基于ZEMAX軟件手機(jī)攝像鏡頭的設(shè)計(jì)研究

唐盼磊，王建東

電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，四川成都 610000

1 關(guān)于ZEMAX軟件和手機(jī)攝像頭

1.1 認(rèn)識(shí)ZEMAX軟件

ZEMAX是用光線追跡的方法模擬折射、反射和衍射的序列及非序列光學(xué)系統(tǒng)的透鏡設(shè)計(jì)程序。ZEMAX用“面”的概念模擬序列光線追跡，用“組件”或“物體”的概念模擬非序列光線追跡[1-3]。

1.2 認(rèn)識(shí)手機(jī)攝像頭

手機(jī)攝像頭的原理：

在手機(jī)的CPU上通過(guò)集成攝像頭驅(qū)動(dòng)和視頻處理系統(tǒng)等，一般的手機(jī)CPU和攝像頭數(shù)據(jù)信號(hào)有八個(gè)到十個(gè)，這要根據(jù)攝像頭自身的特點(diǎn)和手機(jī)CPU的型號(hào)來(lái)確定，當(dāng)拍照或攝像狀態(tài)被啟用時(shí)，且保證了相應(yīng)的電壓，然后由CPU送出的復(fù)位信號(hào)實(shí)現(xiàn)攝像頭的復(fù)位操作，數(shù)據(jù)的傳送就開始進(jìn)行了，攝像頭同時(shí)也進(jìn)入工作狀態(tài)。

2 基于ZEMAX軟件手機(jī)攝像鏡頭的設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 初始結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)

手機(jī)攝像頭物鏡屬于大視場(chǎng)大孔徑系統(tǒng)，因此大大增加了需要校正的像差，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，所以初級(jí)像差求解的方法不能滿足手機(jī)攝像頭物鏡設(shè)計(jì)對(duì)初始結(jié)構(gòu)的確定，而是要求一個(gè)接近于設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)作為原始系統(tǒng)，我們可從手冊(cè)、資料或?qū)＠墨I(xiàn)中找出。在選擇初始結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)相近的焦距找到要求不高，一般在相對(duì)孔徑和視場(chǎng)角達(dá)到要求時(shí)，我們就可以將此初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體縮放得到要求的焦距值[7-10]。

圖像傳感器或攝入底片的空間范圍由有效焦距和照相物鏡的視場(chǎng)角決定，公式y(tǒng)=-ftanw用來(lái)計(jì)算鏡頭所成的半像高y，其中f指示為有效焦距，w指示為視場(chǎng)角。為防止CMOS裝調(diào)偏離光軸而形成暗角，半像高y應(yīng)稍大于圖像傳感器CCD或CMOS的有效成像面對(duì)角線半徑。

2.2 輸入?yún)?shù)到ZEMAX軟件

將系統(tǒng)中第六面設(shè)為光闌面，厚度設(shè)為marginal ray height，移動(dòng)光標(biāo)到STO光闌面（中間一個(gè)面）的“無(wú)窮（Infinity）”之上，按INSERT鍵。這將會(huì)在那一行插入一個(gè)新的面，并將STO光闌面往下移。新的面被標(biāo)為第2面。再按按INSERT鍵兩次。移動(dòng)光標(biāo)到IMA像平面，按INSERT鍵兩次。然后將大小分別為4mm、5mm、6mm的LDE曲率半徑參數(shù)以及大小分別為26mm、27mm、28mm的鏡片厚度參數(shù)依次輸入到ZEMAX軟件中。

2.3 在ZEMAX軟件中進(jìn)行優(yōu)化

（如圖1所示）利用ZEMAX得到初始結(jié)構(gòu)的MTF曲線，可看出成像質(zhì)量比較差, 因此需要校正像差。

圖1 利用ZEMAX得到初始結(jié)構(gòu)的MTF曲線圖

首先使用Default Merit Function建立缺省評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，然后在Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coefficients中查看，找出對(duì)賽得和數(shù)影響大的面，將這些面的曲率半徑設(shè)為變量，優(yōu)先優(yōu)化。到這一步后發(fā)現(xiàn)已經(jīng)基本符合設(shè)計(jì)要求，再根據(jù)2D圖適當(dāng)調(diào)整曲率半徑和厚度，每次調(diào)整后再次優(yōu)化實(shí)時(shí)關(guān)注MTF圖的曲線變化，最后使各個(gè)參數(shù)都在可接受范圍之內(nèi)，其中最后得到的可用的曲率半徑為6mm和厚度為28mm。

3 結(jié)論

本文所描述的手機(jī)鏡頭的設(shè)計(jì)是采用一款奈奎斯特頻率較好的500萬(wàn)像素CMOS傳感器

進(jìn)行的。設(shè)計(jì)的同時(shí)，利用ZEMAX軟件使用合適的優(yōu)化函數(shù)和權(quán)重對(duì)像差對(duì)其進(jìn)行校正, 漸而逐步消除了基本像差和高級(jí)像差，像差平衡也同時(shí)在進(jìn)行著，有效焦距為5mm的手機(jī)攝像頭就這樣被獲得了，而且將各個(gè)市場(chǎng)畸變有效地控制在1%以內(nèi)。經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)出的手機(jī)攝像頭不僅滿足了MTF曲線的理想狀態(tài)，而且也有比較好的像質(zhì)，迎合了市場(chǎng)的需求。

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