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随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大,利用Zemax光学设计软件设计一款大相对孔径800万像素的广角镜头。该镜头由1片非球面玻璃镜片,3片非球面塑料镜片,1片滤光镜片和1片保护玻璃构成。镜头光圈值F为2.45,视场角2ω为68°,焦距为4.25mm,后工作距离为0.5mm。采用APTINA 公司的MT9E013型号800万像素传感器,最大分辨率为3264×2448,最小像素为1.4μm。设计结果显示:各视场的均方根差(RMS)半径小于1.4μm,在奈奎斯特频率1/2处大多数视场的MTF值均大于0.5,畸变小于2 %,TV 畸变小于0.3 %。
关键词:手机镜头;光学设计;800万像素;Zemax

引言

手机镜头的研发工作始于20世纪90年代,世界上第一款照相手机是由夏普JPHONE(现在的日本沃达丰)在2001年推出的JSH04手机,它只搭载了一个11万像素的COMS数码相机镜头。随后各大手机知名制造厂商纷纷开始研发手机摄像功能。2003年5月22日夏普制造了100万素的JSH53,目前照相手机的市场占有率几乎是100%,特别是带有高像素2M、3M、5M、8M 的镜头就成为镜头研发的热点[1]。目前800万像素的手机市场占有率还不是太多,但随着人们对高端手机的需求量越来越大,800万像素手机肯定是主流趋势。鉴于此,在选用合理初始结构的基础上,优化出了一款800万像素的手机镜头。

1 感光器件的选取

感光器件有CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)两种。CMOS器件产生的图像质量相比于CCD来说要低一些,到目前为止,大多数消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感光元件;CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像镜头上,目前随着CMOS技术的日益成熟,也有一些高端数码产品使用CMOS器件。CMOS相对于CCD有很多优点,比如价格低、集成化程度高、体积小、质量轻、功耗低、无光晕、高读出速率等[6]。所以很多手机生产商都采用CMOS器件作为手机镜头的图像传感器。目前CMOS芯片的尺寸越做越小,相应的像素尺寸也越来越小,分辨率反而越来越高。
现在国际上CMOS生产厂家主要有Aptina、Omnivision、STMicro、Toshiba等,本文采用Aptina公司的 MT9E013 型 号 7.94mm(1/3.2inch),该款传感器采用超低功耗技术,待机状态消耗功率小于15μW,在最高分辨率情况下帧速率为15fps时消耗功率为320mW。MT9E013的最高分辨率为3264(犎)×2448(犞),实际像素值为7990272,其最小像素尺寸为1.4μm×1.4μm,有效感光元件对角线尺寸为5.71mm,由此可得半视场大小为2.855mm。为了防止加工装配时的误差导致像面的上下偏转,本设计取半视场大小为2.867mm。
根据数字元取样原理,影像检测器所能显示的最大空间频率需受Nyquist(奈奎斯特)采样频率的限制,即一个空间周期至少有2个像素,故此CMOS器件所要搭配的光学镜头需要能解析1000/(2×1.4)lp/mm=358lp/mm 的空间频率[1]

2 设计指标

市场上主流500万手机镜头的视场角大约为60°,光圈值为2.8,镜头总长小于1cm,高像素手机由于传感器件的增大导致像差矫正较为困难,往往都是采用小相对孔径,这样会导致成像光照度不足,成像质量不理想。本镜头的视场角达到了68°,达到了广角物镜的要求[2],光圈值为2.45,具体参数如表1所示

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3 设计思路

3.1 材料选取

光学塑料是一种透明的非晶体有机高分子聚合物,它具有透光性好,质量轻,成本低,加工简单等优点,但是它也有很多缺点,比如折射率可靠性差,膨胀系数大,表面硬度低,耐热性耐溶性差[2]。一般手机镜头为了考虑成本多数选用塑料材料,本镜头为了让成像效果更稳定,耐热性耐溶性更好,在第一面镜片上选用 NLAK34,其折射率和阿贝数分别是1.729和54.5,第二、四面镜片选用聚碳酸酯(POLYCARB),其折射率和阿贝数分别是1.585和29.9,第三面镜片选用日本ZEONEX公司的 E48R 材料,其折射率和阿贝数分别是1.531、56.0,第五面镜为K9的滤光片,滤掉 (700nm~1000nm)的近红外光,第六面为K9的保护玻璃,其折射率和阿贝数分别是1.516和64.1。

3.2 初始结构选取

一个好的镜头离不开一个合适的初始结构,如果初始结构选择不当,再经验丰富的设计者也完成不了设计任务。初始结构的选择有好多种,可以通过设计者的经验利用高斯光学原理创造一个初始结构,但这种方法计算繁琐并且对设计者的像差理论知识和经验要求较高,除此之外也可以通过查阅手册或者查询相关专利来获取初始结构,这种方法比较简单方便,而且能达到理想的设计需求。
800万像素手机结构无非是4P、1G3P 和2G2P,本镜头采用的是1G3P“正负正负”结构,初始结构参考了视场和光圈与本设计要求相当的
美国专利,其视场角2ω为68°,光圈值为2.45,光学结构长度7mm,结构如图1所示。由6片镜片组成,第一片镜为玻璃材质,二、三、四片为塑料材质,第五第六片为玻璃载薄片,孔径光栏设置在第一片镜前。

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3.3 优化过程

3.3.1 像差矫正
对于照相镜头,要求有较大的相对孔径,还要有较大的视场。为了得到大视场除了消除位置色差、球差、彗差外,对像散、场曲、畸变及倍率色差也必须特别注意。由于CMOS分辨率的限制,照相物镜所成的像无须象目镜系统那样,成像接近理想,往往以像差在像面上形成的弥散斑大小(即能分辨的线对数)来衡量系统的成像质量[3]。
手机镜头的分辨率犖犔应大于CMOS器件的分辨率犖犚=358lp/mm,所以手机物镜所允许的弥散斑半径[3]应为
Δd=(1.5~1.2)/NL (1)
假设NL=NR=358lp/mm,代入公式(1)可得Δd=4.2μm~3.4μm,也就是像面上弥散斑半径最大不能大于4.2μm。手机镜头对于畸变有严
格要求,一般控制在2%~3%内,倍率色差也应控制在衍射极限以内。
把初始数据输入到Zemax中,发现7种像差都很大,其轴上点视场弥散斑均方根(RMS)半径为12μm,轴外点有的甚至达到了19μm,远远大于手机镜头允许的弥散斑直径,如图2所示。

 

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3.3.2 优化思路
由于采用了非球面,这样大大增加了系统的自由度,理论上可以优化到无数阶,但考虑到加工成本和技术的限制,第一面镜优化到10阶,第二、三、四面镜优化到12阶。优化步骤可分为3步:
1)把所有透镜的曲率半径,厚度,间隔,非球面系数设置为可变量,在Zemax中加入焦距,系统结构长度限制条件,各个初级像差,主光线出射角和Zemax默认的优化函数(评价函数选择PTV+SpotRadius+Chief)等限制参数,进行初步优化。
2)通过改变各个参数的权重并加入高级像差参数可得到更好的像质,比减少高级像差,如果高级像差不能矫正,则可以尝试换其他的玻璃来优化,也可以通过手动微调来反复优化,这样有可能得到更优质的结构
3)最后把一些像差的权重设置为0,最好只加入结构限制的参数和默认的优化函数进行优化,也可以通过加入 MTFS、MTFT 参数等使MTF(调制传递函数)进一步提高,最终达到各个像差平衡。

4 设计结果

优化后镜头结构如图3所示。光学总长度为7mm,焦距和后工作距离分别为4.25mm 和0.5mm,视场为68°,像高2.867×2=5.734mm,略大于CMOS的对角线5.7mm,主光线最大出射角(CRA)小于25°,满足CMOS耦合的条件。

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4.1 光学调制传递函数

MTF(调制传递函数)是能全面评价一个光学系统的成像质量,它是在光学设计完成后,不需要进行试制就能比较具体了解光学系统的实际成像能力。此镜头分辨率要达到Nyquist(奈奎斯特)采样频率,即最大分辨率为358lp/mm。对于照相镜头,0.707视场以内的区域是主要成像区域,对于0.707范围以外视场像质允许一定程度的下降,如图4所示。由图4可以看出,在1/2奈奎斯特采样频率175lp/mm处,大部分市场的 MTF值都大于0.45,在285lp/mm处全视场的MTF值都大于0.12,0.707视场的 MTF值大于0.25,在358lp/mm处0.707视场的MTF值均大于0.15,满足照相系统的MTF阈值[4]。由图5可见,在80lp/mm和100lp/mm处MTF值分别大于0.7和0.6。

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4.2 点列图

由图6可看出,所有视场像面上的弥散斑基本上都在衍射极限之内,并且全视场RMS(均方根差)都小于1.5μm,满足弥散斑半径不大于4.2μm的条件。

4.3 场曲和畸变

场曲反应像面的弯曲程度,对像质有很大的影响,由图7可知,场曲矫正在0.03mm范围内,完全满足设计要求,由图7可看出,畸变矫正在2%以内,也符合设计要求。

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4.4 色差和球差

色差分为轴向色差和倍率色差,由图8可知,轴向色差小于20μm,满足系统设计要求,垂轴色差最大为0.6μm,也符合要求,球差在本镜头中很小,完全符合要求。

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4.5 相对照度

对于手机照相光学系统来说,一般相对照度越大越好,随着视场的增大,将导致出射主光线的角度也越来越大,这样就会使相对照度下降,一般来说,全视场相对照度大于0.5即可。在本系统中,由于具有大相对孔径,在全视场相对空间为0.45,虽没有达到0.5的要求,但也能满足拍摄需要,如图9所示。

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5 公差分析

好的光学系统不仅要有良好的像质和结构指标,更要考虑到现代加工工艺水平,加工工艺水平决定了系统公差的大小,所以在设计阶段要充分考虑到系统的公差大小。如果系统容忍的公差很小,就有可能就超过现代加工工艺,最终导致加工失败。
非球面玻璃和塑料镜片可以采用模压成形技术,模压成形技术的光学元件直径为2mm ~50mm,直径公差±0.01mm,厚度为0.4mm~25mm,厚度公差为±0.01mm,面形精度可达到1.5λ。经过对系统公差进行分析,确定设计公差都在加工工艺能达到的范围内。

6 结论

通过对镜头的优化,得到了一款像质较好的800万像素的手机镜头,整体结构紧凑,透镜厚度均大于0.6mm,便于加工铸造。其焦距为4.25mm,有较大的后工作距离(0.5mm),两片载薄片对镜头起到一个很好的保护和滤光作用,其具有较大的相对孔径1/2.45,进光量是一般手机的1.3
倍[5],这样保证了在光线不好情况下手机的拍摄效果。其光学总长为7mm,畸变小于2%,TV畸变小于0.3%,像面主光线出射角度小于25°,像面80%能量集中在2μm范围内。综合来说,此镜头满足实际生产要求。