基于電潤濕透鏡的手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)

陳航宇 朱惺璐 李昕 劉澤宇

摘要：通常的手機(jī)鏡頭是由PCB板、光學(xué)透鏡組和傳感器等部件組成，通過算法實(shí)現(xiàn)變焦功能，不能機(jī)械變焦。利用液體透鏡的鏡頭具有自動(dòng)變焦能力，再加以算法的輔助可快速變焦，使成像效果顯著提升。本文利用液體透鏡，基于ZEMAX設(shè)計(jì)了焦距連續(xù)可變且成像質(zhì)量良好的手機(jī)鏡頭。

關(guān)鍵詞：液體透鏡;手機(jī)鏡頭;快速變焦

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）29-0208-02

1 概述

手機(jī)鏡頭的自動(dòng)對(duì)焦和數(shù)碼相機(jī)的自動(dòng)對(duì)焦不同，它不能對(duì)光學(xué)器件進(jìn)行調(diào)整。目前手機(jī)鏡頭的對(duì)焦方式主要分為激光對(duì)焦、相位對(duì)焦和反差對(duì)焦三種，且存在能耗高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壽命低的缺點(diǎn)。通過在光學(xué)透鏡組中加一組液體透鏡可以有效避免這些缺點(diǎn)。液體透鏡通過調(diào)整施加在液體和電極之間的電壓，改變液體和固體之間的表面張力，從而控制界面曲率的變化實(shí)現(xiàn)變焦。電潤濕可變焦透鏡相較于傳統(tǒng)光學(xué)透鏡具有許多優(yōu)勢：響應(yīng)時(shí)間快、成本低、適用范圍廣等特點(diǎn)。目前基于電潤濕原理的雙液體透鏡是當(dāng)前液體透鏡發(fā)展的主流方向。本文利用ZEMAX軟件設(shè)計(jì)了基于手機(jī)鏡頭的鏡頭組，該焦距連續(xù)可變，為手機(jī)鏡頭提高成像質(zhì)量以及更快的變焦速度。

2 鏡頭設(shè)計(jì)

良好的鏡頭離不開初始結(jié)構(gòu)合理的選取，初始結(jié)構(gòu)選取是否合理直接影響到設(shè)計(jì)能否順利進(jìn)行。本設(shè)計(jì)以自動(dòng)對(duì)焦鏡頭模塊的專利模型為參考，設(shè)計(jì)了全視場角為30°，相對(duì)孔徑為1/3.4，光學(xué)總長為4.7mm，相對(duì)照度大于50%，主光線角小于25°，畸變小于2%的液體透鏡變焦鏡頭。

整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)由三個(gè)透鏡組和影像感應(yīng)元件組成，如圖1所示從左到右依次為單一透鏡、液態(tài)變焦單元、成像鏡組和影響感應(yīng)元件。單一透鏡上直接設(shè)有一光圈，其作用是接收一物件影像的光而聚集成為一輸出光。液態(tài)變焦單元由左右兩塊透光基板和中間不相溶解的第一液體和第二液體組成，通過外部控制決定一變焦值后，改變單一透鏡的輸出光成為另一階輸出光。成像鏡組由一第一鏡片和一第二鏡片組成。光學(xué)塑料具有透射率高、質(zhì)量輕、雙折射率低、成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)，手機(jī)鏡頭通常采用非球面的光學(xué)塑料。與球面鏡相比，非球面可以有效減少鏡片個(gè)數(shù)、減輕鏡頭重量，節(jié)省成本，提高視場角、提升成像質(zhì)量。成像鏡組接收液態(tài)變焦單元的輸出光后，輸出下一階輸出光，此階的輸出光代表產(chǎn)生的一影像光由影像感應(yīng)元件接收。

3 像質(zhì)評(píng)價(jià)

通過調(diào)整液體透鏡內(nèi)部液液曲面的曲率，得到了可連續(xù)變焦鏡頭。在無窮遠(yuǎn)、30cm和5cm物距下，進(jìn)一步對(duì)鏡頭成像的場曲、畸變曲線和相對(duì)照度進(jìn)行了像質(zhì)分析。

如圖2所示為變焦鏡頭物距在無窮遠(yuǎn)、30cm和5cm的場曲和畸變曲線。場曲反應(yīng)像平面的彎曲程度，對(duì)像質(zhì)有很大的影響?；兊男纬捎芍鞴饩€光路決定，是引起像面的變形。對(duì)于手機(jī)鏡頭而言，一般要求場曲小于O.1mm，畸變小于3%。從圖中可以看出，每一個(gè)的場曲均小于O.1mm，畸變均小于2%，符合設(shè)計(jì)要求。

如圖3所示為變焦鏡頭物距在無窮遠(yuǎn)、30cm和5cm的相對(duì)照度曲線。對(duì)于手機(jī)鏡頭來說相對(duì)照度是評(píng)價(jià)它的一項(xiàng)重要指標(biāo)。相對(duì)照度是像面邊緣照度與中心照度的比值，隨著視場角的增大，導(dǎo)致主光線出射角增大，使得相對(duì)照度會(huì)有一定程度的下降，一般手機(jī)鏡頭要求相對(duì)照度大于50%即可。從圖中可以看出，每個(gè)物距的所有視場相對(duì)照度均大于60%，滿足指標(biāo)要求。

好的光學(xué)系統(tǒng)不僅要有良好的像質(zhì)和結(jié)構(gòu)指標(biāo)，更要考慮到現(xiàn)代加工工藝水平，加工工藝水平?jīng)Q定了系統(tǒng)公差的大小，所以在設(shè)計(jì)階段利用ZEMAX軟件對(duì)本設(shè)計(jì)中鏡頭的加工和裝配公差進(jìn)行了分析計(jì)算，并對(duì)衍射面的最小周期線寬以及最小臺(tái)階寬度進(jìn)行了計(jì)算。確定公差都在加工工藝能達(dá)到的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目利用ZEMAX光學(xué)工程軟件設(shè)計(jì)了一款符合手機(jī)鏡頭參數(shù)要求且成像質(zhì)量良好的液體透鏡變焦鏡頭。該鏡頭光圈值為3.4，最大畸變小于2%，像面主光線出射角小于25。。目前該鏡頭視場角較小，進(jìn)一步優(yōu)化可利用兩個(gè)或多個(gè)液體透鏡組結(jié)構(gòu)進(jìn)行鏡頭設(shè)計(jì)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

作者簡介：陳航宇（1999-），男，江蘇連云港人，本科，主要研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù);朱惺璐（1999-），女，江蘇南通人，本科，主要研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù);李昕（1999-），男，江蘇南京人，本科，主要研究方向?yàn)殡姶艌雠c無線技術(shù);劉澤宇（1998一），男，安徽阜陽人，本科，主要研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù)。