基于ZEMAX的1300萬像素手機鏡頭

高興宇，陳朋波

(桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林　541004)

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基于ZEMAX的1300萬像素手機鏡頭

高興宇，陳朋波

(桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林541004)

為了滿足市場對高像素手機鏡頭的需求，結(jié)合光學(xué)設(shè)計和非球面理論，利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件，設(shè)計了一款1300萬像素的手機鏡頭。該手機鏡頭由4片非球面塑料鏡片、1片濾光鏡和1片保護玻璃組成，鏡頭光圈值為2.8，視場角為76°，有效焦距為4.4 mm，后焦距為0.58 mm，鏡頭總長為5.6 mm。中心視場處的MTF值大于0.5，且畸變小于1.8%，成像效果良好，滿足使用要求。

光學(xué)設(shè)計；手機鏡頭；非球面；ZEMAX

自2000年日本夏普公司推出全球首款照相手機以來，拍照成為手機必不可少的一個功能。2003年索尼愛立信公司研發(fā)設(shè)計了首款拍照手機T618，并推廣到中國，雖然手機鏡頭僅有10萬像素，但是開創(chuàng)了中國拍照手機的歷史，意味著中國從此進入手機拍照時代。2006年，朱日宏等[1]設(shè)計了一款光圈值3.2、視場角55°、160萬像素的鏡頭，此鏡頭的系統(tǒng)總長為5 mm。2008年，劉茂超等[2]設(shè)計了一款光圈值2.85、視場角62°、300萬像素的鏡頭，此鏡頭的系統(tǒng)總長為5.26 mm。2009年，李文靜等[3]設(shè)計了一款光圈值2.8、視場角65°、500萬像素的手機鏡頭，此鏡頭的系統(tǒng)總長為5.8 mm。2011年，李廣等[4]設(shè)計了一款光圈值2.45、視場角68°、800萬像素的手機鏡頭，該鏡頭總長為7 mm。在圖像傳感器CMOS未發(fā)展前，要把高像素的手機鏡頭集成在手機中是非常困難的，而且鏡頭的長度一般大于1 cm。而現(xiàn)在隨著CMOS的發(fā)展，其尺寸不斷減小，像元尺寸從最初5 μm發(fā)展到現(xiàn)在1.1 μm，從而實現(xiàn)了手機鏡頭總長度遠小于以前的鏡頭總長，有利于手機結(jié)構(gòu)輕薄化的發(fā)展。隨著手機各項功能的不斷升級優(yōu)化，人們對手機成像效果和手機外觀的要求也日益增高，所以，設(shè)計生產(chǎn)高成像質(zhì)量、低成本且更緊湊的手機鏡頭成為發(fā)展熱點。因此，本設(shè)計在選用合理初始鏡頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一款1300萬像素的手機鏡頭。

1　設(shè)計要點

1.1圖像傳感器CMOS的選取

近年來，隨著CMOS工藝的日益完善和成熟，CMOS的成像質(zhì)量越來越高，其在靈敏度、分辨率、感光度等性能方面有很大的改善和提高。由于CMOS具有質(zhì)量輕、體積小、價格低、功耗低、集成度高、讀寫速度高等優(yōu)點，市場上絕大多數(shù)的手機鏡頭都采用CMOS作為圖形處理器。CMOS的生產(chǎn)廠家主要有Omnivision、索尼、三星、Panavision等。

本研究采用Omnivision[5]公司型號為OV16880的CMOS傳感器，其規(guī)格尺寸為8.3 mm，最小像元僅為1.12 μm×1.12 μm，有效像素為4224×3136，像面大小為4730 μm×3512 μm(對角線5.89 mm)。該CMOS芯片可用于支持拍攝高清視頻畫面，最高解析度為1300萬像素。因此，適合安裝在手機鏡頭上作為其圖形處理器。

鏡片在實際加工、裝配等過程中會產(chǎn)生一定的誤差，使系統(tǒng)周邊成像產(chǎn)生缺陷。為了防止該情況出現(xiàn)，設(shè)計的半像高需大于實際計算的半像高，實際計算的半像高為2.945 mm，本設(shè)計取2.98 mm。由于COMS解析度在一定程度上決定了鏡頭的分辨能力，即COMS像元尺寸決定了成像的分辨率。因此，COMS可以作為鏡頭設(shè)計的參考依據(jù)。根據(jù)所選COMS的規(guī)格參數(shù)和其采樣原理，鏡頭分辨率為：

(1)

其中p為像元大小。求得鏡頭最大分辨率為446 lp/mm。因此，在光學(xué)設(shè)計軟件中需要設(shè)計鏡頭的MTF曲線截止分辨率大于446 lp/mm。

1.2鏡頭設(shè)計的主要指標

根據(jù)與鏡頭相匹配的CMOS圖像傳感器的參數(shù)和實際需求，手機鏡頭的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1　設(shè)計參數(shù)

2　光學(xué)鏡頭設(shè)計

2.1鏡頭初始結(jié)構(gòu)選取

設(shè)計一個成像質(zhì)量好的光學(xué)鏡頭，首先應(yīng)該選取一個合適的初始結(jié)構(gòu)，若初始結(jié)構(gòu)選擇不合理，即使光學(xué)設(shè)計經(jīng)驗非常豐富，也很難達到理想效果，因此，初始結(jié)構(gòu)選取合理與否直接影響最終的設(shè)計結(jié)果。初始結(jié)構(gòu)[6]的選取有多種方法，一般常用的有2種，第1種是使用PW方法求解得到初始結(jié)構(gòu)，此種方法計算量非常大，要求設(shè)計者具備豐富的光學(xué)像差理論知識，而且要具備多年設(shè)計經(jīng)驗；第2種是通過查找相關(guān)文獻和失效專利，從中選取合理的結(jié)構(gòu)作為設(shè)計的初始結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)設(shè)計要求對所選取的初始結(jié)構(gòu)進行縮放，在符合設(shè)計指標的情形下，進行最終的優(yōu)化分析。本設(shè)計采用第2種方法進行設(shè)計優(yōu)化。在ZEMAX軟件中輸入所選取的初始結(jié)構(gòu),如圖1所示。初始結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)如圖2所示。根據(jù)圖2初始結(jié)構(gòu)的MTF曲線可知，該鏡頭的成像質(zhì)量非常差，在全視場下，分辨率為178 lp/mm的MTF值已經(jīng)為0，所以該結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)化空間。

圖1　初始結(jié)構(gòu)Fig.1　The initial structure

圖2　MTF曲線Fig.2　MTF curves

2.2透鏡材料的選擇

為了縮短鏡頭長度，手機鏡頭的各個鏡片采用非球面設(shè)計，可以利用最少的鏡片獲取更高的成像像素。而在鏡片材質(zhì)方面，考慮到安全性和節(jié)約性，大多采用塑料材質(zhì)。光學(xué)塑料是一種透明的非晶體有機高聚物，由單分子聚合而成。與玻璃材料相比，塑料材質(zhì)的透鏡具有透射性好、可塑性強、加工成本低等優(yōu)點。使用非球面透鏡可以有效控制鏡頭的各種像差，降低光學(xué)元件數(shù)量，增大光學(xué)系統(tǒng)的視場角。非球面透鏡[7]的非球面系數(shù)對鏡頭性能有非常大的影響，因此在進行優(yōu)化設(shè)計時，要控制非球面系數(shù)的變化。為滿足手機鏡頭廣角拍攝的要求，鏡片結(jié)構(gòu)采用正負正負[8]的組合方式，結(jié)構(gòu)形式為4P(P表示塑料透鏡)。第1塊透鏡采用型號為APL5514ML的塑料材質(zhì)，此材料具有優(yōu)秀的透光率、流動性、低雙折射，而且價格比較低廉；第2塊鏡頭采用OKP4HT的塑料材質(zhì)，此材料為塑料材質(zhì)中的高折一族，具有高折射率和較好的成型效果;第3、4塊透鏡采用型號為480R的塑料材質(zhì)，此材料具有低雙折射、低吸水率、耐高溫、不易附靜電、外觀容易保持的特點。第5塊為K9濾光片，主要濾掉700～1000 nm的近紅外光[8]。

2.3優(yōu)化過程

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求的焦距，首先縮放[9]光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，按照焦距的大小將其縮放為4.5 mm?？s放時要注意3點：1)凹透鏡中心過薄；2)邊界條件的變化；3)不允許出現(xiàn)凸透鏡邊緣過薄。

考慮到實際加工水平，在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中必須考慮透鏡的厚度，將透鏡的邊緣厚度和中心厚度添加到優(yōu)化函數(shù)中，其優(yōu)化目標值須大于0.3 mm。將各個透鏡的半徑、厚度、空氣間隔、偶次非球面系數(shù)和二次曲面系數(shù)均設(shè)置為變量。使用默認評價函數(shù)，并且添加準確的操作數(shù)進行優(yōu)化限制，可以提高優(yōu)化效率。添加的優(yōu)化操作數(shù)為：

1)添加TOTR操作數(shù)控制系統(tǒng)的總長為5.6 mm；

2)添加DIMX操作數(shù)控制畸變的大小，將畸變限制在2%范圍內(nèi)；

3)添加TRAC操作數(shù)控制成像的彌散斑大??；

4)為了使鏡頭和CMOS更好地耦合，需添加RAED操作數(shù)控制系統(tǒng)主光線的出射角，使其出射角小于35°；

5)MTF曲線為成像質(zhì)量優(yōu)劣的重要評價標準，因此，需添加操作數(shù)MTFT、MTFS對MTF進行優(yōu)化。

手機鏡頭經(jīng)過優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖3所示，視場角為76°，系統(tǒng)總長為5.6 mm，有效焦距為4.4 mm，后焦距為0.56 mm，所有透鏡的中心和邊緣厚度均大于0.3 mm，符合實際加工要求。

圖3　優(yōu)化結(jié)構(gòu)Fig.3　The optimized structure

3　成像質(zhì)量分析

成像質(zhì)量經(jīng)過優(yōu)化后得到較大的改善。在成像光學(xué)系統(tǒng)中，MTF是全面評價光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的函數(shù)，是一個重要的評價指標。圖4為不同視場下經(jīng)過優(yōu)化后的MTF曲線，其橫坐標表示的空間頻率越大，則每毫米分辨的線對數(shù)越多，分辨細節(jié)的能力越強[10]。也就是說MTF值越大，曲線越平穩(wěn)，則光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好，圖像越清晰。一般情況下，0.7視場下的MTF曲線決定了系統(tǒng)成像質(zhì)量的好壞。因此，在進行系統(tǒng)優(yōu)化時，需將視場下的MTF設(shè)置為優(yōu)化函數(shù)進行控制，而邊緣視場的MTF曲線則可以有一定的下降范圍。從圖4可看出，當分辨率為224 lp/mm時，中心視場MTF值大于0.5，分辨率為446 lp/mm時，中心視場MTF值大于0.15。由此可以看出，在分辨率為224 lp/mm時，除邊緣視場外，其他視場的MTF值均大于0.25。在0.7視場下，MTF值在分辨率為224 lp/mm的弧矢方向均大于0.4，子午方向大于0.27；在分辨率為446 lp/mm的弧矢方向大于0.09，子午方向大于0.03。雖然存在一定的像散，但由于所占比例很小,并不影響畫面的整體效果，表明該手機鏡頭成像質(zhì)量較好，符合成像要求。圖5為點列圖，由圖5可知[11]，像面上的彌散斑均方根很小，主要分布在艾利斑6.02 μm區(qū)域內(nèi)，接近于衍射極限，滿足成像設(shè)計要求。由于最大像高對應(yīng)的視場角大于76°,因此,場曲和畸變不能太大。圖6(a)為手機鏡頭的場曲大小，鏡頭的子午場曲(T曲線)和弧矢場曲(S曲線)均小于0.15 mm。圖6(b)為鏡頭畸變的大小，鏡頭的畸變控制在2%范圍內(nèi)，看不出成像的變形(畸變<3%)，基本滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。圖7為鏡頭的相對照度曲線，反映了手機鏡頭成像畫面的亮度。一般鏡頭要求邊緣視場的相對照度大于0.5，由于本鏡頭為廣角鏡頭，視場角達76°，因此，對于邊緣視場的相對照度值要求可適當降低。從圖7可看出，邊緣視場的相對照度值為0.48，滿足鏡頭的照度要求。

圖4　優(yōu)化后MTF曲線Fig.4　The optimized MTF curves

圖5　點列圖Fig.5　Spot diagram

圖6　 場曲、畸變曲線Fig.6　The curves of field curvature and distortion

圖7　相對照度曲線Fig.7　The curve of relative illumination

4　公差分析

一款設(shè)計良好的鏡頭能否進行生產(chǎn)加工，除了要有出色的成像質(zhì)量外，還必須滿足現(xiàn)有加工能力。若系統(tǒng)公差[12]過緊會導(dǎo)致加工成本提高，甚至使得加工裝調(diào)無法滿足最終的像質(zhì)要求，因此，有必要進行公差分析。利用ZEMAX軟件對鏡頭進行公差分析，把系統(tǒng)的MTF值作為公差敏感度，用靈敏度分析及蒙特卡羅分析進行公差分析，最終的非球面鏡片的厚度公差為±0.01 mm；紅外濾光片的厚度公差為±0.03 mm；各表面曲率半徑公差為0.01 mm；各表面的偏心公差為±0.01 mm；傾斜公差為±0.3°；透鏡材質(zhì)的折射率公差為±0.002；阿貝常數(shù)公差為±0.5；滿足現(xiàn)有的加工能力。

5　結(jié)束語

在合適的初始結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用光學(xué)軟件ZEMAX對初始結(jié)構(gòu)進行合理優(yōu)化，得到一款成像質(zhì)量高、效果較好的1300萬像素手機廣角鏡頭。該鏡頭由4片非球面塑料透鏡組成，系統(tǒng)總長為5.6 mm，視場角為76°，光圈值為2.8。各項像差得到較好地矯正，其中最大畸變小于1.8%，0.7視場處的MTF值大于0.4。該設(shè)計鏡頭成像效果良好，滿足市場的實際需求。后續(xù)研究將進一步對手機鏡頭的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，達到更高的成像質(zhì)量。

[1]朱日宏，汪振海，張文勛.高像質(zhì)手機鏡頭設(shè)計技術(shù)研究:130萬手機鏡頭[D].南京：南京理工大學(xué)，2006:18.

[2]劉茂超，張雷，劉沛沛，等.300萬像素手機鏡頭設(shè)計[J].應(yīng)用光學(xué)，2008,29(6):944-948.

[3]李文靜.500萬像素手機鏡頭的光學(xué)設(shè)計[J].激光與光電子學(xué)進展，2009,46(1):56-59．

[4]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):421-425.

[5]楊周，陽慧明，丁桂林.一款超薄800萬像素手機鏡頭的設(shè)計[J].應(yīng)用光學(xué)，2013,34(3):413-419.

[6]薛雷濤，林峰.800萬像素超薄廣角手機鏡頭設(shè)計[J].激光與光電子學(xué)進展，2015,52(1):1-6.

[7]勾志勇，王江，王楚，等.非球面光學(xué)設(shè)計技術(shù)綜述[J].激光雜志，2006,27(3):1-2.

[8]李航，顏昌翔.800萬像素手機廣角鏡頭設(shè)計[J].中國光學(xué)，2014,7(3):456-460.

[9]SUNETRA K M.COMS active pixel image sensors for highly integrated imaging systems[J].IEEE Journal of Solid-State Circuit,1997,32(2):187-197.

[10]慧彬，劉雁杰，李景鎮(zhèn)，等.800萬像素折衍混合式手機鏡頭設(shè)計[J].紅外技術(shù),2013,35(4):223-226.

[11]李曉彤，岑兆豐.幾何光學(xué)像差光學(xué)設(shè)計[M]．浙江：浙江大學(xué)出版社,2007:215-218.

[12]尹志東.800萬像素手機鏡頭的光學(xué)設(shè)計與制造[D].長春：長春理工大學(xué)，2014:26.

編輯：梁王歡

A 13 million pixels mobile phone lens based on ZEMAX

GAO Xingyu, CHEN Pengbo

(School of Mechatronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

In order to meet the market demand for high pixel cell phone camera, using optical design software ZEMAX, combining with the optical design and aspherical theory, a 13 million pixels mobile phone lens is designed, the lens consists of four pieces of aspherical plastic lens, one piece of filter and one piece of protection glass. Lens aperture is 2.8, viewing angle is 76°, the focal length is 4.4 mm, the focal length is 0.58 mm, lens length is 5.6 mm. MTF value of the center view field is greater than 0.5, and the distortion is less than 1.8%. The imaging effect is good, and the application requirement is satisfied.

optical design； mobile phone lens; aspheric surface; ZEMAX

2015-12-20

廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術(shù)重點實驗室主任基金(桂科能10-046-07_007)；廣西信息科學(xué)實驗中心基金(LD13104X)

高興宇(1981-)，男，遼寧鐵嶺人，教授，博士，研究方向為機器視覺技術(shù)、先進成像技術(shù)、表面等離子體理論及應(yīng)用。E-mail: gxy1981@guet.edu.cn

TN942.2

A

1673-808X(2016)04-0284-05

引文格式：高興宇，陳朋波.基于ZEMAX的1300萬像素手機鏡頭[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報，2016,36(4):284-288.