zemax设计实例之手机镜头重点讲义

1、zemax设计实例之手机镜头2012.03.13 评论关闭 4,757 views  随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大，利用光学设计软件设计一款大相对孔径万像素的广角镜头。该镜头由片非球面玻璃镜片，片非球面塑料镜片，片滤光镜片和片保护玻璃构成。镜头光圈值为，视场角为°，焦距为，后工作距离为。采用 公司的型号万像素传感器，最大分辨率为×，最小像素为。设计结果显示：各视场的均方根差（）半径小于，在奈奎斯特频率处大多数视场的值均大于，畸变小于 ， 畸变小于 。关键词：手机镜头；光学设计；万像素；引言手机镜头的研发工作始于世纪年代，世界上第一款照

2、相手机是由夏普（现在的日本沃达丰）在年推出的手机，它只搭载了一个万像素的数码相机镜头。随后各大手机知名制造厂商纷纷开始研发手机摄像功能。年月日夏普制造了万素的，目前照相手机的市场占有率几乎是，特别是带有高像素、 的镜头就成为镜头研发的热点。目前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，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，优化出了一款万像素的手机镜头。感光器件的选取感光器件有（电荷耦合器件）和（互补金属氧化物半导体）两种。器件产生的图像质量相比于来说要低一些，到目前为止，大多数消费级别以及高端数码相机都使用作为感光元件；感应器则作为低端产品

3、应用于一些摄像镜头上，目前随着技术的日益成熟，也有一些高端数码产品使用器件。相对于有很多优点，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。所以很多手机生产商都采用器件作为手机镜头的图像传感器。目前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。现在国际上生产厂家主要有、等，本文采用公司的 型 号 （），该款传感器采用超低功耗技术，待机状态消耗功率小于，在最高分辨率情况下帧速率为时消耗功率为。的最高分辨率为（犎）×（犞），实际像素值为，其最小像素尺寸为×，有效感光元件对角线尺寸为，由此可得半视场大小为。为了防止加工装配时的误差导致

4、像面的上下偏转，本设计取半视场大小为。即一个空间周期至少有个像素，故此器件所要搭配的光学镜头需要能解析（×） 的空间频率设计指标市场上主流万手机镜头的视场角大约为°，光圈值为，镜头总长小于，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°，达到了广角物镜的要求，光圈值为，具体参数如表所示 设计思路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

5、溶性差。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 ，其折射率和阿贝数分别是和，第二、四面镜片选用聚碳酸酯（），其折射率和阿贝数分别是和，第三面镜片选用日本公司的 材料，其折射率和阿贝数分别是、，第五面镜为的滤光片，滤掉 （）的近红外光，第六面为的保护玻璃，其折射率和阿贝数分别是和。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

6、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。万像素手机结构无非是、 和，本镜头采用的是“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，其视场角为°，光圈值为，光学结构长度，结构如图所示。由片镜片组成，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。优化过程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。由于分辨率的限制，照相物镜所成的像无须象目镜系统那样，成

7、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。手机镜头的分辨率犖犔应大于器件的分辨率犖犚，所以手机物镜所允许的弥散斑半径应为d（）NL （）假设NLNR，代入公式（）可得d，也就是像面上弥散斑半径最大不能大于。手机镜头对于畸变有严格要求，一般控制在内，倍率色差也应控制在衍射极限以内。把初始数据输入到中，发现种像差都很大，其轴上点视场弥散斑均方根（）半径为，轴外点有的甚至达到了，远远大于手机镜头允许的弥散斑直径，如图所示。 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

8、阶，第二、三、四面镜优化到阶。优化步骤可分为步：）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，主光线出射角和默认的优化函数（评价函数选择）等限制参数，进行初步优化。）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）最后把一些像差的权重设置为，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 、 参数等使（调制传递函数）进一步提高，最终达到各个像差平衡。设计结果优化后镜头结构如图所示

9、。光学总长度为，焦距和后工作距离分别为 和，视场为°，像高×，略大于的对角线，主光线最大出射角（）小于°，满足耦合的条件。光学调制传递函数（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（奈奎斯特）采样频率，即最大分辨率为。对于照相镜头，视场以内的区域是主要成像区域，对于范围以外视场像质允许一定程度的下降，如图所示。由图可以看出，在奈奎斯特采样频率处，大部分市场的 值都大于，在处全视场的值都大于，视场的 值大于，在处视场的值均大于，满足照相系统的阈值。由图可见，在和处

10、值分别大于和。点列图由图可看出，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（均方根差）都小于，满足弥散斑半径不大于的条件。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，由图可知，场曲矫正在范围内，完全满足设计要求，由图可看出，畸变矫正在以内，也符合设计要求。 色差和球差色差分为轴向色差和倍率色差，由图可知，轴向色差小于，满足系统设计要求，垂轴色差最大为，也符合要求，球差在本镜头中很小，完全符合要求。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，虽没有达到的要求，但也能满足拍摄需要，如图所示。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 ，直径公差±，厚度为，厚度公差为±，面形精度可达到。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。结论通过对镜头的优化，得到了一款像质较好的万像素的