基于ZEMAX的手機鏡頭設(shè)計

于雯雯

【摘 要】利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件，設(shè)計一款手機鏡頭，該鏡頭由4片非球面塑料透鏡和一片玻璃濾光片組成，鏡頭總長度為3.26mm，光圈值F為2.08，視場角為60°，焦距為2.10 mm，后焦距為0.33 mm。該鏡頭在192lp/ mm 處的MTF值大于0.6，像差在0-0.07mm內(nèi)，畸變小于0.5%。

【關(guān)鍵詞】手機鏡頭；光學(xué)設(shè)計；ZEMAX

【Abstract】A mobile phone lens assembly composed of 4 plastic aspheric lenses and an IR filter was designed by use of ZEMAX （ optical engineering software）. The F-number and FOV（ field-of-view ）of the camera are 2.08 and 60° respectively. The effective focal length and back focal length are 2.10 mm and 0.33 mm respectively. The total lens length is 3.26mm. The MTF value is more than 0.6 in the center fields of view at 192lp/ mm . Distortion is less than 0.5%.

【Key words】Lens of mobile phone； Optical design； ZEMAX

0 引言

自從手機具備拍照功能以來，人們就在提高手機像素，減小相機體積等提高手機拍照水平領(lǐng)域不斷探索，尤其是智能手機出現(xiàn)以后，人們對手機照相的要求更是越來越高。隨著手機鏡頭制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，手機像素日益增高，低像素的手機鏡頭已被高像素鏡頭所取代，而且體積也越來越小[1]。高端像素的要求作為手機眾多功能中最重要的一環(huán)已經(jīng)被日常化，但是市場上的鏡頭像素到發(fā)展到目前為止腳步有所放緩，這就需要在畫質(zhì)上繼續(xù)有所突破，才能占有一定的市場份額，提高產(chǎn)品的競爭力，所以本次設(shè)計基于目前市場800萬像素鏡頭的標(biāo)準的基礎(chǔ)上，擴大鏡頭的視場角、優(yōu)化鏡頭整體的長度，在保證相對照度穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，積極改善800萬像素鏡頭的像質(zhì)質(zhì)量，積極配合生產(chǎn)工藝的要求，設(shè)計一款良品率較高的可行性產(chǎn)品。

1 設(shè)計思路

1.1 設(shè)計規(guī)格

現(xiàn)在市場上，手機鏡頭的視場在60°左右，F(xiàn)/#約為2.8，由于手機的小型化體積使得鏡頭總長有一定限制，一般要小于1cm[2]。具體參數(shù)如表1 所示。

1.2 初始結(jié)構(gòu)選取

一個好的鏡頭離不開一個合適的初始結(jié)構(gòu)，如果初始結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)，再經(jīng)驗豐富的設(shè)計者也完成不了設(shè)計任務(wù)。初始結(jié)構(gòu)的選擇有好多種，可以通過設(shè)計者的經(jīng)驗利用高斯光學(xué)原理創(chuàng)造一個初始結(jié)構(gòu)，但這種方法計算繁瑣并且對設(shè)計者的像差理論知識和經(jīng)驗要求較高，除此之外也可以通過查閱手冊或者查詢相關(guān)專利來獲取初始結(jié)構(gòu)，這種方法比較簡單方便，而且能達到理想的設(shè)計需求[3]。

根據(jù)所要設(shè)計鏡頭的視場、光圈、鏡片數(shù)目及材質(zhì)選取美國一個專利的雛形結(jié)構(gòu)，并對其部分參數(shù)進行修改，得到一個基本符合要求的初始結(jié)構(gòu)[4]。該初始鏡頭的光圈值為F=2.85，視場2k=60°，由5片鏡片組成，前四個透鏡都是由塑料材質(zhì)制成的非球面透鏡，第五片鏡片是一片玻璃材質(zhì)的紅外濾光片。第一個透鏡材料是N-LAK34，具有正折射率，入射面和出射面均為凸面；第二個透鏡采用聚碳酸酯（POLYCARB），折射率為負值，入射面和出射面均是凹面；第三片透鏡材料選擇ZEONEX公司的E48R，折射率為正值，物方一側(cè)的鏡面是凹面，像方一側(cè)的曲面是凸面；第四片透鏡選用聚碳酸酯（POLYCARB），具有負折射率，入射面為凸面，出射面為凹面。第五片透鏡是濾光片，采用玻璃BK7。光闌位于第一片透鏡和第二個透鏡之間。

1.3 優(yōu)化

（1）把所有透鏡的曲率半徑，厚度，間隔，非球面系數(shù)設(shè)置為可變量，在Zemax 中加入焦距，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長度限制條件，各個初級像差，主光線出射角和Zemax 默認的優(yōu)化函數(shù)等限制參數(shù)，進行初步優(yōu)化。

用操作數(shù)EFFL控制手機鏡頭的有效焦距，用操作數(shù)TOTR將整個鏡頭的長度控制在5mm之內(nèi)；同時用LONA和SPHA控制軸向球差，用COMA、TRAY操作數(shù)等控制系統(tǒng)慧差，用ASTI控制指定面的像散貢獻值，用FCG T和FCGS分別控制指定視場的子午場曲和弧失場曲，用DIST和DIMX控制系統(tǒng)的光學(xué)畸變，LACL、REAY操作數(shù)來控制系統(tǒng)色差，用RELI控制相對照度；用 MNCA、MNEA、MXCA、MNCG 、MNEG、MXCG等控制最小空氣厚度、最小玻璃厚度等[5]。

（2）通過改變各個參數(shù)的權(quán)重并加入高級像差參數(shù)可得到更好的像質(zhì)，減少高級像差，如果高級像差不能矯正，則可以嘗試換其他的玻璃來優(yōu)化，也可以通過手動微調(diào)來反復(fù)優(yōu)化，這樣有可能得到更優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

（3）最后把一些像差的權(quán)重設(shè)置為0，最好只加入結(jié)構(gòu)限制的參數(shù)和默認的優(yōu)化函數(shù)進行優(yōu)化，也可以通過加入MTFS、MTFT 參數(shù)等使MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）進一步提高，最終達到各個像差平衡。

2 設(shè)計結(jié)果

優(yōu)化后鏡頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。F/#是2.077，光學(xué)總長度為3.258mm，焦距為2.098mm，視場為60°，后焦距0.327mm。

2.1 點列圖

由一點發(fā)出的許多光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，因像差使其與像面的交點不再集中于同一點，而形成一個散布在一定范圍的彌散圖形，而且點的分布能近似地代表點像的能量分布，因此點列圖中點的密集程度可以衡量系統(tǒng)成像質(zhì)量的優(yōu)劣。從圖2的點列圖中可以看出本手機鏡頭模型的彌散斑較小，基本滿足設(shè)計要求。

2.2 橫向特性曲線

系統(tǒng)的橫向特性曲線可以很好的描述系統(tǒng)的整體像差情況，如圖3所示。

圖3中的10個曲線圖分別表示5個不同視場下的光線像差，每個視場下分別對應(yīng)X （子午）和Y（弧失）方向的情況，其中，每個曲線圖的橫軸表示歸一化的光瞳坐標(biāo)PX和PY，縱軸表示光線像差的X或Y分量的大小，可以看出，前5個視場 的像差很小，全視場時在邊緣口徑處出現(xiàn)少量的高階像差，但控制在50μm之內(nèi)。

2.3 光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)

MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）是一個能全面評估光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的函數(shù)，它計算所有視場位置的衍射調(diào)制傳遞函數(shù)值，反映了光學(xué)系統(tǒng)對物體不同頻率部分的傳遞能力。攝影鏡頭在景物信息的傳遞過程中，一般存在著明顯的失真現(xiàn)象。用不同攝影鏡頭在相同情況下，對同一空間頻率的景物成像時，由于各鏡頭對像差校正的程度不同，因而不同鏡頭的MTF值的大小一般并不相同。對鏡頭像差校正得愈好者，則其MTF值愈高。反之MTF值愈低，則說明該攝影鏡頭在信息傳遞過程中的失真將愈大，景物中陡直的矩形波將變?yōu)槠骄彽恼也?，且振幅明顯減小。MTF能反映除畸變外的所有其它像差。

理想像的MTF曲線形狀，是一條MTF值為1的水平直線，即在各種空間頻率處MTF值均為1。攝影鏡頭在傳遞信息的過程中，高頻部位的損失要遠比低頻部位的損失大些，這將導(dǎo)致所攝影像的細部明銳度出現(xiàn)較大的損失。

由圖4可以看出，中心視場下在192lp/ mm 處，MTF值大于0.6，在480lp/ mm處的MTF 值都大于0.25，滿足照相系統(tǒng)的MTF閾值。

2.4 場曲和畸變

圖5是手機鏡頭的場曲和畸變曲線，該鏡頭像差不超出范圍0-0.07mm，畸變范圍為-2.5%—0.5%。場曲是反映鏡頭成像質(zhì)量的又一個衡量標(biāo)準，它反映整個像面的彎曲情況。

對于手機鏡頭，場曲要求在0.lmm內(nèi)。從圖5可以看出這個鏡頭的場曲小于0.07mm完全滿足要求。手機鏡頭的畸變一般要求在5%以內(nèi)，從圖5可以看出這個鏡頭畸變小于1%。

2.5 色差和球差

圖6是該手機鏡頭的垂軸色差，由圖可知色差小于2μm，在極限范圍內(nèi)，基本達到約束高級像差的要求。

3 結(jié)論

通過ZEMAX光學(xué)軟件對初始鏡頭優(yōu)化設(shè)計，得到了一款成像質(zhì)量較高的手機鏡頭。由于該鏡頭采用了非球面設(shè)計，成像質(zhì)量高，且整體尺寸短，便于在手機上集成。該鏡頭焦距為2.098mm，后焦距0.327mm，光學(xué)總長度為3.258mm，光圈值為2.08，視場為60°，畸變小于1%。綜合來說，此鏡頭體積小，成像質(zhì)量較高，滿足實際生產(chǎn)要求。

【參考文獻】

[1]劉宵嬋.變焦手機鏡頭的設(shè)計[D].吉林長市：長春理工大學(xué)，2009.

[2]李廣，汪建業(yè)，張燕.800 萬像素手機鏡頭的設(shè)計[J].應(yīng)用光學(xué)，2011，32（3）：420-424.

[3]張萍，王誠，宋東璠，李小俊.500萬像素手機鏡頭設(shè)計[J].應(yīng)用光學(xué)，2009，30（6）： 934-938.

[4]尹志東.800萬像素手機鏡頭的光學(xué)設(shè)計與制造[D].吉林長春：長春理工大學(xué)，2014.

[5]張廣.基于非球面的高像素超薄手機鏡頭設(shè)計[D].陜西西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]