着精密机械和加工技术的不断进步,可利用超精密加工技术、塑料射出技术和玻璃模造技术来完成非球面透镜的制造。

近年来,塑料模造技术的发展推动了用于校正高级像差的非球面透镜系统的应用
[6-7]。

1　初始结构
如今非球面透镜的制造技术日益完善,故现有镜头中常常采用非球面设计,同时采用玻璃材质透镜加塑料材质透镜的结构。

图1为孙文信等人提出的三片式透镜系统[5]
结构。

该透镜表面完全采用非球面设计,其中第一透镜材质为玻璃,第二透镜和第三透镜材质均为塑料。

由于第一透镜采用玻璃材质,其耐高温,耐潮湿,保护第二和第三塑料透镜不受刮擦、受潮和受热,且玻璃材质通光性能好,故玻璃镜片的使用增强了其通光性能。

而第二透镜和第三透镜采用塑料材质,可降低镜头质量和生产成本。

图1　初始结构图
Fig .1　System layout of initial structure
在具体应用实例中,COM S 像素尺寸为2.8μm ,分辨率达到1640×1240,像素为200万像素,有效面积为4.592mm ×3.472m m,对角线长度为 5.76mm ,有效焦距为f = 4.817mm (在空气中),相对孔径为F /2.8,整个光学系统的全视场角为61.75°,其镜头总长为6.05m m,模块高度小于8
m m ,它可整合在移动电话中,较好地满足了移动
电话微型化的要求,其可与分辨率为1640×1240像素的数字影像感测组件相匹配。

图2　球差、像散和畸变
Fig .2　S pherical aberration ,astigmation and distortion
虽然第一透镜为玻璃镜片,置于镜头的最前端,较好地保护了其后的塑料镜片,但是使用玻璃材质增加了该镜头的重量,而且容易破碎,降低了其抗冲击性。

另外,此镜头后焦距较小,光学系统的出瞳离成像面比较近,不能保证良好的远心光路性能。

这种排列的有效孔径效率较低,即成像面会出现阴影。

特别是在CCD 上的滤光片离图像拾取面稍远时,如果关于光轴倾斜的光线入射到滤光片,则有效孔径效率就会降低,即轴外物点成像光束产生渐晕,也就是成像面边缘产生阴影。

特别是在最近使用高灵敏度CCD 的情况下,CCD 前面都有许多透镜排列。

在这种情况下,如果出瞳离成像平面不够远的话,则透镜边缘部分的孔径效率非常低,即产生渐晕现象,像的边缘部分出现阴影。

故成像面采用远心光路,即将孔径光阑尽可能地放置在系统的物方焦平面上,则光束的主光线关于每个像点从光学系统的最后一透镜面中出来后平行于光轴,也就是主光线垂直于成像面。

换句话说,就是光学系统的出瞳位于离成像面足够远处,尽可能减小主光线入射到图像感测面的角度,这种排列对避免有效孔径效率的减小(阴影)是十分必要的。

本文在上述初始镜头结构的基础上,模拟出了一个优化结构,降低了系统的质量及生产成本,增强了其抗冲击性,实现了与上述结构大致相当的成像品质,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　最终优化结构及其成像性能
较佳实施方式的数码相机镜头的光学模组如图
·
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3所示。

该系统中3块透镜均采用光学塑料材质,塑料材质透镜的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较少的完成过程要求,而玻璃材质透镜元件必须独立的注模、磨光和装配完成。

图3　优化系统结构图Fig .3
　Optimal system layout 为克服初始镜头质量稍大及抗冲击性差的缺点,该优化系统中第一透镜采用塑料材质代替初始结构中的玻璃材质,优先采用日本瑞翁公司生产的E 48R 型号的塑料材料,其折射率为1.53116,色散系数为56.04。

E48R 是非晶型聚烯烃透明材质,其可以作为手机、照相机和摄像机中所用的光学透镜和棱镜的标准塑料材质,该产品具有较低的吸水率,密度小,有利于制品的轻量化,由于该材质含有极性和异向性小的单体,因而非晶型透明材质双折射率小,其属高耐热性透明树脂,玻璃化温度(T g )达到140℃～170℃,容易注射成型且其耐擦性良好,由于该光学材质具有较低的双折射率,故能在较高的分辨率下表现较好的光学性能。

该塑料材质能够替代初始镜头中玻璃透镜的作用,较好地保护了第二透镜不受刮擦、受潮和受热,降低了初始镜头的质量及制造成本,并且系统的抗冲击性增强。

与初始镜头结构相比,该优化实例中,使用的图
像感测元件不变,COM S 像素尺寸仍为2.8μm ,分辨率为1640×1240,像素为200万像素,有效面积为4.592m m ×3.472mm,对角线的长度为5.76mm 。

该优化镜头的基本信息基本不变,并且保证了和初始镜头相当的较好的成像性能,其有效焦距f =4.8288m m (在空气中),相对孔径为F /2.8,整个光学系统的全视场角基本不变,为61.63°,其系统总长仍约为6.05m m,模块高度可小于8m m,使其可与分辨率为1640×1240像素的数字影像感测组件相匹配。

此外,该镜头采用正-负-正顺序排列的前置光阑型三片式透镜系统,其孔径光阑离图像拾取
元件较远,有利于减小第一透镜的直径,实现结构的简洁,同时有利于实现像方良好的远心光路性能。

在保证系统总长不增大的前提下,运用光学设计软件CO DE V 对系统各面的曲率半径及其间隔进行模
拟优化,适当增大了系统的后焦距,该优化系统相对于初始结构的后焦距较大,为0.8116m m ,故光学系统的出瞳离成像面较远,能够一定程度上改进系统的远心光路性能。

同时在透镜系统中,孔径光阑放置于第一透镜的物方曲面较近距离处,因此全孔径光线能够通过放置于孔径光阑附近的具有主光焦度的第一透镜的物方曲面,以至于从物方入射进来的光线得到较大程度的会聚,减小了主光线入射到图像感测面的角度(约20°),进一步改进了系统的远心光路性能。

这种排列的有效孔径效率较高,即成像面边缘部分不容易出现阴影。

由于系统实现了良好的远心光路性能,故提高了边缘视场的照度,该优化系统在整个成像面上1/4视场的相对照度为95.6%,1/2视场的相对照度为85%,3/4视场的相对照度为69.1%,全视场的相对照度为61.8%。

该数码相机镜头的3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6个非球面的设计均需满足以下优选的非球面公式:
z =cr 2
1+1-(1+k )c 2r 2
+a 1r 2+a 2r 4+a 3r 6
+a 4r 8+a 5r 10+a 6r 12+L 式中:z 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,因所选的透镜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,a 6为非球面系数;k 为二次曲面系数。

图4显示的是该实例的球差、像散和畸变等像差图。

第一透镜和第二透镜采用非球面,可以更加改善光学成像性能。

第一透镜的像方透镜面和第二透镜的物方透镜面的曲率半径相对较小,在使用大像素的固态图像拾取元件时更需要采用1个非球面或2个面均采用非球面,这样可以更好地校正球差和彗差。

更进一步地说,在F 数较小,以增大孔径效率,提高校正球差能力的时候,第一透镜的物方透镜面采用非球面会特别有效。

第二透镜的像方透镜面采用非球面,提高了彗差的校正能力,因此确保了较好的轴外成像性能,特别是在视场较大的情况下。

·
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第三透镜的物方透镜面采用非球面,可以较好地校正场曲,以确保平面型的成像性能。

同时对于手机、照相机和放映机镜头设计,减小畸变非常重要。

在该具体实例中,数码相机镜头的畸变小于1%。

图4　球差、像散和畸变
Fig .4
　Spherical aberration ,astigmation and dis tortion 图5显示的是该实例的点列图。

点列图反映的
是镜头成像的几何结构,图中点的密度意味着像面上的能量密度,即光度和照度等。

图6显示的是该实例各视场的能量集中度曲线,可见点的大小和能量集中也得到较好优化。

图7显示的是优化像点的尺寸大小和波面时各个不同像高的调制传输函数曲线。

较低频率响应是另一个重要的设计目标,空间频率响应对光学成像性能非常重要。

图5　点列图Fig .5　Spot
diagram
图6　各视场能量集中度分布图
Fig .6
　Encircled energy curves 图7　不同像高的M T F 曲线
Fig .7　MTF curves f or diff erent image height
3　总结
基于前人工作的优缺点,我们用CODE V 模
拟出了以上这个适用于数码相机等便携式装置中的三片式透镜系统。

该镜头结构采用了初始镜头结构以及传统镜头的优点,避免了初始镜头的缺点。

该优化系统具有与初始结构相同的优点:
1)该优化系统完全采用非球面设计,从而可通过优化非球面的系数来修正各种像差,也可避免因采用球面镜而产生的球面像差。

本镜头结构中球差范围为-0.1mm ～0.1m m,实际球差最小值小于0.05mm;像散范围为-0.1m m ～0.1m m;畸变范围为-1%～1%,实际畸变最小值小于0.5%。

可见该结构各像差得到较好校正,故该系统保证了较高的分辨率以及良好的光学成像性能,与初始结构的成像性能大致相当。

2)本镜头结构的孔径光阑位于物方位置上,置于第一透镜前,可直接利用光圈的开孔大小控制进光量,同时由于其孔径光阑离图像拾取元件较远,有利于减小前透镜的直径和出瞳的延长度,避免了光阑置于透镜之间时的种种问题,一定程度上减小了系统整体的制造成本。

另外,该优化系统相对于初始结构的优点有:1)考虑到生产成本及制造方面的因素,故选择塑料镜头代替玻璃/塑料混合镜头或者全玻璃镜头。

具体实例中,用E 48R 型号的塑料材质替换了初始结构中的第一透镜所用的玻璃材质,降低了系统的生产成本。

该塑料材质为非晶型聚烯烃透明材质,其可以作为照相机和摄像机中所用的光学透镜和棱镜的标准塑料材质,其具有较低的吸水率,密
度小,有利于制品的轻量化,由于该材质含有极性
和异向性小的单体,因而非晶型透明材质双折射率
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小,其属高耐热性透明树脂,玻璃化温度(T g)达到140℃～170℃,容易注射成型且其耐擦性良好,能较好地保护第二、第三塑料透镜不受刮擦、受潮和受热,且系统的抗冲击性增强。

由于该光学材质具有较低的双折射率,故能在较高的分辨率下表现出较好的光学性能。

2)为了确保良好的远心光路性能,该系统采用正-负-正顺序排列的前置光阑型三片式透镜系统,在保证系统总长不增加的前提下,提供了合适的后焦距,其后焦距为0.8116m m,大于初始结构的后焦距0.2256m m,一定程度上成功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。

该优化透镜系统适用于手机、数码相机及笔记本电脑等便携式装置中。

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