zemax設計實例之手機鏡頭

1、zemax設計實例之手機鏡頭2012.03.13 評論關閉 4,757 views隨著手機市場對高像素手機鏡頭的需求增大， 利用Zemax光學設計軟件 設計一款大相對孔徑800萬像素的廣角鏡頭。該鏡頭由1片非球面玻璃鏡片， 3片非球面塑料鏡片，1片濾光鏡片和1片保護玻璃構(gòu)成。鏡頭光圈值F為2. 4 5,視場角2 3為6 8 °焦距為4.25mm，后工作距離為0 .5mm。采 用APTINA 公司的MT9E013型號8 0 0萬像素傳感器，最大分辨率 為3 2 6 4 X2 4 4 8，最小像素為1.4 ym。設計結(jié)果顯示：各視場的均方 根差（RMS ）半徑小于1.4 ym，在奈奎斯特

2、頻率1/2處大多數(shù)視場的M TF值均大于0.5，畸變小于2 %，TV 畸變小于0.3%。關鍵詞：手機鏡頭；光學設計；8 0 0萬像素；Zemax引言手機鏡頭的研發(fā)工作始于2 0世紀9 0年代， 世界上第一款照相手機是由夏普J PHONE （現(xiàn)在的日本沃達豐）在2001年推出的JSH04手機， 它只搭 載了一個11萬像素的COMS數(shù)碼相機鏡頭。 隨后各大手機知名制造廠商紛紛 開始研發(fā)手機攝像功能。2 0 0 3年5月22日夏普制造了10 0萬素的JSH 5 3，目前照相手機的市場占有率幾乎是10 0%, 特別是帶有高像素2M、 3 M、5M、8M 的鏡頭就成為鏡頭研發(fā)的熱點1。目前8 0 0萬像

3、素的手 機市場占有率還不是太多，但隨著人們對高端手機的需求量越來越大，800萬 像素手機肯定是主流趨勢。鑒于此，在選用合理初始結(jié)構(gòu)的基礎上，優(yōu)化出了一 款800萬像素的手機鏡頭。1 感光器件的選取感光器件有CCD （電荷耦合器件）和CMOS （互補金屬氧化物半導體）兩種。 CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比于CCD來說要低一些， 到目前為止，大多數(shù) 消費級別以及高端數(shù)碼相機都使用CCD作為感光元件； CMOS感應器則作為 低端產(chǎn)品應用于一些攝像鏡頭上，目前隨著CMOS技術的日益成熟，也有一些 高端數(shù)碼產(chǎn)品使用CMOS器件。CMOS相對于CCD有很多優(yōu)點，比如價格 低、集成化程度高、體積小、質(zhì)量輕、

4、功耗低、無光暈、高讀出速率等6。所以很多手機生產(chǎn)商都采用CMOS器件作為手機鏡頭的圖像傳感器。目前CMOS芯片的尺寸越做越小，相應的像素尺寸也越來越小，分辨率反而越來越高。現(xiàn)在國際上CMOS生產(chǎn)廠家主要有Aptina、Omnivision、 STMicro>Toshiba等，本文采用Aptina公司的MT9E013型號7.94mm(l/3.2inch)，該款傳感器采用超低功耗 技術，待機狀態(tài)消耗功率小于15 yW，在最高分辨率情況下幀速率為15fp s時消耗功率為3 2 0 mWoMT9E013的最高分辨率為3 2 6 4 (®) X 2 4 4 8 (®)，實際像素

5、值為7 9 9 0 2 7 2，其最小像素尺寸為1.4ymX1.4 ym，有效感光元件對角線尺寸為5.71mm，由此可得半視場大小 為2. 8 5 5 mmo為了防止加工裝配時的誤差導致像面的上下偏轉(zhuǎn)，本設計取半視場大小為2.8 6 7 mm。即一個空間周期至少有2個像素，故此CMOS器件所要搭配的光學鏡頭需要能 解析 10 00/ ( 2 X1. 4 ) lp/mm= 3 5 8 1 p/mm 的空間頻率12 設計指標市場上主流5 0 0萬手機鏡頭的視場角大約為6 0°光圈值為2.8，鏡頭總長小于1cm,高像素手機由于傳感器件的增大導致像差矯正較為困難，往往都是采用小相對孔徑，這樣

6、會導致成像光照度不足，成像質(zhì)量不理想。本鏡頭的視 場角達到了6 8 °達到了廣角物鏡的要求2,光圈值為2.45，具體參 數(shù)如表1所示3 設計思路3.1 材料選取光學塑料是一種透明的非晶體有機高分子聚合物，它具有透光性好，質(zhì)量輕，成本低，加工簡單等優(yōu)點，但是它也有很多缺點，比如折射率可靠性差，膨脹系數(shù) 大，表面硬度低，耐熱性耐溶性差2。一般手機鏡頭為了考慮成本多數(shù)選用 塑料材料，本鏡頭為了讓成像效果更穩(wěn)定，耐熱性耐溶性更好，在第一面鏡片上 選用N LAK34，其折射率和阿貝數(shù)分別是1 .7 2 9和54.5，第二、 四面鏡片選用聚碳酸酯(POLYCARB)，其折射率和阿貝數(shù)分別是1.5

7、8 5和2 9. 9,第三面鏡片選用日本ZEONEX公司的E48R 材料，其折射率和阿貝數(shù)分別是1 .531、56.0，第五面鏡為K9的濾光片，濾掉( 7 0 0 nm100 Onm) 的近紅外光，第六面為K9的保護玻璃， 其折射 率和阿貝數(shù)分別是1 .516和64.1。3.2 初始結(jié)構(gòu)選取一個好的鏡頭離不開一個合適的初始結(jié)構(gòu)，如果初始結(jié)構(gòu)選擇不當，再經(jīng)驗豐富 的設計者也完成不了設計任務。初始結(jié)構(gòu)的選擇有好多種，可以通過設計者的經(jīng) 驗利用高斯光學原理創(chuàng)造一個初始結(jié)構(gòu)，但這種方法計算繁瑣并且對設計者的像 差理論知識和經(jīng)驗要求較高，除此之外也可以通過查閱手冊或者查詢相關專利來 獲取初始結(jié)構(gòu)，這種方

8、法比較簡單方便，而且能達到理想的設計需求。8 0 0萬像素手機結(jié)構(gòu)無非是4P、1G3P和2G2P，本鏡頭采用的是1G3P 正 負 正 負”結(jié)構(gòu)，初始結(jié)構(gòu)參考了視場和光圈與本設計要求相當?shù)?美國專利，其視場角23為6 8 °光圈值為2.45，光學結(jié)構(gòu)長度7mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由6片鏡片組成，第一片鏡為玻璃材質(zhì)，二、三、四片為塑料 材質(zhì)，第五第六片為玻璃載薄片，孔徑光欄設置在第一片鏡前。3.3 優(yōu)化過程3.3.1 像差矯正對于照相鏡頭，要求有較大的相對孔徑，還要有較大的視場。為了得到大視場除 了消除位置色差、球差、彗差外，對像散、場曲、畸變及倍率色差也必須特別注 意。由于CMOS分辨率

9、的限制，照相物鏡所成的像無須象目鏡系統(tǒng)那樣， 成像 接近理想，往往以像差在像面上形成的彌散斑大小 （即能分辨的線對數(shù)）來衡量 系統(tǒng)的成像質(zhì)量3。手機鏡頭的分辨率犖犔應大于CMOS器件的分辨率犖犚=3581p/mm， 所以手機物鏡所允許的彌散斑半徑3應為 d=（1.5 1 .2）/ NL （1）假設 NL = NR= 3 5 8 1p/mm,代入公式（1）可得d=4. 2 ym3. 4 ym,也就是像面上彌散斑半徑最大不能大于4.2ym。手機鏡頭對于畸變有格要求，一般控制在2%3%內(nèi)，倍率色差也應控制在衍射極限以內(nèi)。把初始數(shù)據(jù)輸入到Zemax中，發(fā)現(xiàn)7種像差都很大，其軸上點視場彌散斑均 方根（R

10、MS ）半徑為12 ym,軸外點有的甚至達到了 19 ym,遠遠大于手 機鏡頭允許的彌散斑直徑，如圖2所示。3.3.2 優(yōu)化思路由于采用了非球面，這樣大大增加了系統(tǒng)的自由度，理論上可以優(yōu)化到無數(shù)階，但考慮到加工成本和技術的限制，第一面鏡優(yōu)化到10階，第二、三、四面鏡優(yōu) 化到12階。優(yōu)化步驟可分為3步：1）把所有透鏡的曲率半徑，厚度，間隔，非球面系數(shù)設置為可變量，在Zem ax中加入焦距，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長度限制條件，各個初級像差，主光線出射角和Ze max默認的優(yōu)化函數(shù)（評價函數(shù)選擇PTV+SpotRadius+Chi ef）等限制參數(shù)，進行初步優(yōu)化。|2）通過改變各個參數(shù)的權重并加入高級像差參數(shù)可得

11、到更好的像質(zhì)， 比減少高 級像差，如果高級像差不能矯正，則可以嘗試換其他的玻璃來優(yōu)化， 也可以通過 手動微調(diào)來反復優(yōu)化，這樣有可能得到更優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)3）最后把一些像差的權重設置為0,最好只加入結(jié)構(gòu)限制的參數(shù)和默認的優(yōu)化 函數(shù)進行優(yōu)化，也可以通過加入 MTFS、MTFT 參數(shù)等使MTF （調(diào)制傳 遞函數(shù)）進一步提高，最終達到各個像差平衡。4 設計結(jié)果 優(yōu)化后鏡頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。光學總長度為7mm，焦距和后工作距離分別為4.2 5 mm 和0 .5 mm，視場為6 8° 像高 2.867 X2 = 5.734mm,略大于CMOS的對角線5.7mm，主光線最大出射角（CRA）小于2 5 &#

12、176;滿足CMOS耦合的條件。4.1 光學調(diào)制傳遞函數(shù)MTF （調(diào)制傳遞函數(shù)）是能全面評價一個光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量，它是在光學設計完成后，不需要進行試制就能比較具體了解光學系統(tǒng)的實際成像能力。此鏡頭分辨率要達到Ny quist （奈奎斯特）采樣頻率，即最大分辨率為3 5 8 1 p/mm。對于照相鏡頭，0.7 0 7視場以內(nèi)的區(qū)域是主要成像區(qū)域， 對于0. 7 07范圍以外視場像質(zhì)允許一定程度的下降， 如圖4所示。由圖4可以看出，在 1/2奈奎斯特采樣頻率17 5 1p/mm處，大部分市場的MTF值都大于0.45，在2 8 5 1 p/mm處全視場的MTF值都大于0 .12，0.70 7視場的

13、 MTF值大于0 .25，在3 5 8 1 p/mm處0 .7 0 7視場的M TF值均大于0 .15，滿足照相系統(tǒng)的MTF閾值4。由圖5可見，在8 0 1p/mm和10 0 1p/mm處MTF值分別大于0.7和0 .6。4.2 點列圖由圖6可看出，所有視場像面上的彌散斑基本上都在衍射極限之內(nèi)， 并且全視場 RMS（均方根差）都小于1.5 ym,滿足彌散斑半徑不大于4.2的條件。4.3 場曲和畸變場曲反應像面的彎曲程度，對像質(zhì)有很大的影響，由圖7可知，場曲矯正在0. 0 3 mm范圍內(nèi)，完全滿足設計要求，由圖7可看出，畸變矯正在2%以內(nèi)，也符 合設計要求。4.4 色差和球差色差分為軸向色差和倍

14、率色差，由圖8可知，軸向色差小于2 0ym,滿足系統(tǒng)設計要求，垂軸色差最大為0.6 ym,也符合要求，球差在本鏡頭中很小，完 全符合要求。Fif 8 LoniludinaJ uberruliun4.5 相對照度對于手機照相光學系統(tǒng)來說，一般相對照度越大越好，隨著視場的增大，將導致 出射主光線的角度也越來越大，這樣就會使相對照度下降，一般來說，全視場相 對照度大于0.5即可。在本系統(tǒng)中，由于具有大相對孔徑，在全視場相對空間 為0 .45，雖沒有達到0.5的要求，但也能滿足拍攝需要，如圖9所示。03.4 6» 10.2 13.6 17 20.4 23.8 27.2 30.6 54丫視場“

15、XO6 5 4 3 a J o o o o0.20.1O.(JBB 9相對照度Fi 9 Relative IHuniimttkHi5 公差分析 好的光學系統(tǒng)不僅要有良好的像質(zhì)和結(jié)構(gòu)指標，更要考慮到現(xiàn)代加工工藝水平， 加工工藝水平?jīng)Q定了系統(tǒng)公差的大小，所以在設計階段要充分考慮到系統(tǒng)的公差 大小。如果系統(tǒng)容忍的公差很小，就有可能就超過現(xiàn)代加工工藝， 最終導致加工 失敗。非球面玻璃和塑料鏡片可以采用模壓成形技術，模壓成形技術的光學元件直徑為 2mm 5 0mm，直徑公差 ±0.01mm，厚度為0 .4mm 25mm， 厚度公差為±0. 0 1mm,面形精度可達到1.5入。經(jīng)過對系統(tǒng)公差進行分析，確定設計公差都在加工工藝能達到的范圍內(nèi)。6 結(jié)論 通過對鏡頭的優(yōu)化，得到了一款像