（光学工程专业论文）高像质手机镜头设计技术研究130万手机镜头.pdf

摘要 随着市场的发展需要，可拍照手机已经逐渐取代低端的数码相机但是手机镜头 的像质还不是很好，中国大陆市场上所销售的可拍照手机大多是3 0 万像素的，所以 1 3 0 万或以上像素可拍照手机镜头的研究和开发有很重要的意义。 本文首先阐述了可拍照手机的历史和发展现状，突出了信息时代可拍照手机镜头 的作用和发展前景。接着结合一款一百三十万像素手机镜头的设计，讲述了高像素手 机镜头的性能参数的选择及优化过程。 此次，主要运行z e m a x 对整个设计进行优化经过反复的调试和修改，依据课题 所给的技术要求进行数据分析，最终得出符合要求的设计结果。 关键字：可拍照手机、镜头、z 隧a ) 【 a b s t r a c t t o g e t h e rw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em a r k e t , l o w - e n dd i g i t a lc a x i i c r a 8h a v eb e e n g r a d u a l l yr e p l a c i n gb yc e l lp h o n e sw h i c hc a nt a k ep i c t u r e s b u tt h ei m a g eq u a l i t yo fc e l l p h o n ec a m e r ai sn o tv e r yg o o d ；m o o to fm o b i l ep h o n eo a l n c r a sb e i n gs o l do nc h i l i c s e m a i n l a n dm a r k 雠c 蛆t a k ep i c h 嘲o f3 0 0 ，0 0 0p i x e l s s ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h e1 3m i l l i o n - p i x e lc e l lp h o n ec a l n c q ac a p r ib es i g n i f i c a n t t h ef i r s th a l fo ft h i sp a p e r d e s c r i b e st h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n ts t a t o bo nt h i ss u b j e c t , h i g h l i g h t e dt h er o l ea n d p r o o p e c to ft h ec e l lp h o n ec a m e r ai nt h ei n f o r m a t i o na g e i tf o c u s e s t h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so fs e l e c t i o na n do p t i m i z a t i o n 弘嘲b ，c o m b i n i n ga1 3m i l l i o n - p i x e lc e l l p h o n e sd e s i g n z e m a xs o h v a r ei su s e df o ro p t i m i z a t i o no fw h o l ed i g n t h r o u g hr e p e a tt h et e s t s a n dm o d i f i c a t i o n sa n di ni l c o o r d a o c ew i t ht h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o rd a t aa n a l y s i s ， u l t i m a t e l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h er e s u l t s k e y w o r d s ：c e l lp h o n ec a m e r a , l e n sa n dz e m a x 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 一 r o 研究生签名：递；盘超鲨一 加；年f ，月“日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：塑迸) 叩6 年。月“日 工程硕士学位论文高像质手机镜头设计技术研究 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 随着可拍照手机的发展及手机镜头相关工艺的突破，低端的数码相机已逐步被可 拍照手机所取代。现在，可拍照手机基本上占领了三十万像素以下的市场，而数码相 机占领了三百万像素以上的市场。虽然手机正逐步成为集通信，拍照，肝3 ，卯4 等 功能为一体化的便捷式电子产品，但目前市场上拍照手机的画质还不是十分理想，所 以开发高像素( 1 3 0 万或以上) 的手机镜头显得尤为迫切和重要。 本设计采用1 3 0 万像素的手机镜头作为目标及突破口! 目的是通过对百万像素手 机镜头的开发设计，研究高像素手机镜头的设计和优化方法，积累运用z i 珈a x 软件完 成一个高像素手机镜头的开发经验。 1 2 可拍照手机镜头与数码照相镜头的比较 主要从以下方面进行比较： ( 1 ) 难点不同 可拍照手机镜头的难点在于如何控制镜头的总长度因为目前可拍照手机正在趋 于超薄化，所以为适应手机外观的发展就需要在有限的空间内完成照相机镜头的功 能这就需要缩短镜头的总长度；而数码相机的体积和有用空间相对手机比较大所以 其对总长的要求不是很严格，只要在能保证成像质量的情况下对总长不做限制 ( 2 ) 研究的重点不同 可拍照手机镜头研究的重点在于塑料非球面使用。塑料非球面的加工工艺和参数 控制我国目前还处于研讨阶段还没有形成一套完整的体系，而数码相机大多使用的是 性能稳定、工艺成熟、便于加工的玻璃球面，其很多用户及商家都说玻璃镜头透光率 佳、投射图像更清晰。不过目前许多测试报告都显示，玻璃的透镜并不一定比塑料材 料能带来更清晰的图像，同时玻璃镜头也可能增加相机重量。而且在镜头设计中彗差、 像散、桶形和枕形畸变等成像缺陷是玻璃球面表面不可避免的结果，但所有这些能用 非球面来克服“1 。非球面有效产生很好修正图像的能力，提高成像质量，增加光学系 统的视场并减少光学元件的数目，从而减轻镜头的体积和重量 ( 3 ) 使用镜片的数量不同 手机镜头体积比较小所以要求使用的镜头数量就比较少，大多在3 到4 片左右； 而数码相机为了提高像质且不受体积限制可以使用多于5 片的镜片。 ( 4 ) 市面上使用的感光元件不同 数码相机跟传统相机最大的分别在于记录影像的方式，传统照相机拍摄在感光胶 片上的潜影，经过化学冲洗，即可生成可视影像负片上的负像或反转片上的正像， 而数字照相机拍摄在光敏传感器上的影像，经计算机处理后可在监示器上显示出来， 或经打印机打印出来 绪论工程硕士学位论文 如今的数码相机感光器组件主要有两种：一是c i w o s ，制造成本低但图像效果不 算太好，另一种是c c d ，价格要比c m o s 的高。而可拍照手机普遍上均使用较低价的 互补金属氧化半导体( c m o s ) ；而电荷耦合元件( c c d ) 在对光度的反应会比较好，比 起c m o s 的拍摄镜头，c c d 一般拍摄效果会比较清晰啪。像素的数目越多，拍摄感应到 的图像越精密。因此，像素的数值成为拍照手机等级最关键的判断标准之一。高像素 的数码照相机对成像质量要求比较高，所以选用c c d 可以提高像质。 1 3 研究内容 了解高像素手机镜头发展的重要性，结合实际情况选用可行性材料和方案来达到 本课题的设计；针对一百三十万像素手机镜头设计选定合适的初始结构、相关参数和 镜片的材料；通过z e m a x 软件来完成相关参数和数据的优化及调整，最终设计出性能 较好的一百三十万像素的手机镜头。 包括； ( 1 ) 一百三十万像素手机镜头的设计 ( 2 ) c c d ，c m o s 的相关知识 ( 3 ) 光学设计的相关原理 ( 4 ) 非球面应用 ( 5 ) z e m a x 软件的应用及优化方法 1 4 设计要求及分析 技术要求： 物距：5 0 0 m m 一。 相对孔径d f = 1 3 2 相对畸变： 4 5 m m 相对亮度： 6 嘴 视场角： 5 5 。 总长： 0 2 5 0 7 视场分辨率为1 2 5 1 p m m ，根据生产经验设计m t i 阳1 2 5 1 p 衄： o 2 5 主光线出射角： o 2 5 0 7 视场分辨率为1 2 5 1 p n ，根据生产经验设计 f l f 0 1 2 5 1 p u ： 0 2 5 1 5 小结 拍照手机( c e l lp h o n ec a m e r a ) ，顾名思义既有数码相机功能又有手机功能而 高像素拍照手机的面市，必将对底端数码相机造成冲突。更由于拍照手机的功能多于 数码相机，它既是图像获取设备，又是移动通讯工具，还与声音动画和视频影像有着 千丝万缕的联系，与在拍照手机上衍生出各种多媒体一体机和数码相机不同。照相手 机的内部空间十分有限，而且相当一部分空间为显示和通讯模板占用，所以实现高像 素化绝非易事。 随着可拍照手机的市场需求的不断增长，这种趋势由更高性能可拍照手机的不断 发展而推动，它将可以在更广泛的应用场合下获得更高的图像质量据n t td o d o w o 于2 0 0 4 年9 月进行的一项用户调查显示，可拍照手机在亚洲地区日益普及，而百万 像素级别的可拍照手机是手机用户最希望得到的手机功能。此外，权威行业分析家指 出，可拍照手机市场已超越2 0 0 4 年的d v d ，达到2 2 亿部，成为历史上发展最为迅 速的电子消费品。为了满足市场的庞大需求，手机制造商需要迅速取得功能全面、优 质及高分辨率的图像解决方案，以便能把新颖可拍照手机推进市场。过去高档相机往 往选用c c d 传感器，但目前的随着c m o s 传感器在生产工艺、产品质量方面的改进， 正在被看好。美国专业生产可拍照手机图像传感器的t r a n s c h i p 公司介绍：从c m o s 与c c d 两种成像技术的比较来看，c m o s 的集成度较高，耗电量较低，分辨率也超过 了传统的c c d 器件，而且c m o s 可拍照手机分辨率也在不断提高 虽然可拍照手机的发展历程很短，但其发展速度是相当快的。随着彩信( 唧s ) 、 数码冲印等业务的兴起，数码照片的输出也越来越普及，而3 0 万像素分辨率为 6 4 0 x 4 8 0 ，是保证数码图片效果清晰、色彩饱满的底线。目前市面上的拍照手机大多 为1 0 万像素，如果你要打印手机拍摄到的照片，或者是对照片质量有一定要求的话， 最好选择3 0 万像素的拍照手机不过，即便是3 0 万像素的拍照手机也不能和数码相 机动辄3 0 0 至5 0 0 万的像素相提并论所以开发和研究高像素的手机镜头很有必要性， 工程硕士学位论文 而且它能在很短的时间里迎合市场和客户的需求。 因此。可拍照手机的优点有： 1 ) 随身携带 2 ) 随时使用一无论白天或黑夜 3 ) 传输迅速、快捷高效 4 ) 质量稳定、重塑画面 5 ) 重复使用、感光度可调 可拍照手机的缺点有： 1 ) 所摄影像质量尚略低 2 ) 售价较贵 4 工程硕士学位论文高像质手机镜头设计技术研究 2 可拍照手机的照相原理 2 1 可拍照手机的发展 从诺基亚7 6 5 0 、松下g d 8 8 和n e cn 8 在中国掀起拍照风潮以来，手机拍照在中 国已经历了三年的发展，短短三年的发展，已经有号称7 0 0 万像素的可拍照手机出现 在公众的视野中。如今，3 0 万像素摄像头的产品只需千余元就能买到，拍照功能越 来越强大。而当我们回过头去，这三年里可拍照手机在中国市场上划过的轨迹，我们 会知道很多，也会忘记很多，但不管如何，可拍照手机带来的风暴已经不可阻挡。2 0 0 6 年，手机拍照将会更加热闹 谈到中国市场的可拍照手机，我们就躲不开索爱的t 6 8 1 i e 和t 6 2 8 这条线。t 6 8 作为爱立信在中国市场推出的第一款彩屏手机，在当时可拍照手机还没有开始流行的 时候，选择了使用外置摄像头来增加拍照功能无疑是一个明智的选择。而在爱立信和 索尼合并之后，又推出了旧瓶新装酒的t 6 8 1 i e ，从此开始支持方兴未艾的姗s 功能 这两款机型可以使用爱立信和索尼爱立信前后推出的多款外置摄像头，虽然基本上没 有后期处理功能，拍照的效果也不佳，但毕竟是开先河的第一次，也是可拍照手机在 中国市场的探索者 后来索尼爱立信又推出了t 6 1 8 成为2 0 0 3 年最成功的可拍照手机，其内置l o 万 像素的摄像头，有强大的数据处理功能 在t 6 1 8 出世之前，可拍照手机市场几乎是诺基亚的天下中国市场上第一款3 0 万像素的可拍照手机7 6 5 0 就是诺基亚的。和t 6 8 不同的是，7 6 5 0 使用的是内置摄像 头，这也造就了7 6 5 0 硕大的身形。而在当时的时代，拥有3 0 万像素的摄像头效果是 相当不错的。但是7 6 5 0 的缺点是无法扩充存储卡，当然它自身的内存用于存储拍摄 的照片还是过够用的。后期诺基亚又推出了可以用m m c 卡扩充内存的3 6 5 0 3 6 5 0 首 次内置了动态短片拍摄功能，还可以通过内置的播放器播放，拍摄的动态短片都是 3 g p 格式，可拍摄十几秒的动态短片，而且可以选择保存在姗c 卡上，这样就可以拍 摄很多短片而不用担心手机内存不够了 在2 0 0 4 年n e cn 8 3 0 配置了1 3 0 万像素的c c d 摄像头，有多种拍摄模式选择，内 置闪光灯、最多9 连拍功能、定时拍摄功能等。此摄像头还具备了一般可拍摄手机并 不具备的微距拍摄功能。 在更高像素的手机出现以后，三菱m 9 0 0 号称2 0 0 万像素的手机，采用的是富士 的s u p e rc c d ，这种感光材料拥有比普通手机c c d 更敏锐的成像效果。因此，尽管实 际有效像素值只是百万级别，却能够通过插值放大达到效果不错的2 0 0 万像素照片 三星震撼全球的5 0 0 万像素手机s c h - s 2 5 0 ，配备了光学变焦，这款手机实际上是在 数码相机的机身上加上了手机的功能。此外，大唐g 2 0 n 、三菱m 9 0 0 等手机出现了微 距拍摄功能，以及百万像素以上级别手机普遍支持的存储卡功能。这些都预示着，未 可拍照手机的概述 工程颈士学位论文 来的拍照手机，将会使用更专业的镜头和更好的感光元件以得更好的成像质量。 2 0 0 4 年3 月，索尼爱立信在国内推出首款具有1 3 0 万像素的拍照手机$ 7 0 0 。2 0 0 4 年6 月，日本卡西欧公司已推出三款具有3 2 0 万像素的拍照手机。2 0 0 4 年1 0 月，三 星在韩国汉城推出第一款5 0 0 万像素拍照手机s c h s2 5 0 。2 0 0 5 年初，三星公司又在 德国汉诺信息通讯展览会上推出了一款7 0 0 万像素拍照手机s c h - v 7 7 0 ，配置了7 0 0 万像素的c c d ，1 6 0 万色项级t f t 材质屏幕，还具备3 倍光学变焦、4 倍数码变焦功 能。 拍照手机的像素数从初始的1 0 万飞跃到7 0 0 万。仅仅经过不到3 年的时间。可 以预言，随着c m o s 和c c d 制造技术的不断进步，高像素的拍照手机在不久的将来一 定会成为大众化的电子消费产品。 2 2 可拍照手机的照相原理 拍照手机的照相原理与数码相机的照相原理相似。数码相机是以电子存储设备作 为摄像的记录载体，通过光学镜头在光圈和快门的控制下，实现在感光元件上的曝光， 并在电子存储设备上完成被拍摄的记录。数码照相机主要由输入、控制与处理、存储、 输出、电源五大部分组成，即由镜头、影像传感器c c d 、a d ( 模数转换器) ，m p u ( 微 处理器) 、内置存储器、l c d ( 液晶显示屏) 、p c 卡( 可移动存储器) 和接口( 计算机 接口、电视机接口) 等部分组成 2 3 影像传感器c 啪s c c d 的工作原理和比较 市面上的拍照手机镜头一般上只有两种：c m o s 和c c d 。无论是c c d 还是c m o s ， 它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，c c d c m o s 感光元件的核心都是一个 感光二极管( p h o t o d i o d e ) ，该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电 流的强度则与光照的强度对应脚。现在的消费级数码产品使用的影像传感器主要有 2 3 英寸、1 1 8 英寸、1 2 7 英寸、1 3 2 、1 4 英寸四种。c c d c m o s 尺寸越大，感 光面积越大，成像效果越好。 2 3 i c m o s 的工作原理和特点 c 啪s 图像传感器是摄像器件的一种，是用半导体材料制作的，将图像信号转换为 电信号的器件。其工作原理基于电荷存储原理，即p n 结反向充电，然后在光照条件下 放大，放电速度随光照强度的不同而不同。经过一定时间的放电，每个象素保留的电荷 不一样，这样就实现了光电转换，把图像信号由光学系统聚焦在p n 结象素阵列表面， 逐一扫描象素阵列，就能得到一幅图像的电信号 在可拍照手机镜头设计中，互补性氧化金属半导体c m o s ( c o m p l e m e n t a r y m e t a l - o x i d es e m i c o n d u c t o r ) 和c c d 一样同为记录光线变化的半导体。c m o s 的制造 技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体， 使其在c m o s 上共存着带n ( 带一电) 和p ( 带+ 电) 级的半导体这两个互补效应所 6 工程硕士学位论文高像质手机镜头设计技术研究 产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，c m o s 的缺点就是太容易出现 杂点，这主要是因为早期的设计使c m o s 在处理快速变化的影像对，由于电流变化过于 频繁而会产生过热的现象，而且也仅需要在帧速率下进行重置。c m o s 图像传感器的 优点之一就是低的带宽，并增加了信噪比。 c m o s 的工作原理图( 见图2 3 1 1 ) ，c m 0 s 传感器每个像素点有一个放大器， 信号直接在最原始的时候转抉，方便进行读取。传输已经经过转换的电压。所以会有 更低的电压和更低的功耗。 2 3 2 c m o s 和c c d 的差异 1 ) 结构差异： 图2 3 1 1c m o s 的工作原理 圈2 3 2 1c c o 传感器的结构图2 3 2 2 伽s 传感器的结构 2 ) 灵敏度差异：由于c m o s 传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构 成( 含放大器与a d 转换电路) ，使锝每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积， 因此在象素尺寸相同的情况下，c m o s 传感器的灵敏度要低于c c d 传感器。 3 ) 成本差异：由于c m o s 传感器采用一般半导体电路最常用的c m o s 工艺，可以轻 易地将周边电路( 如 g c 、c d s 、t i m i n gg e n e r a t o r 或d s p 等) 集成到传感器芯片中， 因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于c c d 采用电荷传递的方式传送数据， 7 可拍照手机的概述工程硕士学位论文 只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制c c d 传感 器的成品率比c m | ( ) s 传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品闯世的半年内 突破5 0 的水平，因此，c c d 传感器的成本会高于c m o s 传感器。 4 ) 分辨率差异：如上所述，c m o s 传感器的每个象素都比c c d 传感器复杂，其像 素尺寸很难达到c c d 传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的c c d 与c m o s 传感 器时，c c d 传感器的分辨率通常会优于c m o s 传感器的水平。例如，目前市面上c m o s 传感器最高可达到2 1 0 万像素的水平( o m n i v i s i o n 的0 v 2 6 1 0 ，2 0 0 2 年6 月推出) ，其 尺寸为i 2 英寸，像素尺寸为4 2 5 p m ，但s o n y 在2 0 0 2 年1 2 月推出了i c x 4 5 2 ，其 尺寸与0 v 2 6 1 0 相差不多( i i 8 英寸) ，但分辨率却能高达5 1 3 万像素，像素尺寸也 只有2 7 8 u m 的水平。 5 ) 噪声差异：由于c m o s 传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大 器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器 放在芯片边缘的c c d 传感器相比，c m o s 传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。 6 ) 功耗差异：c m o s 传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷 会直接由晶体管放大输出，但c c d 传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的 电荷移动，而此外加电压通常需要达到1 2 “1 8 v ；因此，c c d 传感器除了在电源管理电 路设计上的难度更高之外( 需外加p o w e r i c ) ，高驱动电压更使其功耗远高于c m o s 传 感器的水平举例来说，o m n i v i s i o n 近期推出的0 v 7 6 4 0 ( i 4 英寸、v g a ) ，在3 0 f p s 的速度下运行，功耗仅为4 0 m w ；而致力于低功耗c c d 传感器的s a n y o 公司去年推出 了i 7 英寸、c i f 等级的产品，其功耗却仍保持在9 0 m w 以上，虽然该公司近期将推 出3 5 栅的新产品，但仍与c 矾0 s 传感器存在差距。且仍处于样品阶段。 综上所述，c c d 传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于c m o s 传感器， 而c m o s 传感器则具有低成本低功耗、以及高整合度的特点。不过随着c c d 与c m o s 传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势“。 2 4 镜头结构分类及选择 镜头是指由不同的透镜经系统组 合而成的整体。由于透镜的折射作用， 景物光线通过镜头，在焦平面上形成清 晰的影像，并使伽o s 感光元件记录景 物的影像。 常用光学镜头诸如望远物镜、显 微物镜、照相物镜和目镜，基本结构包 括四个部分：透镜、隔圈、镜筒、压圈。 隔圈结构类型比较多，它受前后 i 匿匿莅 瑶避避 v 图2 4 1 镜头结构 工程硕士学位论文高像质手机镜头设计技术研究 透镜直径和通光孔径的差别影响较大，也受其它结构要素影响。镜筒结构大体可以分 为两类：直筒式和台阶式1 压圈的结构形式包括外螺纹压圈和内螺纹压圈，在实际 应用中大多采用外螺纹压圈，又根据光学系统对边缘光线是否扩散和外观要求的不同 压圈可以分成三种形式 仅以镜筒和压圈的结构形式组合就可以把镜头结构分为以下六种形式：( 见图 2 4 1 ) 2 5 非球面镜头 2 5 1 非球面镜头 镜头是影响拍照手机图像质量的关键器件之一，如果镜头质量不佳，自然很难拍 拍出清晰的图像传统的镜头所采用的镜片，可以统称为球面镜头，这主要是因为镜 头内镜片的表面曲线是圆孤形，即一个球体的表面曲线，因此称为球面镜头。顾名思 义，非球面镜头就是采用了不同于球面曲线的技术，即将镜片研磨成椭圆面、抛物面、 双曲面等二次曲面，三次曲面或更高次曲面。尽管不同的曲面形状对图像质量的提高 和校准有不同的精度和效果，一般把研磨成高次曲面的镜头统称为非球面镜头 2 5 2 非球面镜头的特点 传统的球面镜头是通过增加镜片的数量来矫正像差的，如果增加变倍率则许多像 差值会增大高级像差更加难以矫正，因而造成拍摄图像的分辨率下降、色彩还原失 真，图像边缘模糊等现象。单个物体通过球面 镜在一个平面成像会出现许多像差，如：球差、 慧差，畸变、像散，色差、场曲等等，为了矫 正这些像差，需要由多个不同折射率的球面镜 片组合来消除，而且对于不同距离，不同视野 范围的物体通过镜头在一个平面成像时，它们 的像差是不同的，随着计算变量的增加，设计 值很难达到理想值，并且结构复杂，难以制造， 而非球面镜片，一般为二次或更高次曲面，可 以满足设计值所要求的复杂曲面形状( 见图 2 5 2 1 ) 。通常一片非球面镜片就能达到多个 球面镜片的矫正球面像差的效果，并且能矫正 部分高级像差，使成像更清晰逼真。球面镜头 变倍率一般不超过5 倍，而非球面镜头不仅镜 图2 5 2 1 非球面原理 片数更减少，体积缩小，分辨率与定焦镜头不相上下色彩还原逼真，变倍率可扩大 到l o 倍以上，具有明显的优势“” 2 6 手机镜头的性能指标和相关术语 9 可拍照手机的概述 工程硕士学位论文 镜头通常有两个较为重要的指标。一个是光圈，它是安装在镜头上控制通过镜头 到达传感器的光线多少的装置，除了控制通光量，光圈还具有控制景深的功能，即光 圈越大，则景深越小。另一个是焦距，它基本上就是从镜头的中心点到传感器平面上 所形成的清晰影像之间的距离，也就是相当于物和像的比例尺。镜头的焦距决定了该 镜头拍摄的物体在传感器上所形成影像的大小。假设以相同的距离面对同一物体进行 拍摄，那么镜头的焦距越长，则物体所形成的影像就越大，反之越小。数码产品的镜 头由多片镜片组成，材质则分为玻璃与塑料两类。 2 6 1 镜头类型选择的依据 1 ) 孔径：n a ( = n , s i nv ) ( 数值孔径) d f ( 相对孔径) f d ( f 数) n , s i nv = d ( 2 f ) = 1 ( 2 x f 数) 2 ) 视场：角视场或线视场( 直径) 3 ) 焦距：f 2 6 2 数码镜头鉴别率 数码相机鉴别率定义为在像面处镜头在单位毫米上可鉴别的黑白线对数。 2 6 3 镜头的分辨率与c m o s 分辨率的匹配 c m o s 的分辨率是用像素总数表示的。在水平方向上镜头对线状分辨率图案的成 像，其每个线宽恰好站用一个像素，我们就称在水平方向上选用的c m o s 与镜头在分 辨率上是相配的；在垂直方向上也可同样理解之这样定义保证了c m o s 在最少像素 总数下，恰好能分辩清像的细节 2 6 4 数码镜头最高分辨率 数码相机能够拍摄最大图片的面积，就是这台数码相机的最高分辨率，通常以像 素为单位。在相同尺寸的照片( 位图) 下，分辨率越大，图片的面积越大，文件( 容 量) 也越大。通常，分辨率表示成每一个方向上的像素数量，比如6 4 0 x 4 8 0 等。 图像包含的数据越多，图形文件的长度就越大，也能表现更丰富的细节。分辨率 和图像的像素有直接的关系，我们来算一算，一张分辨率为6 4 0 x 4 8 0 像素的图片， 那它的分辨率就达到了3 0 7 2 0 0 像素，也就是我们常说的3 0 万像素，而一张分辨率为 1 6 0 0 x1 2 0 0 的图片，它的像素就是2 0 0 万这样，我们就知道，分辨率的两个数字 表示的是图片在长和宽上占的点数的单位。一张数码图片的长宽比通常是4 ：3 。 分辨率是用于度量位图图像内数据量多少的一个参数。通常表示成p p i ( 每英寸 像素p i x e lp e ri n c h ) 和d p i ( 每英寸点) 。p p i 和d p i ( 每英寸点数) 经常都会出 现混用现象。从技术角度说，“像素”( p ) 只存在于计算机显示领域，而“点”( d ) 只出现于打印或印刷领域，请读者注意分辨率 i o 工程硕士学位论文高像质手机镜头设计技术研究 2 6 5 数码镜头的图像分辨率 图像分辨率为数码相机可选择的成像大小及尺寸，单位为像素常见的有6 4 0 x 4 8 0 像素；1 0 2 4 7 6 8 像素：1 6 0 0 x 1 2 0 0 像素；2 0 4 8 1 5 3 6 像素。像素数越小，图像 的面积也越小相应的其容量也越小。在实际应用中，大的像素可用于高质量的大幅面 输出。在成像的两组数字中，前者为图片长度，后者为图片的宽度，两者相乘得出的 是图片的像素，长宽比一般为4 ：3 2 6 6 光圈范围 光圈英文名称为a p e r t 雠e ，光圈是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感 光面的光量的装置它通常是在镜头内我们平时所说的光圈值f 2 8 、f 8 、f 1 6 等是 光圈“系数”，是相对光圈，并非光圈的物理孔径，与光圈的物理孔径及镜头到感光 器件( 胶片或c c d 或c 啪s ) 的距离有关 表达光圈大小我们是用f 值。光圈f 值= 镜头的焦距镜头口径的直径，从以上 的公式可知要达到相同的光圈f 值，长焦距镜头的口径要比短焦距镜头的口径大完 整的光圈值系列如下：f l ，f 1 4 ，f 2 ，p 2 8 ，f 4 ，f 5 6 ，f 8 ，f l l ，f 1 6 ，p 2 2 ，f 3 2 ， f 4 4 。f 6 4 “。 这里值得一题的是光圈f 值愈小，在同一单位时间内的进光量便愈多，而且上一 级的进光量刚是下一级的一倍，例如光圈从f 8 调整到f 5 6 ，进光量便多一倍，我们 也说光圈开大了一级。多数非专业数码相机镜头的焦距短、物理口径很小，f 酽时光 圈的物理孔径已经很小了，继续缩小就会发生衍射之类的光学现象，影响成像。所以 一般非专业数码相机的最小光圈都在阳至f l l ，而专业型数码相机感光器件面积大f 镜头距感光器件距离远，光圈值可以很小。对于消费型数码相机而言，光圈f 值常常 介于f 2 8 一f 1 6 。此外许多数码相机在调整光圈时，可以做1 3 级的调整。 2 6 7 镜头调节的光学原理 镜头的调节主要是指焦距和光圈的调节大多数镜头都标有距离指示，告诉你镜 头调焦的远近、景深范围的大小，以及清晰聚焦区域的宽窄。景深：被摄体周围适度 清晰聚焦的范围对最终影像的出现起着至关重要的作用随着镜头对被摄体聚焦，可 在固定参看符号两边寻找对应于( 或接近) 己调定的光圈f 数，辨认焦距标记下相对 的数值，便可决定有效景深。 影响景深的四个因素是光圈、被摄体到镜头的距离、以及镜头的焦距和像素数的 大小焦距最短的镜头对准无限远聚焦时，其最小的有效光圈能产生最大景深。也就 是说光圈越大，焦距越长，被摄体距离越近，景深就越小光圈的调整是控制胶片曝 光的一个重要因素最佳光圈的选择有赖于景物所需的景深多少和快门速度的调定 2 6 8 影响像质的几个因素 1 ) 像素数拍照手机镜头的像素通常有三种表示方法：标称像素、有效像素、插 l l 可拍照手机的概述 工程硕士学位论文 值像素。插值像素指先把相邻两光学像素的真实数字影像信息取平均值，得到新的 虚拟影像信息，而后将此人为增加的新信息作为新像素插补在原两真实像素之间，即 通过软件计算对原数字影像信息进行赋予人为增加之新虚拟信息的插补，以填补由于 受影像传感器总像素所限，而在拍摄时可能缺失的信息。标称像素指手机厂家在广告 中所宣称的总光学像素，它指作为影像传感器的c c d 或c m o s 所具有的理论总光学像 素数，又称总像素。有效像素指该c c d 或c t d o s 传感器在摄影时真正参与成像工作的 光学像素数。由于受诸多因素的限制与影响，标称像素( 即理论总光学像素数) 中的 全部像素不可能均参与实际成像，故此有效像素一般比标称像素要小。 2 ) 感光元件( c 如s ) 的尺寸感光元件越大，每个像素的尺寸就越大。像素尺寸 越大，所能处理的数据量就会增加，从而就能够区别微细光线的颜色和强度。也就是 说就能够生成层次感丰富的照片。现有c m o s 的尺寸有：1 1 8 英寸、1 2 7 英寸、i 3 2 、 1 4 英寸四种。 3 ) 镜头的影响一个好质量的镜头是成像质量好坏的至关重要的一个因素。镜头 的功能是将光线聚集到感光面上，它好比相机的“眼睛”。镜头越好，聚焦点越准确， 拍出的照片越清晰。 工程硕士学位论文 高像质手机镜头设计技术研究 3 光学系统设计 3 1 像差简介 利用光学系统的近轴区可以获得完善成像，但没有什么实用价值因为近轴区只 有很小的孔径( 即成像光束的孔径角) 和很小的视场( 即成像范围) ，而光学系统的功 能，包括对物体细节的分辨能力、对光能量的传递能力以及传递光学信息的多少等， 正好是被这两个因素所决定的“”要使光学系统有良好的功能，其孔径和视场要远比 近轴区所限定的为大 当光学系统的孔径和视场超出近轴区时，成像质量会逐渐下降。这是因为自然点 发出的光束中，远离近轴区的那些光线在系统中的传播光路偏离理想途径，而不再相 交于高斯像点( u p 理想像点) 之故。这时，一点的像不再是一个点，而是一个模糊的弥 散斑：物平面的像不再是一个平面，而是个曲面，而且像相对于物还失去了相似性 所有这些成像缺陷。称为像差。用单色光成像时有五种不同性质的像差，即球差、 彗差、像敢、场曲和畸变 1 ) 球面像差( 对称的像差) ：当沿着光轴的平行入射光不能完全聚焦时，我们称 为r 球面像差j 图3 1 t 1 透镜的球面像差 2 ) 彗形像差( 不对称的像差) ：倾斜于光轴的平行入射光无法完全聚焦的情况， 我们称为f 彗形像差j 光学系统设计工程硕士学位论文 图3 1 2 彗形像差 3 ) 弯曲的像场：即使光学系统能完美地聚焦，但是却常发生它们的聚焦平面与我 们希望的成像平面不一致。因此透镜会有b e n d i n g 的设计 致。 1 4 吵黼， 图3 l3 弯曲的像场 4 ) a s t i g m a t i s m ：因为物体经由透镜成像时，常会发生x 轴与y 轴的聚焦点不一 图3 1 4a s t i g l a t i s i 5 ) 变形：基本上变形的发生不能看似完全的像差它并不是因为影像的聚焦不良 工程磺士学位论文 高像质手机镜头设计技术研究 所致，相反的它是清晰的成像，但是却发生与原来的物体的外型不一致 f 一f 1 l l 一“近。j 图3 1 5 变形 前三种像差破坏了点点对应。其中，球差使物点的像成为圆形弥散斑，彗差造成 彗星状弥散斑，而像散则导致椭圆形弥散斑。场曲使物平面的像面弯曲，畸变使物体 的像变形 此外，当用较宽波段的复色光成像时，由于光学媒质的折射率随波长而异，各色 光经透镜系统逐面折射时，必会因色散而有不同的传播途径，产生被称为色差的成像 缺陷( 见图3 1 6 ) 。色差分两种：位置色差和倍率色差。前者导致不同的色光有不同 的成像位置，后者导致不同的色光有不同的成像倍率两者都使像带色而严重影响成 像质量，即使在近轴区也不能幸免 图3 1 6 色像差 3 2 像差与光学设计 各种像差的实际值需通过若干条光线的追迹而得知但是，在稍大于近轴区的范 围( 称赛德耳区) 内，成像缺陷可以用初级像差( 也称赛德耳像差) 来描述。初级像差值 只需通过对二条近轴光线的追迹就能全部计算出来。目前，像差( 特别是初级像差) 已有相当完整的理论，是光学系统设计的理论基础n 岫 为使光学系统在具有大的孔径和视场时能良好成像，必须对像差作精细校正和平 衡，这不是用简单的系统所能实现的。所以，高性能的实际光学系统需要有较复杂的 结构形式。 一个光学系统须满足一系列要求，包括：放大率、物像共轭距、转像和光轴转折 光学系统设计工程硕士学位论文 等商斯光学要求；孔径和视场等性能要求，以及校正像差和成像质量等方面的要求。 这些要求都需要在设计时予以考虑和满足。因此，光学系统设计工作应包括：对光学 系统进行整体安排，并计算和确定系统或系统的各个组成部分的有关高斯光学参量和 性能参量；选取或确定系统或系统各组成部分的结构形式并计算其初始结构参量；校 正和平衡像差；评价像质”。 像差与光学系统结构参量( 如透镜厚度、透镜表面曲率半径等) 之间的关系极其复 杂，不可能以具体的函数式表达出来，因而无法采用解方程之类的办法直接由像差要 求计算出系统的精确结构参量。现在能做到的是求得满足初级像差要求的解。 初级像差是实际像差的近似表示，仅在孔径和视场较小时能反映实际的像差情 况，因此，按初级像差要求求得的解只是初始的结构参量，需对其进行修改才能达到 像差的进一步校正和平衡，在这一过程中，传统的做法是根据追迹光线得到的像差数 据及其在系统各面上的分布情况，进行分析、判断，找出对像差影响大的参量，加以 修改，然后再追迹光线求出新的像差数据加以评价。如此反复修改，直到把应该考虑 的各种像差都校正和平衡到符合要求为止。这是一个极其繁复和费时很多的过程。 3 3 光学设计软件 电子计算机的问世和应用，给光学设计工作以很大的促进。光学自动设计能根据 系统各个结构参量对像差的影响，同时修改对像差有校正作用的所有参量，使各种像 差同时减小，因此能充分发挥各个结构参量对像差的校正作用，不仅加快了设计速度， 也提高了设计质量。 在光学自动设计中，需构造一个既便于计算机作判断又能反映所设计系统像质优 劣的评价函数，以引导计算机对结构参量的修改通常，用加权像差的二次方之和构 成评价函数，它是系统结构参量的函数。每修改一次结构参数( 称为一次迭代) 都会引 起评价函数值的变化，如果有所降低，就表示像差有所减小，像质有所提高 结构参量的改变要有一定的约束，以保证有关边界条件得到满足。所以，所谓光 学自动设计，就是在满足边界条件的前提下，经过若干次迭代，由计算机自动找出一 组结构参量，使其评价函数为极小值。现在用于光学自动设计的数学方法很多，较为 有效、已为大家所采用的有阻尼最小二乘法，标准正交化法和适应法等 3 3 1 z i m a x 与l f l f 函数 z 瞰x 是一个用来模拟、分析和辅助设计光学系统的软件 它提供了十分强大的优化功能，有能力去改善那些给出一个合理的起始点和一系 列可变量的镜头设计。可变量可以是曲率，厚度，玻璃，圆锥系数，参数数据，特殊 数据，和一些多种结构的数值数据。z e i d a x 使用了有效的阻尼最小二乘法，这个运算 法则能够优化由加了权重的目标值组成的评价函数，这些目标值称为“操作数” 阻尼最小二乘法最显著的特点是，它不直接求解像差线性方程组，而把各种像差 工程磺士学位论文 高像质手机镜头设计技术研究 残量由的平方和构成一个评价函数m 。通过求评价函数的极小值解，使像差残量逐步 减小，达到校正像差的目的它对参加校正的像差数m 没有限制而且主要适用于_ 大于自变量数n 的情形 调制传递函数m t f o i o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ) ：实际像与理想像之间调制 度之比相对空间频率的函数，称为调制传递函数。它可清晰地表示出摄影镜头以怎样 的调制度，传递某一空间频率。 摄影镜头把景物的调制度信息，传递到像平面处，变为实际影像的调制度信息， 在此传递过程中，该摄影镜头的调制传递函数值为l n 甲值= 盥式中为实际 影像的调制度，置为理想像的调制度。 调制传递函数值一般在1 至0 之间变化，评价函数是一个如何使一个光学系统接 近一组指定的目标的数值表示。z 龇x 使用了一系列操作数，它们分别代表系统不同 的约束条件和目标操作致所代表的目标有像质、焦距，放大率和其他很多指标 3 3 2 缺省的评价函数及优化 这些评价函数与z 尉a 】【列表中的每个操作数的目标值和实际值之差平方的加权 和的平方根成比例。由于评价函数的这种定义，所以0 值代表理想状态。优化算法将 使这些函数值尽可能小，所以评价函数应该是理想系统达到的结果的一种表示 优化类型的选择： z 蹦 x 可以使用几种不同评价函数类型缺省的评价函数通过使用四个基本选择 来构建的，它们是：优化类型，数据类型，参考点和积分方法 p t v 是波峰到波谷的简称。在一些不常见的情况，跚s 和误差的最大范围同样不 重要 髓s 是均方根的简称。到目前为止，这种类型使用最为广泛。r m $ 是所有单个误 差平方的平均值的平方根。 优化需要三个步骤： 1 ) 一个可以进行光线追迹的合理光学系统； 2 ) 变量的设定； 3 ) 评价函数的设定合理的光学系统是一个比较模糊的概念，它仅仅意味着通 过优化算法将一个缺乏考虑的设计方案转化成一个优秀的方案是不可能的 ( 虽然有一些例外情况) 。变量可在不同编辑界面中进行详细说明，在评价 函数编辑界面中可以很容易地改变这些评价函数。 3 3 3 归一化的视场和光瞳坐标 归一化的视场和光瞳坐标常常用在z 髓 ) 【的程序和文件中，一共有四个h i ，h y ， p i 和p y h i 和h y 值是归一化的视场坐标；p l 和p y 值是归一化的光瞳坐标。 归一化的视场和光瞳坐标代表了一个单位圆的点。视场的半径尺寸( 或当视场用 光学系统设计工程颂士学位论文 物高这个术语来表示时，其物体的高度) 用来衡量归一化视场坐标，而入瞳半径则用 来衡量归一化的光瞳半径。例如，假设最大物高是1 0 咖，经常遇到的情况为：分别 在0 ，7 和l o m m 处定义了3 个视场坐标( h i o ，h y = 1 ) 指的是一条从物体上边缘点 发出的光线即( x = o m m ，y = l o m m ) 。坐标( h l = 一l ，t t y = o ) 指的是一条从物平面 ( x = - l o m m ，y = o a m ) 处发出的光线。光瞳坐标也用同样的方式 使用归一化坐标的优点是一组特定的光线有着相同的坐标，它不随着物体或入瞳 的大小为质的改