摄像模组光学基本知识
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摘要:
一 二 三
光学基本知识及常见问题 光学制造 光学设计与光电产品开发
一 光学术语
1 焦距(Focal Length或EFFL) 2 相对孔径(FNo.)
3 视场角(FOV) 4 镜头总长和光学总长(TTL) 5 机械后焦(MBF)和光学后焦 6 最佳对焦距离和景深 7 光学畸变(Opt distortion)和TV畸变(TV distortion
B
Image Plane
IRF
E（机械后焦）
光学后焦（2） 光学后焦（1）
6 最佳对焦距离和景深
景深反映了一个光学系统对空间物体成像清晰程度.而最 佳对焦距离是指一个光学系统景深最佳时的调焦距离, 这 里讲的最佳在实际应用时其实是相对而言的. 对焦距离取 决于使用者(客户或消费者)希望光学系统所能拍摄的距离 范围. 理论上的超焦距距离不一定是该镜头的最佳调焦距离. 如果在最佳调焦距离调好焦以后, 再确认远景和近景 时, 镜头的解像力理论上都会下降, 故为达到一定的景深范围一定要选择合适的调焦距离.
枕形畸变
桶形畸变
(B+C)/2-A TV DIST= X100(%) (B+C)/2
8 相对照度(Relative illumination又简写为RI):
它是指一个光学系统所成像在边缘处的亮度相对于中心区域 亮度的比值, 无单位. 在实际测量的结果中, 它不仅同光 学系统本身有关, 也同所使用的感光片(SENSOR)有关. 同 样的镜头用于不同的芯片可能会有不同的测量结果. 关于镜头亮度的均匀性: 从光学设计理论上讲, 镜 头周边照度相对中心一定会有下降．一般要求光学设计应 达到50%以上.
是指一个光学系统从起像方主面到焦点间的距离, 它 反映了一个光学系统对物体聚焦的能力. (示意图如下页)
镜头
像方主面 焦点
焦距
2 相对孔径(FNo.):
一个光学系统成像亮度指标, 一般简称F数(如传统相机上所 标识), 在同样的光强度照射下, 其数值越小, 则像面越亮, 其数值越大, 则像面越暗. 对于一般的成像光学系统来说, F2.8-3.2就比较合适, 如果要求F数越小, 则设计越难, 结 构越复杂, 制造成本就越高.
8 相对照度(Relative illumination) 9 最大出射角(Max chief angle) 10 IR Filter(滤光片) 11 MTF 12 镜头生产周期 13 镜头常用镜片材质 14 关于镜头和SENSOR的匹配 15 关于低高度镜头及镀膜的作用
1 焦距(Focal Length或EFFL)
3 视场角(FOV)
一个光学系统所能成像的角度范围. 角度越大, 则这个光 学系统所能成像的范围越宽, 反之则越窄. 在实际产品当 中, 又有光学FOV和机械FOV之分, 光学FOV是指SENSOR或胶 片所能真正成像的有效FOV范围, 机械FOV一般大于光学FOV, 这是有其他考虑和用途, 比如说需要用机械FOV来参考设计 Module或者手机盖的通光孔直径大小. (示意图如下页)
15 关于低高度镜头及镀膜的作用
关于低高度镜头设计难点: 1 由于镜头高度很短, 光路通过的路程短却要达到 相同的成像效果, 故对光学设计工程师的理论知识要 求很高; 2 由于镜头很短, 所有的光学零件都变得很薄, 尤其 是镜片, 这时候起加工工艺性要求很高, 要么没有量 产性, 要么加工成本非常高.
B
Image Plane
IRF
光学总长
C±0.1(at
infinite,air)
5 机械后焦(MBF)和光学后焦
机械后焦是指从镜头机械后端面到像面的距离, 而光学后焦 是指从镜头最后一个镜片的最后一面到像面的距离. 它们 两者的差别随不同光学系统的不同而不同. 同时在光学行 业内对光学后焦也有两种表达, 联合光电目前采用光学后 焦1的描述. (示意图如下页)
10 IR Filter(滤光片)
它主要用于调整整个系统的色彩还原性. 它往往随着芯片 的不同而使用不同的波长范围, 因为芯片对不同波长范围 的光线其感应灵敏度不一样. 一般说来, 要求镜头的IRF截止波长要同SENSOR所要 求的IRF截止波长相匹配, 否则可能会出现色彩还原性不 好. 不过色彩还原性或偏色问题也同模组的软件调整有关 系.
9 最大出射角(Max chief angle)
它是指光学系统(镜头)所能拍摄范围内的光(主光线)在通过 光学系统(镜头)后到达像面(如SENSOR)时同像面所成的最 大夹角. 出射角越小设计越困难,相应的成本也会增加, 镜 头的总长也会相对变长. 一般说来, 要求镜头的CRA要小于SENSOR所要求的CRA, 但考虑到SENSOR本身对CRA的要求也存在一定的公差, 所 以只要角度相差不大即可.
13 镜头常用镜片材质
目前常用镜片材质: 塑胶镜片: ZENOEX, PC, PMMA 玻璃镜片: 国产环保材料库中的材料 滤光片: K9/B270
14 关于镜头和SENSOR的匹配
关于镜头和SENSOR的匹配, 一般需要考虑以下 几个问题: 1 分辨率或者像素; 2 芯片大小和镜头像面大小; 3 镜头后焦及模组的封装方式.
关于镀膜: 镀膜的主要作用是提高镜头的透过率, 使透过光学系 统的能量最多, 损失最小, 所以一般在中高端的产品中都 要求对镜片镀膜. 镀膜品质的好坏取决与多个因素: a 镀膜工程师的光 学设计水平; b 镀膜设备的性能; 镀膜的材料; c 镀膜的 前工程处理等环节.
12 产品开发及样品周期
1) 非球面镜片开模周期: 一般为4-5星期; 2) 黑色部品模具周期: 3-4星期. 3) 产品开发周期: 模具+试作一般需要2个月. 4) 镜头样品生产周期: 塑胶镜片成形时间一般为6-8个小 时, 镀膜5-6个小时, 组立4-8个小时, 检测及数据准备4-5 个小时, 所以在没有库存而模具又能够及时切换的情况下, 从接到P/O或联络到样品完成最快需要3个工作日.
Mech.FOV 62.5° ? 0.72
B
IRF
Image Plane
4 镜头总长和光学总长(TTL)
光学总长是指从系统第一个镜片表面到像面的距离; 而镜头 总长是指最前端表面(一般指Barrel表面)到像面(例如 Sensor表面)的距离.一般来说, 镜头太长或太短其设计都 会变得困难, 制造时对工艺要求较高. (示意图如下页, UNION的镜头规格书中图面所标注的E即 为机械总长)
7 光学畸变(Opt distortion)和TV畸变(TV distortion)
畸变是指光学系统对物体所成的像相对于物体本身而言的 失真程度.光学畸变是指光学理论上计算所得到的变形度, TV畸变则是指实际拍摄图像时的变形程度, DC相机的标准 是测量芯片(Sensor)短边处的变形.一般来说光学畸变不等 于TV畸变, 特别是对具有校正能力的芯片来说. 畸变通常 分两种: 桶形畸变和枕形畸变. (示意图如下页)
来自百度文库
11 MTF
它从一定程度上反映了一个光学系统对物体成像的分辨能力. 一般来说, MTF越高,其分辨力越强, MTF越低, 其分辨力越低. 由于MTF也只是从一个角度来评价镜头的分辨率,也存在一些 不足, 故在目前的生产中, 大多数还是以逆投影检查分辨为 主. (示意图如下页)
关于MTF的计算:
MTF的全称是调制传递函数, 这是从光的波动理论发展而得 到的一种描述光学系统分辨率的表达方式, 其基本计算公 司如下: S (V)=4/π{M(v)/1-M(v)/3+M(v)/5-M(v)/7+M(v)/9M(v)/11+ ¨¨¨ 注: 这里, S(V) is squave wave response, M(v) is the sinuoidal modulation response, and v is the spatial frequency.
一 二 三
光学基本知识及常见问题 光学制造 光学设计与光电产品开发
一 光学术语
1 焦距(Focal Length或EFFL) 2 相对孔径(FNo.)
3 视场角(FOV) 4 镜头总长和光学总长(TTL) 5 机械后焦(MBF)和光学后焦 6 最佳对焦距离和景深 7 光学畸变(Opt distortion)和TV畸变(TV distortion
B
Image Plane
IRF
E（机械后焦）
光学后焦（2） 光学后焦（1）
6 最佳对焦距离和景深
景深反映了一个光学系统对空间物体成像清晰程度.而最 佳对焦距离是指一个光学系统景深最佳时的调焦距离, 这 里讲的最佳在实际应用时其实是相对而言的. 对焦距离取 决于使用者(客户或消费者)希望光学系统所能拍摄的距离 范围. 理论上的超焦距距离不一定是该镜头的最佳调焦距离. 如果在最佳调焦距离调好焦以后, 再确认远景和近景 时, 镜头的解像力理论上都会下降, 故为达到一定的景深范围一定要选择合适的调焦距离.
枕形畸变
桶形畸变
(B+C)/2-A TV DIST= X100(%) (B+C)/2
8 相对照度(Relative illumination又简写为RI):
它是指一个光学系统所成像在边缘处的亮度相对于中心区域 亮度的比值, 无单位. 在实际测量的结果中, 它不仅同光 学系统本身有关, 也同所使用的感光片(SENSOR)有关. 同 样的镜头用于不同的芯片可能会有不同的测量结果. 关于镜头亮度的均匀性: 从光学设计理论上讲, 镜 头周边照度相对中心一定会有下降．一般要求光学设计应 达到50%以上.
是指一个光学系统从起像方主面到焦点间的距离, 它 反映了一个光学系统对物体聚焦的能力. (示意图如下页)
镜头
像方主面 焦点
焦距
2 相对孔径(FNo.):
一个光学系统成像亮度指标, 一般简称F数(如传统相机上所 标识), 在同样的光强度照射下, 其数值越小, 则像面越亮, 其数值越大, 则像面越暗. 对于一般的成像光学系统来说, F2.8-3.2就比较合适, 如果要求F数越小, 则设计越难, 结 构越复杂, 制造成本就越高.
8 相对照度(Relative illumination) 9 最大出射角(Max chief angle) 10 IR Filter(滤光片) 11 MTF 12 镜头生产周期 13 镜头常用镜片材质 14 关于镜头和SENSOR的匹配 15 关于低高度镜头及镀膜的作用
1 焦距(Focal Length或EFFL)
3 视场角(FOV)
一个光学系统所能成像的角度范围. 角度越大, 则这个光 学系统所能成像的范围越宽, 反之则越窄. 在实际产品当 中, 又有光学FOV和机械FOV之分, 光学FOV是指SENSOR或胶 片所能真正成像的有效FOV范围, 机械FOV一般大于光学FOV, 这是有其他考虑和用途, 比如说需要用机械FOV来参考设计 Module或者手机盖的通光孔直径大小. (示意图如下页)
15 关于低高度镜头及镀膜的作用
关于低高度镜头设计难点: 1 由于镜头高度很短, 光路通过的路程短却要达到 相同的成像效果, 故对光学设计工程师的理论知识要 求很高; 2 由于镜头很短, 所有的光学零件都变得很薄, 尤其 是镜片, 这时候起加工工艺性要求很高, 要么没有量 产性, 要么加工成本非常高.
B
Image Plane
IRF
光学总长
C±0.1(at
infinite,air)
5 机械后焦(MBF)和光学后焦
机械后焦是指从镜头机械后端面到像面的距离, 而光学后焦 是指从镜头最后一个镜片的最后一面到像面的距离. 它们 两者的差别随不同光学系统的不同而不同. 同时在光学行 业内对光学后焦也有两种表达, 联合光电目前采用光学后 焦1的描述. (示意图如下页)
10 IR Filter(滤光片)
它主要用于调整整个系统的色彩还原性. 它往往随着芯片 的不同而使用不同的波长范围, 因为芯片对不同波长范围 的光线其感应灵敏度不一样. 一般说来, 要求镜头的IRF截止波长要同SENSOR所要 求的IRF截止波长相匹配, 否则可能会出现色彩还原性不 好. 不过色彩还原性或偏色问题也同模组的软件调整有关 系.
9 最大出射角(Max chief angle)
它是指光学系统(镜头)所能拍摄范围内的光(主光线)在通过 光学系统(镜头)后到达像面(如SENSOR)时同像面所成的最 大夹角. 出射角越小设计越困难,相应的成本也会增加, 镜 头的总长也会相对变长. 一般说来, 要求镜头的CRA要小于SENSOR所要求的CRA, 但考虑到SENSOR本身对CRA的要求也存在一定的公差, 所 以只要角度相差不大即可.
13 镜头常用镜片材质
目前常用镜片材质: 塑胶镜片: ZENOEX, PC, PMMA 玻璃镜片: 国产环保材料库中的材料 滤光片: K9/B270
14 关于镜头和SENSOR的匹配
关于镜头和SENSOR的匹配, 一般需要考虑以下 几个问题: 1 分辨率或者像素; 2 芯片大小和镜头像面大小; 3 镜头后焦及模组的封装方式.
关于镀膜: 镀膜的主要作用是提高镜头的透过率, 使透过光学系 统的能量最多, 损失最小, 所以一般在中高端的产品中都 要求对镜片镀膜. 镀膜品质的好坏取决与多个因素: a 镀膜工程师的光 学设计水平; b 镀膜设备的性能; 镀膜的材料; c 镀膜的 前工程处理等环节.
12 产品开发及样品周期
1) 非球面镜片开模周期: 一般为4-5星期; 2) 黑色部品模具周期: 3-4星期. 3) 产品开发周期: 模具+试作一般需要2个月. 4) 镜头样品生产周期: 塑胶镜片成形时间一般为6-8个小 时, 镀膜5-6个小时, 组立4-8个小时, 检测及数据准备4-5 个小时, 所以在没有库存而模具又能够及时切换的情况下, 从接到P/O或联络到样品完成最快需要3个工作日.
Mech.FOV 62.5° ? 0.72
B
IRF
Image Plane
4 镜头总长和光学总长(TTL)
光学总长是指从系统第一个镜片表面到像面的距离; 而镜头 总长是指最前端表面(一般指Barrel表面)到像面(例如 Sensor表面)的距离.一般来说, 镜头太长或太短其设计都 会变得困难, 制造时对工艺要求较高. (示意图如下页, UNION的镜头规格书中图面所标注的E即 为机械总长)
7 光学畸变(Opt distortion)和TV畸变(TV distortion)
畸变是指光学系统对物体所成的像相对于物体本身而言的 失真程度.光学畸变是指光学理论上计算所得到的变形度, TV畸变则是指实际拍摄图像时的变形程度, DC相机的标准 是测量芯片(Sensor)短边处的变形.一般来说光学畸变不等 于TV畸变, 特别是对具有校正能力的芯片来说. 畸变通常 分两种: 桶形畸变和枕形畸变. (示意图如下页)
来自百度文库
11 MTF
它从一定程度上反映了一个光学系统对物体成像的分辨能力. 一般来说, MTF越高,其分辨力越强, MTF越低, 其分辨力越低. 由于MTF也只是从一个角度来评价镜头的分辨率,也存在一些 不足, 故在目前的生产中, 大多数还是以逆投影检查分辨为 主. (示意图如下页)
关于MTF的计算:
MTF的全称是调制传递函数, 这是从光的波动理论发展而得 到的一种描述光学系统分辨率的表达方式, 其基本计算公 司如下: S (V)=4/π{M(v)/1-M(v)/3+M(v)/5-M(v)/7+M(v)/9M(v)/11+ ¨¨¨ 注: 这里, S(V) is squave wave response, M(v) is the sinuoidal modulation response, and v is the spatial frequency.