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For the high pixel mobile camera phone in present market, the pick-up lens was designed and optimized by using ZEMAX optical design software, and the optimized results were analyzed. For the designed high pixel mobile phone lens, the total pixel reaches 5 -mega pixel and image quality is very good, the distortion is smaller than 2% ,tolerance is rather loose which meet the requirements in practical manufacture

针对目前市场上流行的高像素拍照手机,利用ZEMAX 工程光学设计软件,对其摄像镜头进行了设计与优化,并对优化后的结果进行了分析。对于设计的高像质手机镜头,总像素达到500万,像质极好,畸变小于2%,公差也相对较松,可以满足实际生产要求。

1 引言

随着手机的不断更新换代,拍照手机成为今天的主流趋势,市场上几乎百分之八十的手机都具有拍照功能。从最初的 10 万像素到今天的 500 万像素,甚至800 万像素,拍照手机大有取代数码相机的趋势。手机镜头的日新月异给我们带来了新的视觉感受和新的惊喜,这些变化都取决于手机镜头的蓬勃发展。然而像素越高的镜头体积越大,在CMOS 没有发展以前,500 万像素手机镜头的光学总长至少在 10 mm 以上, 想把它集成到手机上,困难非常大。随着CMOS像元尺寸从先前的5 μm 以上迅速发展到现在的1.75 μm 甚至1.4 μm,相同像素的手机镜头的体积可以比以前做的小得多,500 万像素的镜头集成到手机上已不是问题。本文就目前市场上开始流行的500 万高像素手机镜头进行了设计,并就设计的结果进行了分析。

2 设计要点

2.1 相关规格的确定

对于普通摄像手机镜头,光圈一般取2.8 左右,视场通常大于 500 ,而后工作距应该尽可能大,防止CMOS 或CCD 造成损伤。对于手机镜头,后工作距大于0.5 mm 即可,光学畸变应小于3%,TV 畸变应小于1%,光学总长越短越好。一般情况下,像高与总长的比 值可以做到等于1 或者更大。另外,手机镜 头一般用CMOS 作为传感 器,CMOS 器件对镜头出射面的主光线角度有一定的限制,不同规格的CMOS 有不同的主光线角度要求,这个CMOS 的厂家一般会提供。

2.2 镜头总像素与 CMOS 像素的匹配

设计采用 Micron 公司型号为MI5130 的CMOS 传感器,总像素为500 万,其最小像元为 1.75 μm,对角线长度为 5.64 mm,因此镜头的最高分辨率到达到1.75 μm,像高要略大于5.64 mm,防止CMOS 装调偏离光轴而形成暗角。

2.3 像差校正

手机镜头与其他摄像镜头一样 ,七种像差都需要校正,500 万像素手机镜头常用的结构有2G2P,1G3P 或者4P。其基本组合无非就两种,正负正正或者正负负正[1]。根据不同的组态和不同的材料可以设计出不同的结构。为了节约成本,手机镜头大多采用塑料材料和非球面。因为非球面相比普通的球面具有更多的自由度,像差可以校正得更好,这里我们采用4P 的结构。另外,手机镜头组装是否能够成功,很大程度上取决于公差的松紧,公差松的结构能够很顺利地装调成功。为了设计一个公差好的结构,在设计时可以带入公差进行优化,通常可以达到满意的效果。

2.4 材料的厚度

为了满足实际光学加工的需求,光学材料厚度不能太小。对于一般的塑料材料,中心和边缘厚度都应大于0.35 mm,特殊材料可以做得更小,这与材料的性质有一定的关系。

2.5 材料的选择

在光学设计上,可用的塑料材料非常有限,且大部分材料的折射率和色散系数都相差不多。通常情况下,正透镜采用折射率低而色散系数大的材料,负透镜应采用折射率高而色散系数小的材料,这样有利于消色差,但也有一些设计不是严格的按照这样的标准来做的。

3 光学设计

3.1 初始结构的选择

一个完美的设计通常从初 始结构的选择开始 ,初 始结构的选择好坏,关系到设计的成功与 否。对 于光 学设计者来说,最好最快的办法是直接从专利中 选取 一个适当的结构作为初始结构,然后优化。如果 靠设 计者自己去建立一个初始结构是比较困难的,需 要多 年的设计经验和丰富的像差理论知识。本设计的初始 结构采用了一个专利的雏形结构。选择初始结构的原 则是视场和光圈与设计的要求相当,材 料为四片,焦 距通过缩放镜头的办法可以达到要求。

3.2 设计结果

3.2.1 光路图

利用 ZEMAX 工程光学设计软件对其进行了模拟

设计和优化,其优化后的光学系统如图 1 所示。

3.2.2 设计指标

本设计系统的指标如表 1 所示。

3.2.3 详细参数

本设计详细参数如表 2 和表 3 所示。

视场 光圈 后焦 焦距 相对照度 光学总长 主光线角 总像素 畸变 TV 畸变
650 2.8 0.56 mm 4.54 mm >50% 5.8 <250 500 万 <2% <0.2%

表 1 设计指标

表面编号 类型 曲率半径/mm 厚度/mm 材料 K 系数
光阑 非球面 2.209045 1.027322 E48R -1.103161
2 非球面 -3.33411 0.02 3.349639
3 非球面 -13.76951 0.5190306 Polycarb 20
4 非球面 2.262554 0.9911211 -4.457445
5 非球面 -5.14689 0.8687928 E48R 10
6 非球面 -0.9939466 0.129038 -5.203216
7 非球面 3.661912 0.4076486 E48R -3.425176
8 非球面 0.861187 0.4765397 -5.111839
9 标准面 无穷大 0.3 K9 0
10 标准面 无穷大 0.1 0
11 标准面 无穷大 0.4 K9 0

表 2 结构数据图

表面编号 A4 A6 A8 A10 A12
1 0.010782992 -0.0072402262 0.0061321638 -0.0064236926 0
2 0.065705914 -0.10076976 0.081576584 -0.02488561 0
3 -0.0071433127 -0.064399757 0.066763828 -0.017976888 0
4 -0.0060681704 0.018823223 -0.0054939545 0.0031827313 0
5 0.0208449 -0.01911425 0.0069559548 -0.0005353975 0
6 -0.075534179 0.049519187 -0.029290473 0.010489489 -0.0013840363
7 -0.081554553 0.020300695 -0.0019798892 3.6416784x10-5 2.827986x10-6
8 -0.045276308 0.010247518 -0.0019472986 0.00020926659 -1.0152622x10-5

表 3 各非球面多项式系数

4 结果分析

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4.1 光学调制传递函数

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光学调制传递函数(MTF)是对镜头分辨率的直接评价。频率主要由CMOS的最小像元大小决定,我们选择的CMOS 最小像元R=1.75 μm,因此由公式 f=1/2R 可以算出频率为 285 线 对,即镜头的分辨率要达到285 线对。对于摄像镜头,一般要求0.7 视场以内能够分辨清楚就可以了,轴外视场的分辨率允许一定程度的下降。从图 2 中的频率-MTF 曲线图可以看到,在频率285 lp/mm 时,0.7 视场以内的光学调制传函大于0.3,轴外视场略有下降,但总体可以满足要求。

4.2 场曲和畸变

场曲反应了整个像面

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的弯曲情况。对于手机镜头,场曲小于0.1 mm 即可。从图 3 左图可以看出,场曲小于0.05 mm 完全满足要求 ,而畸变一般要求在3%以内。从图 3 右图可以看出,光学畸变小于2%,而从畸变的弯曲程度大致可以看出,该镜头的TV 畸变很小,经过计算,TV 畸变小于0.2%,达到要求。

4.3 像面相对照度

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对于拍照手机镜头,相对照度越大越好,但是随着视场的增大 ,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,人眼很容易察觉,从而影响图片的整体一致性。从图4 像面相对照度图中可以看出相对照度大于 50%,基本满足要求。

4.4 公差分析

评价一个设计的好坏,除了看设计的像质和其它 指标是否达到要求外,还有一个最为重要的因素,那就是公差,公差的松和紧决定了产品最终能否装调成功。公差松的结构装调容易,而公差紧的结构通常是超出了当前的工艺加工能力,难以装调成功,即使偶尔能够装出几个良品镜头,最终也难以量产。经验丰富的设计师通过看光线的走向就可以判断哪个镜片公差紧或松。→般情况下,光线的走向比较顺畅,公差会比较松,反之相反。经过对本设计进行公差分析,结果表明,公差都在常规可加工的公差范围内,工艺性良好。

5 结论

通过分析可以看出,高像素 手机镜头总体设计能够满足要求,总像素达到了500 万,像质极好,视场达到了650,光学总长5.8 mm,畸变小于2%,TV 畸变小于0.2% ,光 圈2.8,像面主光线角度小于250 。 在CMOS 主光线角度的要求范围内,公差也相对较松,可以满足实际生产要求。