zemax设计实例之手机镜头

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. 4 5,视场角2 3为6 8 °焦距为4.25mm，后工作距离为0 .5mm。采 用APTINA 公司的MT9E013型号8 0 0万像素传感器，最大分辨率 为3 2 6 4 X2 4 4 8，最小像素为1.4 ym。设计结果显示：各视场的均方 根差（RMS ）半径小于1.4 ym，在奈奎斯特

2、频率1/2处大多数视场的M TF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；8 0 0万像素；Zemax引言手机镜头的研发工作始于2 0世纪9 0年代， 世界上第一款照相手机是由夏普J PHONE （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。2 0 0 3年5月22日夏普制造了10 0万素的JSH 5 3，目前照相手机的市场占有率几乎是10 0%, 特别是带有高像素2M、 3 M、5M、8M 的镜头就成为镜头研发的热点1。目前8 0 0万像

3、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、

4、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(l/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15 yW，在最高分辨率情况下帧速率为15fp s时消耗功率为3 2 0 mWoMT9E013的最高分辨率为3 2 6 4 (®) X 2 4 4 8 (®)，实际像素

5、值为7 9 9 0 2 7 2，其最小像素尺寸为1.4ymX1.4 ym，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. 8 5 5 mmo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2.8 6 7 mm。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 10 00/ ( 2 X1. 4 ) lp/mm= 3 5 8 1 p/mm 的空间频率12 设计指标市场上主流5 0 0万手机镜头的视场角大约为6 0°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

6、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6 8 °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 .7 2 9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1.5

7、8 5和2 9. 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( 7 0 0 nm100 Onm) 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

8、法比较简单方便，而且能达到理想的设计需求。8 0 0万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23为6 8 °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。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

9、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=3581p/mm， 所以手机物镜所允许的弥散斑半径3应为 d=（1.5 1 .2）/ NL （1）假设 NL = NR= 3 5 8 1p/mm,代入公式（1）可得d=4. 2 ym3. 4 ym,也就是像面上弥散斑半径最大不能大于4.2ym。手机镜头对于畸变有格要求，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（R

10、MS ）半径为12 ym,轴外点有的甚至达到了 19 ym,远远大于手 机镜头允许的弥散斑直径，如图2所示。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Zem ax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Ze max默认的优化函数（评价函数选择PTV+SpotRadius+Chi ef）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

11、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4.2 5 mm 和0 .5 mm，视场为6 8° 像高 2.867 X2 = 5.734mm,略大于CMOS的对角线5.7mm，主光线最大出射角（CRA）小于2 5 &#

12、176;满足CMOS耦合的条件。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Ny quist （奈奎斯特）采样频率，即最大分辨率为3 5 8 1 p/mm。对于照相镜头，0.7 0 7视场以内的区域是主要成像区域， 对于0. 7 07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17 5 1p/mm处，大部分市场的MTF值都大于0.45，在2 8 5 1 p/mm处全视场的MTF值都大于0 .12，0.70 7视场的

13、 MTF值大于0 .25，在3 5 8 1 p/mm处0 .7 0 7视场的M TF值均大于0 .15，满足照相系统的MTF阈值4。由图5可见，在8 0 1p/mm和10 0 1p/mm处MTF值分别大于0.7和0 .6。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1.5 ym,满足弥散斑半径不大于4.2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. 0 3 mm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。4.4 色差和球差色差分为轴向色差和倍

14、率色差，由图8可知，轴向色差小于2 0ym,满足系统设计要求，垂轴色差最大为0.6 ym,也符合要求，球差在本镜头中很小，完 全符合要求。Fif 8 LoniludinaJ uberruliun4.5 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。03.4 6» 10.2 13.6 17 20.4 23.8 27.2 30.6 54丫视场“

15、XO6 5 4 3 a J o o o o0.20.1O.(JBB 9相对照度Fi 9 Relative IHuniimttkHi5 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 5 0mm，直径公差 ±0.01mm，厚度为0 .4mm 25mm， 厚度公差为±0. 0 1mm,面形精度可达到1.5入。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