结构简洁_高分辨率手机镜头的设计_路建华

升的空间。
上，如美国专利 20080043346[6]和 7330318[15]，但是镜头
现有手机镜头中部分采用非球面透镜[8]。相比球 相对于光阑排列得不对称，故很难补偿色差和彗差，
面镜，非球面镜边缘较薄，透镜中央处的光线和边缘 宽视场镜头中该趋势更显著。
处的光线可以聚焦到同一位置，可有效减小球差，还
为 10 mm，后焦距达到 8.437 mm，总长为 13.37 mm。 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 5 mm 迅速发展 到现在的 1.4 mm，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
材料源自文库
E48R PC
E48R E48R
K9
通光口径/mm
1.5020 1.6252 1.7258 1.7570 2.1306 2.6420 2.7392 3.2480 4.5848 4.6864 4.8164 4.8806
中国光学期刊网 w w w . opticsjournal . net 81
论文 ｜ ＡＲＴＩＣＬＥ
Key words optical design; lens system for mobile phone; aspheric surface; compactness; high resolution 中图分类号 TB851.1 doi：10.3788/LOP20094612.0080
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。
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 studied. Combining the non -spherical principles, a fixed -focus lens with compact structure, excellent optical performance and low cost is designed with Code V. With aspherical plastic lens and short length, the production cost can be decreased. The lens has good performance and meets practical requirements.
数控单点金刚石车削技术、高精密数控抛光技术、超 小，成像边缘部分易产生阴影。而美国专利 7388721[18]
精密加工技术、塑料射出技术、玻璃模造技术及激光 中的透镜系统，在保持后焦距为 0.9779 mm 的同时，
微加工技术来完成非球面透镜的制造 。 [9~13]
确保了良好的远心光路性能。但是传统镜头在保证一
此外，非球面玻璃透镜的制造成本较高，且玻璃 定后焦距的同时，往往增大了系统总长。该镜头总长
材质比塑料材质重量大，而塑料透镜的吸水率高于玻 达到了 7.06 mm，较难整合到便携式装置中。
璃透镜的吸水率。当湿度变化较快时，塑料透镜吸收
本 文 选 择 美 国 专 利 20080043346 为 系 统 初 始 结
水的不均匀分布会造成折射率的不一致，因此通常采 构，结合上述各镜头结构优点，设计出一个简洁、成像
用吸水率不高于 0.7%的塑料材质，但是大多数塑料透 品质高的优化结构，系统的重量及生产成本较低，其
镜的光学性质仍然容易受到外界环境的影响。另外， 抗冲击性较强，并且减小了受外界因素的影响，增大
光学塑料的硬度要比光学玻璃的小，所以光学塑料透 了系统的相对孔径及视场角，实现了较高的分辨率，
球面 球面 球面
半径 r/mm ∞ ∞
2.22416 -4.04662 -14.215
2.212785 37.7196 -1.6516 -1.6644 19.8786
∞ ∞ ∞
厚度 d/mm ∞
0.1 0.99585 0.10932 0.56757 0.37582 0.72031 1.09272 0.64897 0.11996 0.3 0.1 0
表面 第 1 非球面 第 2 非球面 第 3 非球面 第 4 非球面 第 5 非球面 第 6 非球面 第 7 非球面 第 8 非球面
近来，为了在保持镜头良好成像性能的同时减小
可以提高系统的相对孔径，扩大视场角，并可通过调 系统总长和重量，有些镜头的后焦距被设计得太小，
整非球面系数来提高光学性能和降低镜片数量。随着 如美国专利 7385770[16]，其后焦距为 0.41 mm，这就存
精密机械和加工技术的不断演进，如今可利用计算机 在远心光路性能[17]问题。这类镜头有效孔径效率 较
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，a1,a2,a3,a4,a5 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 a1,a2,a3,a4,a5 的数值可参照表 2。
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
2 优化结构
20080043346[6]中的镜头就完全采用塑料材质，虽实现
该优化镜头的光学模组及相关参数值如图 1 和
了较高的分辨率，但是受到外界环境影响较大。
表 1 所示，其特征在于：第一透镜为凸向物方双面非
另外，现有镜头设计中把孔径光阑置于透镜之间， 球面正透镜；第二透镜为双凹双面非球面负透镜；第
各透镜关于光阑在一定程度上对称，类似双高斯透镜 三透镜为凸向物方双面非球面正透镜；第四透镜为双
的设计容易校正各种像差，如美国专利 7251083[14]中的 凹双面非球面正透镜。
表 1 系统结构参数
透镜表面 物面
光阑
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 像面
表面类型 球面 球面
非球面 非球面 非球面 非球面 非球面 非球面 非球面 非球面
论文 ｜ ＡＲＴＩＣＬＥ
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 Mobile Phone
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）
Lu Jianhua Wen Tongqiang Huang Cheng Ding Guilin
（School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China）
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
具体优化实例中，使用的图像感测元件 CMOS 有
效面积为 4.0 mm×3.0 mm，对角线长度为 5 mm。系统
有效焦距 f=3.9 mm，相对孔径为 F/2.6，全视场角为
64°，景深为 700 mm 到无穷大，系统总长为 5.03 mm，
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
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
z=
cr2
+a1r4+a2r6+a3r8+a4r10+a5r12+… （, 1）
1+ 姨1-（1+k）c2r2
其中 z 为以各非球面与光轴交点为起点，垂直光轴方
图 1 优化系统结构图
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。
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
80 激光与光电子学进展 2009.12
ＡＲＴＩＣＬＥ ｜ 论文
的分辨能力，现有技术中常采用 3 透镜元件或 4 透 镜头，其光阑置于第一、二透镜之间，可以有效限制各
镜元件，如 美 国 专 利 20070091470 [4]，20080180813 [5]及 透镜尺寸的增加，特别是光阑后第三透镜尺寸的增
20080043346[6]。文献[7]设计了 500 万像素手机镜头， 加。但该类镜头必须确保较长的出瞳距离，故很难减
镜 头 的 F 数 为 2.8， 视 场 角 为 65° ， 光 学 总 长 为 小镜头总长，且很难保证光阑在透镜中间的精确位
5.8 mm，应用于手机里稍偏大，畸变小于 2%，仍有提 置，所以现有镜头设计中也考虑把光阑置于物方位置
镜的抗划伤性较差，这也影响成像的精确度。现有技 另外确保了良好的远心光路性能，有效避免了轴外物
术 中 ，CIF 等 级 的 镜 头 常 采 用 塑 料 材 质 ，VGA 及 1 点成像光束渐晕现象的产生，即消除了成像边缘部分
Mega 等级的镜头常采用塑料、玻璃材质的组合结构 的阴影。
或塑料、玻璃混合材质，而 2 Mega 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
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