大相對(duì)孔徑高分辨率手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)

李升輝

(華中科技大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，武漢 430074)

引 言

2000年，日本的夏普和J-PHONE聯(lián)合推出了世界上第一款具有拍照功能的手機(jī)J-SHO4手機(jī)，其像素為11萬(wàn)，照片的最大分辨率為355×288。2003年，索尼愛(ài)立信研發(fā)了具有拍照功能的手機(jī)T618，其像素為10萬(wàn)，該款手機(jī)是進(jìn)入國(guó)內(nèi)的第一款具有拍照功能的手機(jī)[1-2]。國(guó)外有一些具有拍照功能的手機(jī)生產(chǎn)廠商，如蘋(píng)果、三星、索尼；而國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出許多具有拍照功能的手機(jī)生產(chǎn)廠商，如華為、小米、OPPO、魅族等，手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)得到越來(lái)越多研究人員的青睞[3-18]。與數(shù)碼相機(jī)相比，手機(jī)鏡頭具有更便攜帶且可以實(shí)時(shí)共享等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越得到大眾的青睞。手機(jī)鏡頭從最初的幾十萬(wàn)像素到現(xiàn)在的幾千萬(wàn)像素，基本已經(jīng)取代了一些低端的數(shù)碼相機(jī)。手機(jī)鏡頭在滿足高像素的同時(shí)，還希望向著大相對(duì)孔徑、大視場(chǎng)、輕小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊方向發(fā)展。

感光器件有電荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)器件兩種[19]，CCD通常用于高端數(shù)碼相機(jī)，由于CMOS器件具有價(jià)格低、功耗低、體積小、讀取速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此CMOS器件通常用于手機(jī)鏡頭。

隨著生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，CMOS器件像元越來(lái)越小，手機(jī)鏡頭的分辨率越來(lái)越高。目前文獻(xiàn)中報(bào)道的手機(jī)鏡頭的像素都不太高，大多為800萬(wàn)像素，相對(duì)孔徑也不太大，且大多含有衍射光學(xué)元件，可加工性不太好。本文中報(bào)道了一種1600萬(wàn)像素大相對(duì)孔徑高分辨率手機(jī)鏡頭，給出了具體的設(shè)計(jì)結(jié)果，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用5片非球面塑料透鏡，焦距為3.85mm,相對(duì)孔徑為1/2.2，CMOS器件像元尺寸為1.44μm，取得了良好的成像質(zhì)量，空間頻率 350lp/mm處，所有視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function，MTF)均優(yōu)于0.2，0.7視場(chǎng)內(nèi)的MTF均優(yōu)于0.34，全視場(chǎng)內(nèi)的場(chǎng)曲小于0.02mm，畸變小于2.55%。

1 設(shè)計(jì)考慮因素

手機(jī)鏡頭的工作原理是光線經(jīng)過(guò)手機(jī)透鏡組成像在CCD或CMOS器件上，CCD或CMOS將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通光模擬轉(zhuǎn)換器件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，圖像處理器將數(shù)字圖像信號(hào)壓縮后經(jīng)過(guò)處理存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上。

鏡頭初始結(jié)構(gòu)的建立對(duì)于鏡頭設(shè)計(jì)至關(guān)重要。好的初始結(jié)構(gòu)可以很快優(yōu)化得到滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)果，不合適的初始結(jié)構(gòu)可能無(wú)論怎么優(yōu)化也難以取得滿足設(shè)計(jì)結(jié)果的結(jié)構(gòu)。目前主要有兩種獲取初始結(jié)構(gòu)的方法，一種是設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)要求按照近軸光學(xué)原理計(jì)算得到薄透鏡下的光學(xué)元件參量，而后結(jié)合光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)果；另一種是通過(guò)查找專利文件作為起始結(jié)構(gòu)而后再優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文中涉及的大相對(duì)孔徑高分辨率手機(jī)鏡頭方面，類似的鏡頭專利不多，有的僅給出了光路圖，沒(méi)有給出具體的光學(xué)元件參量。作者提出了一種根據(jù)透鏡的材料特性，并結(jié)合設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)方法，選取E48R和LEXANH兩種塑料，根據(jù)其色散系數(shù)的特點(diǎn)，用E48R塑料作正透鏡，LEXANH塑料作負(fù)透鏡，得到了一種初始結(jié)構(gòu)為正-負(fù)-負(fù)-正-負(fù)的初始結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)逐步增大口徑，增大視場(chǎng)，增大相對(duì)孔徑的方法，進(jìn)行不斷的人工干預(yù)修改，保證透鏡中心厚度和邊緣厚度有一定的厚度，避免透鏡厚度太薄不好加工，避免邊緣厚度太薄加工時(shí)破碎，保證透鏡之間有一定的空氣間隔，避免透鏡相碰，最終得到滿意的結(jié)構(gòu)。

2 鏡頭設(shè)計(jì)

大相對(duì)孔徑高分辨率手機(jī)鏡頭的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

手機(jī)鏡頭的光學(xué)材料可以為玻璃和塑料，手機(jī)鏡頭相對(duì)孔徑越大，CMOS器件像素越小，光學(xué)像差校正難度越大，使用非球面可以較好地校正手機(jī)鏡頭的各自像差，減少光學(xué)元件的數(shù)量，而玻璃上制作非球面的成本較高，塑料可以注塑加工成型，因此,本文中設(shè)計(jì)的手機(jī)鏡頭中全部采用塑料非球面。

Table 1 Targets of design specifications for lens

考慮到實(shí)際光學(xué)加工的要求，透鏡的中心厚度和邊緣厚度不能太薄，實(shí)際優(yōu)化時(shí)設(shè)定透鏡的中心厚度都大于0.5mm，透鏡的邊緣厚度都大于0.3mm，以透鏡的曲率半徑、透鏡厚度、空氣間隔、二次曲面系數(shù)、非球面系數(shù)作為變量進(jìn)行不斷迭代，必要時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)修改。優(yōu)化后的大相對(duì)孔徑高分辨率手機(jī)鏡頭光路圖如圖1所示。第1片和第4片透鏡采用E48R的塑料材質(zhì)，E48R塑料材質(zhì)的折射率和阿貝數(shù)分別是1.53和56.04；第2片、第3片和第5片透鏡采用LEXANH的塑料材質(zhì)，LEXANH塑料材質(zhì)的折射率和阿貝數(shù)分別是1.58和30.29；濾光片為厚度為0.3mm，材料采用成都光明的HK9光學(xué)玻璃，濾光片可以濾除來(lái)自物體的紅外光；保護(hù)玻璃為厚度為0.4mm的HK9光學(xué)玻璃(成都光明)，保護(hù)玻璃可以對(duì)CMOS器件起到保護(hù)作用。從第1面到像面的距離為5.05mm，后焦距為0.5mm，主光線在像面上的最大入射角度為23.8°，滿足CMOS器件入射角度的要求。

Fig.1 System structure

圖2為大相對(duì)孔徑高分辨率手機(jī)鏡頭的光線像差曲線。橫坐標(biāo)代表位置，縱坐標(biāo)代表像差的大小，可以從橫向特性像差曲線圖中得到不同視場(chǎng)、不同波長(zhǎng)下的像差大小，以及差值的最大范圍。橫向特性像差曲線的縱坐標(biāo)越小，說(shuō)明像差校正的越好。由圖可知，大相對(duì)孔徑、高分辨率手機(jī)鏡頭的光線像差曲線比較平滑，縱坐標(biāo)最大值小于0.012，大相對(duì)孔徑、高分辨率手機(jī)鏡頭的光線像差得到了較好的校正。

點(diǎn)列圖表征不同波長(zhǎng)，不同視場(chǎng)下的艾里斑直徑大小和彌散斑的均方根直徑大小，不同的顏色表示不同的波長(zhǎng)，不同的圖形代表不同的視場(chǎng)。點(diǎn)列圖中的彌散斑越小，系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好。當(dāng)均方根彌散斑直徑在艾里斑很小的鄰域內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)符合成像要求。圖3為設(shè)計(jì)的手機(jī)鏡頭的點(diǎn)列圖?？芍鱾€(gè)視場(chǎng)的彌散斑都較小，0.7視場(chǎng)內(nèi)的最大均方根彌散斑直徑為1.68μm，1視場(chǎng)內(nèi)的最大均方根彌散斑直徑為2.63μm。

Fig.2 Ray aberration

Fig.3 Spot diagram of system

MTF曲線用來(lái)評(píng)估不同空間頻率時(shí)，物體經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像后的解析度百分比[20]。MTF曲線中橫坐標(biāo)表示空間頻率，縱坐標(biāo)表示像和物的對(duì)比度比值，系統(tǒng)的MTF曲線越高，像的對(duì)比度越逼近物的對(duì)比度，系統(tǒng)的成像性能越好，不同的曲線表示不同視場(chǎng)的MTF性能。CMOS器件的像元尺寸為1.44μm，計(jì)算可知該CMOS器件的截止頻率為347lp/mm，取該手機(jī)鏡頭的空間頻率為350lp/mm。圖4是手機(jī)鏡頭的MTF曲線?？芍臻g頻率350lp/mm處，所有視場(chǎng)的MTF均大于0.2，0.7視場(chǎng)內(nèi)的MTF均大于0.34，滿足設(shè)計(jì)要求。

Fig.4 MTF of the system

光線經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，形成的光學(xué)圖像不再和光軸垂直，而是在以光軸為對(duì)稱軸的彎曲曲面上，該彎曲曲面為光學(xué)系統(tǒng)的最佳理想像面，光學(xué)系統(tǒng)的這種成像誤差為場(chǎng)曲。由于軸外點(diǎn)主光線在像面上交點(diǎn)的位置和理想像的位置不重合，存在一定的高度偏差，這種高度偏差稱為畸變，因此畸變是一種軸外像差。光學(xué)系統(tǒng)存在畸變時(shí)，得到的圖像清晰度不會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)的分辨率有所降低，物體的大小和形狀會(huì)發(fā)生變化。圖5為大相對(duì)孔徑高分辨率手機(jī)鏡頭的場(chǎng)曲和畸變曲線?？芍撶R頭的全視場(chǎng)內(nèi)的場(chǎng)曲小于0.02mm，最大畸變?yōu)?.55%，滿足設(shè)計(jì)要求。

Fig.5 Field curves and distortion

3 結(jié) 論

通過(guò)選取合適的初始光學(xué)結(jié)構(gòu)，借助塑料非球面應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 Code-v設(shè)計(jì)了一款大相對(duì)孔徑高分辨率的手機(jī)鏡頭。該手機(jī)鏡頭焦距為3.85mm，相對(duì)孔徑為1/2.2，工作波段為486nm～656nm，視場(chǎng)角為52°，由5片非球面塑料透鏡、1片紅外濾波片、1片保護(hù)玻璃組成:第1片和第4片透鏡為正透鏡，第2片、第3片和第5片透鏡為負(fù)透鏡，采用了E48R和LEXANH兩種非球面塑料透鏡。主光線在像面上的最大入射角度為23.8°，滿足CMOS器件入射角度的要求，在空間頻率 350lp/mm處，所有視場(chǎng)的MTF均優(yōu)于0.2，0.7視場(chǎng)內(nèi)的MTF均優(yōu)于0.34，全視場(chǎng)內(nèi)的場(chǎng)曲小于0.02mm，畸變小于2.55%，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、成本低、成像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。