拍照手机镜头MTF的测量方法[1].pdf

文章编号 100525630 2006 0220017205 拍照手机镜头M TF的测量方法 朱建新 吴国诚 信统光电科技 深圳 有限公司 广东 深圳518031 摘要 镜头调制传递函数 M TF 的测量有正投影和逆投影两种方法 拍照手机镜头由 于体积小 后焦短 所配感光器的像素越来越高 正投影法测量用的CMOS CCD受其保护 玻璃厚度和自身像素的制约而有局限性 逆投影法颠倒镜头成像系统物和像的位置 克服 了手机镜头后焦 像素等的限制 实验结果证明逆投影法能快速测量拍照手机镜头的M TF 方便评定镜头的品质 有较大的实用价值 关键词 M TF 拍照手机镜头 逆投影法 后焦 线性CCD 中图分类号 TH811 文献标识码 A M easuring method of mobile phone lensM TF ZH U J ian2x in W U Guo2cheng Sysnix Opto2electronic Science and Technology Shenzhen Co L td Shenzhen 518031 China Abstract There are obverse and adverse projection two methods for measure modulation transfer function M TF of lens The volume of mobile phone lens is very small the back focus length of lens is very short and resolution pow er of sensor is more and more high The obverse projection method is li m ited because of protective glass and pixel of CMOS CCD The adverse projection measuring method reverse the position of object and i mage in the i maging system of lens it overcome back focus length and resolution pow er li m itation The experi mental result indicates that adverse projection measuring method can speedy measureM TF of mobile phone lens It is convenience to evaluate the quality of mobile phone lens and has a good utility value Key words M TF mobile phone lens adverse projection back focal length BFL linear CCD 1 引 言 自第一台拍照手机在日本诞生至今在不到4年的时间里 照相手机发展迅速 尤其是2004年 多家日 本 韩国公司推出200 300万像素的照相手机 国内的一线手机厂商也纷纷推出照相手机新品 技术创新 推动了拍照手机的扩张 2004年全球拍照手机的销量占全部手机销量的44 预计2006年百万像素以上 的拍照手机将成为市场主流 1 照相手机的摄像头有光学镜头 lens CMOS CCD感光元件 sensor 软排线FPC等部分组成 由 于光学镜头起到调整焦距将图象清晰地在焦平面上成像的作用 因此镜头的影像品质直接影响拍摄的质 第28卷 第2期 2006年4月 光 学 仪 器 OPT ICAL I N STRUM EN TS Vol 28 No 2 April 2006 收稿日期 2005207211 作者简介 朱建新 19622 男 浙江绍兴人 硕士 主要从事光学光电检测设备方面的研究 量 一般来说 像素越高 图片的分辨力越高 照片的质量越好 对镜头的要求也越高 通常用镜头的调制 传递函数M TF modulation transfer function 或亮暗比 contrast 综合客观地评价镜头的品质 拍照手机 镜头和普通数码相机镜头相比有其特别之处 镜头体积受手机空间的制约 体积小 后焦短 解像力要求也 越来越高 目前M TF测量系统可选的1 2英寸CMOS最高像素是320万 其玻璃保护层厚约1mm 130万像素1 4英寸CMOS其保护层厚约0 55mm 相应CCD的玻璃保护层更厚 因为测量系统用的感光 元件的像素必须高于与被测镜头相配的感光元件的像素且每个像素的尺寸必须小于搭配镜头的感光元件 的像素的尺寸 所以V GA镜头的后焦如果小于0 55 mm 百万像素镜头的后焦小于1 mm 用正投影法来 测镜头的M TF CMOS接受感光信号是困难的 用正投影法测量M TF时 随着镜头解像力的要求进一步 提高 找到合适的测量用CMOS是不易的 逆投影法可以有效解决这些问题 2 测量原理 测量镜头M TF的逆投影法是相对于正投影而言 图1是正投影法的测量示意图 图2是逆投影法的测 量示意图 图1 正投影测量法 图2 逆投影测量法 镜头的M TF可以用如下公式计算 M A B A B 其中A Ip Id B Iv Id 式中Ip是输出信号电流峰值的平均值 Iv是输出信号电流谷值的平均值 Id是暗电流 参见图3 图3 CCD输出信号波形图 M TF可以叙述为 通过镜头使标准标板 chart 成像时 表示一定空间频率反差传递比率的大小 空 间频率是在像面上每毫米内黑白相间的线对数 以每毫米若干线对表示 lp mm 通常 M TF值随空间频 81 光 学 仪 器第28卷 率的上升而下降 定性的讲 一个镜头的M TF值越大越好 M TF曲线包围的面积越大越好 偏离光轴的 点子午方向 S 和弧矢方向 T 的M TF值越接近越好 2 在实际应用中 有意义的是在一定的空间频 率下 M TF随成像面在焦平面附近的位置改变而变化的情况 这时得到的曲线称离焦曲线 更改空间频率 只需改变标板 Chart 线对的粗细 将特殊设计的玻璃标准标板 chart 置于镜头的像面 原则上镜头可以无限靠近chart面 对镜头的后 焦没有限制 在镜头物面处根据需要放置线性CCD 一般测量中心点5和周边0 7像场1 2 3 4点的S和T 方向的M TF 共5组10支线性CCD 见图4 被测镜头由PC控制步进马达带动升降 能根据设定自动找到 最佳像平面 图4 M TF测量点分布 5 点10支CCD 标准标板上的黑白线对经被测镜头投影到物面上 置于物面的线性CCD模组将测试条纹的光线能量 转换成电信号 3 得到光强强度随离焦位置而变化的电信号 经过放大 A D转换送入电脑 有电脑计算 镜头各点的M TF值 并画出中心点及周边像场4点的一组离焦曲线 据此 可以判断镜头的品质 分析镜 头的优劣 镜头所搭配的感光元件CMOS CCD的像素越高 标板上的线对就越细 逆投影法对镜头所搭配的感 光元件的像素没有限制 从10万像素到200万像素 甚至300万像素 500万像素 只要标板的线对足够细 例 如 8 m线宽的标板 对应镜头的中心M TF为60 lp mm 4 m线宽的标板 对应镜头中心的M FT为 125 lp mm 而现在的光刻技术已能方便地满足加工标板的要求 对镜头来说 成像面边缘的分辨能力只 有中央分辨力的50 70 为了保证全画面的分辨力 中心区域线对细 周边线对相对较粗 130万像 素的手机镜头可以选用中心6 m周边8 m线宽的标板 3 系统的组成 根据测量原理 组成M TF测量系统如下 图5 测量系统框图 系统有三大部分组成 3 1 电子部分 信号采集卡 接收CCD输出的信号 91 第2期朱建新等 拍照手机镜头M TF的测量方法 信号交换处理卡 放大采集卡信号并进行模 数转换 马达驱动器 将电脑送来的脉冲信号转换为推动步进马达所需之电流变化驱动马达 自动寻找最 佳像平面 电脑 CPU P4 1 8G以上 HD 40G RAM 256 M 3 2 机械部分 测试平台 有标板与光纤灯源组成 冷光源 截断红外线 通过光纤传光束由标板正下方往正上方 打光 经被测镜头投影于CCD模组上 平台的精密机械微调机构可调节标板的平面度 镜头光轴和标板的 同轴度 CCD模组 5组CCD 中心一组 0 7像场四点四组 将测试条纹的光信号转换成电信号 每组电 压耦合元件模组包含两支互相垂直CCD Toshiba TCD21201 D 及信号采集电路 每组CCD装在滑轨 上 径向位置可调 物面的位置可以根据不同规格镜头的需要上下调节 3 3 信号处理软件 发展于W indow s2000平台的控制和处理软件是运作的核心 它包括信号处理和计算 CCD信号切换 定位 亮暗比值计算 后焦计算 焦深计算 最佳像平面寻找及判断 马达控制 步进马达速度 步距的控 制 人机介面 镜头校准与自测 主画面显示镜头的品质优劣 测量结果显示 存档和打印 4 实验结果 被测镜头用专用治具固定在测试平台上 图6为一款130万像素 1G2P 拍照手机镜头M TF测量的主 画面 图中右下是测量结果 和在电脑中预先设定的合格值比较后综合判定OK或N G 左下是5点10条 离焦M TF曲线 右上是后焦BL F和焦深DOF 左上是5点10个M TF值 中间长条图是5点10个 M TF动态值 图6 测量结果和界面 手机镜头的M TF逆投影测量系统能快速 准确 可靠测定拍照手机镜头的成像品质及相关的光学特 性 用电脑作为计量工具 简化了操作过程 测量一个镜头平均用时 5s 10s 效率较高 除了在生产线上检 验镜头M TF的合格率 亦可分析镜头组装上的缺陷 5 结 论 拍照手机镜头M TF的逆投影测量法倒置镜头成像系统物 像的位置 线性CCD取代面型CMOS CCD取得感光信号 利用现代数字图像处理技术自动测量镜头M TF等光学特性参数 解决了正投影测量 02 光 学 仪 器第28卷 法无法克服的手机镜头后焦短 像素高的问题 实现拍照手机镜头品质的快速鉴定 有较大的实用价值 6 参考文献 1 厦门宇博网络信息技术有限公司 2004年中国手机制造产业研究报告 EB OL http www chinabgao com 20042062011 2 母国光 战令元 光学 M 北京 人民教育出版社 1979 3 王庆有 孙学珠 CCD应用技术 M 天津 天津大学出版社 1993 消 息 直径6英寸半绝缘砷化镓单晶生长技术通过专家鉴定 由中国科学院半导体研究所和北京中科镓英半导体有限公司共同承担的 863项目 直径6英寸 半绝缘砷化镓单晶生长技术研究成果 不久前通过了专家鉴定 鉴定委员会认为 该项目研制出的晶体技 术指标均达到同期国内领先 国际先进水平 并且晶片加工技术指标也达到了国际先进水平 目前 半绝缘砷化镓 GaA s 已成为一种重要的微电子和光电子基础材料 随着器件和电路的大批量 生产 为了提高生产效率 降低成本 使用大直径的衬底晶片是必然的发展趋势 直径6英寸半绝缘砷化镓 晶片将很快成为制造微波和光通信电路的主流衬底晶片 中科院半导体所科研人员经过攻关 在大直径半绝缘砷化镓单晶生长技术 材料应力方法及设备测 试 开盒即用晶片加工技术和产业化平台建设方面取得了突破性进展 该项目研究并掌握了具有自主知识 产权的 3英寸 6英寸大直径半绝缘砷化镓单晶生长控制技术及晶锭退火技术 并开发了 2 英寸 6英寸砷化镓开盒即用晶片的多线切割 晶片加工中几何参数的控制 砷化镓晶片光洁度的检测与控制 等技术 该项目还研制成功在国际上属首创的具有自主知识产权的砷化镓应力测试系统