超廣角非球面手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)

陶郅

摘? ?要：目前市場上手機(jī)鏡頭的功能呈現(xiàn)多元化，為滿足市場上對超廣角手機(jī)鏡頭的需求，使用光學(xué)仿真軟件，基于塑料非球面，設(shè)計(jì)了一款1/3.06英寸，1300萬像素的超廣角非球面手機(jī)鏡頭。該設(shè)計(jì)的焦距為2.13mm，F(xiàn)數(shù)為2.4，視場角為110.6°，全視場在250lp/mm的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）大于0.24，畸變小于2.6%，相對照度大于46%，成像質(zhì)量良好。經(jīng)過公差分析，滿足生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計(jì)? 非球面? 超廣角? 手機(jī)鏡頭

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（c）-0081-02

2003年夏普公司研發(fā)了第一款百萬像素的拍照手機(jī)。2006年，三星公司推出了一款擁有1000萬像素?cái)z像頭的手機(jī)[1]。隨著芯片集成度不斷提高，在相同尺寸的CMOS上，獲得了越來越高的分辨率。同時，傳統(tǒng)光學(xué)的加工技術(shù)水平的不斷提高，光學(xué)鏡頭的性能實(shí)現(xiàn)了大幅度的上升。此外，人們使用手機(jī)拍照的場景越來越復(fù)雜，對鏡頭的性能提出了更高的要求。特別是近幾年，各大主流手機(jī)廠商都推出的擁有廣角、甚至超廣角拍照功能的手機(jī)。綜上所述，文章基于非球面鏡片設(shè)計(jì)了一款超廣角手機(jī)鏡頭。

1? 光學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 材料的選擇

光學(xué)塑料是一種透明的非晶體有機(jī)高分子聚合物，由單分子聚合而成[2]。塑料零件具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）透光性好;（2）質(zhì)量輕，耐沖擊強(qiáng)度高;（3）成本低，利于大量生產(chǎn);（4）能夠滿足特殊的設(shè)計(jì)要求，如非球面透鏡[3]。

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文使用Omnivision公司的一款1/3.06英寸的CMOS，其型號為OV13885。

CMOS的重要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)目前市場上超廣角手機(jī)鏡頭的需求，設(shè)計(jì)要求如表2所示。

1.3 初始結(jié)構(gòu)選擇

由于使用PW法計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)計(jì)算量大且效率低，所以本文使用縮放法，以美國專利US9557530B2[4]中的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，使用光學(xué)仿真軟件ZEMAX建立初始光學(xué)系統(tǒng)，并確定相應(yīng)的波長范圍、視場角及光圈大小。

1.4 優(yōu)化過程

在初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上變更光學(xué)系統(tǒng)的特性。通過增加鏡片，改變孔徑光闌位置，控制光線的CRA角，調(diào)整非球面矢高，限制最后一片鏡片的后焦距離等，優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。同時，控制入射到第一片鏡片前的入射光線的角度，實(shí)現(xiàn)鏡頭視場角的放大優(yōu)化。其后，通過仿真軟件控制鏡頭的場曲、畸變、相對照度等光學(xué)參數(shù)。最后通過調(diào)整各個視場的權(quán)重，達(dá)到不同視場的成像質(zhì)量和像差的平衡。

1.5 設(shè)計(jì)結(jié)果

如圖1所示為該手機(jī)鏡頭的2D外形結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)第1、3、5片鏡片采用牌號為APL5514ML的塑料鏡片，第2、4、7片使用日本大阪燃?xì)饣瘜W(xué)公司的OKP1，第6片鏡片的材料為日本三井公司的APL5014DP。

2? 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

設(shè)計(jì)結(jié)果主要圍繞系統(tǒng)的光學(xué)性能和幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價。

成像質(zhì)量是評價一個光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)，主要采用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）來評估。如圖2所示是該手機(jī)鏡頭的MTF曲線圖。從圖中可以看出全視場在250lp/mm處，MTF大于0.24，全市場在150lp/mm處MTF大于0.5。

畸變和場曲也是評價光學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。場曲會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的最佳成像點(diǎn)不能與CMOS的感光面重合，引起圖像的模糊。場曲主要分為子午場曲和弧矢場曲，圖3中的左圖就是該系統(tǒng)的場曲曲線，可以看出場曲小于50μm。

畸變不影響鏡頭成像的質(zhì)量，但是它會導(dǎo)致圖像變形，典型的形態(tài)就是擴(kuò)展和壓縮，所以畸變越小，說明光學(xué)系統(tǒng)的性能越好。由圖3中的右圖可以看出，該光學(xué)系統(tǒng)的畸變小于2.6%。

此外，還需要評價光學(xué)系統(tǒng)的相對照度，即中心視場和邊緣視場的照度的比例。手機(jī)鏡頭的相對照度越高，后期需要做的圖像調(diào)整就越少。如圖4所示，該光學(xué)系統(tǒng)的相對照度大于46%。

3? 制造裝配公差分析

一個光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，除了要有優(yōu)良的成像質(zhì)量外，也要具有滿足現(xiàn)有加工水平的公差。如果系統(tǒng)的公差過緊，則導(dǎo)致最終的加工裝調(diào)成本提高，甚至導(dǎo)致加工裝調(diào)失敗[5]。使用光學(xué)仿真軟件ZEMAX，分別把光學(xué)系統(tǒng)中的曲率半徑、鏡片厚度、鏡片間隔、玻璃折射率、玻璃色散、面偏心和傾斜、元件偏心和傾斜作為公差變量，使用敏感度分析和蒙特卡洛法分析。結(jié)果顯示在一般加工工藝的公差條件下，該手機(jī)鏡頭使用自然組合裝配，80%以上的樣本在250lp/mm處的MTF大于等于0.17。

4? 結(jié)語

當(dāng)前主流市場上的手機(jī)對廣角攝像頭，甚至超廣角攝像頭的需求越來越大。因此，本文以某美國手機(jī)鏡頭專利中的設(shè)計(jì)作為初始結(jié)構(gòu)，使用光學(xué)仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一款1300萬像素的超廣角非球面手機(jī)鏡頭。該鏡頭在實(shí)現(xiàn)大視場角的同時，保證了邊緣成像質(zhì)量和小畸變。通過結(jié)構(gòu)分析、光學(xué)性能分析、和公差分析，該鏡頭性能達(dá)到市場需求，并且符合實(shí)際加工制造要求。此外，后續(xù)將繼續(xù)研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)出視場角更大，相對孔徑更大的手機(jī)鏡頭。

參考文獻(xiàn)

[1] 王思聰，王起飛，陳曉西，等.基于曲面?zhèn)鞲衅鞯拇罂讖?300萬像素手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué)，2018，39（6）：902-907.

[2] 王之江，顧培森.應(yīng)用光學(xué)技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3] 沈滿德，李程，任歡歡，等.輕小型折射_衍射混合自由曲面塑料微光夜視儀物鏡設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程，2014，43（1）：160-165.

[4] Chen W Y，photographing optical lens assembly，image capturing unit and mobile device.

[5] 李航，顏昌翔.800萬像素手機(jī)廣角鏡頭設(shè)計(jì)[J].中國光學(xué)2014，3（7）：456-461.