郭王凱，王 敏，徐 苗，陶 郅

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3P超薄500萬像素手機鏡頭設(shè)計

郭王凱，王 敏，徐 苗，陶 郅

( 福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，福州 350007 )

利用ZEMAX軟件設(shè)計一款500萬像素的手機鏡頭。該鏡頭由3片塑料非球面鏡片組成。鏡頭的光圈值F為2.8，全視場角64°。采用Omnivision公司OV5645型號的CMOS作為圖像傳感器，像素尺寸大小為1.4 μm×1.4 μm，截止頻率為358 lp/mm。最終設(shè)計結(jié)果，鏡頭光學(xué)總長度為4.163 mm，1/2截止頻率處的全視場MTF大于0.3，相對照度大于55%，畸變小于1%，場曲小于0.1 mm，可以獲得優(yōu)質(zhì)的成像效果。

光學(xué)設(shè)計；手機鏡頭；500萬像素；ZEMAX

0 引 言

隨著智能手機的發(fā)展及其市場份額的逐步擴大，人們對手機鏡頭像素要求也不斷提高。自21世紀(jì)以來，手機像素從VGA逐漸發(fā)展到300萬、500萬像素。2006年，三星更是推出全球首款千萬像素手機。2010年以來，隨著雙置手機鏡頭的發(fā)展和自拍的流行，手機后置鏡頭逐漸向千萬像素發(fā)展，而前置鏡頭已逐步從300萬像素向500萬像素過渡，這使得研究結(jié)構(gòu)簡單、小型化和超薄的500萬像素的手機鏡頭成為必要。回顧已有的三片式手機鏡頭，如汪振海[1]設(shè)計的130萬像素手機鏡頭，總長為4.99 mm；黃城等[2]設(shè)計的200萬像素手機鏡頭，總長為4.25 mm；劉茂超等[3]設(shè)計的300萬像素手機鏡頭，總長為5.261 mm；朱永建等[4]設(shè)計的310萬像素手機鏡頭，總長為6.045 mm。通常，鏡頭的總長不僅和像素有關(guān)，與焦距和視場角也有關(guān)，焦距越長，視場角則越小，總長則越長；反之總長則越短。鑒于此，本文設(shè)計出一款采用三片式，總像素達(dá)到500萬，全視場角64°，總長僅4.163 mm，結(jié)構(gòu)工藝簡單，生產(chǎn)成本低，良率較高的手機鏡頭。

1 圖像傳感器的選擇

CCD與CMOS是成像領(lǐng)域所使用的主流圖像傳感器件，二者的研究幾乎是同時起步的。早期受工藝水平的限制，CMOS沒有得到重視和發(fā)展，CCD占據(jù)了大部分市場。隨著近年集成電路技術(shù)和工藝水平的提高，CMOS的發(fā)展日漸成熟。CMOS傳感器比CCD體積小、功耗低、集成度高[5]，鑒于手機鏡頭輕薄小的特點，目前手機廠商大多數(shù)使用CMOS作為傳感器件。本文選用Omnivision公司OV5645型號的CMOS作為圖像傳感器，該CMOS的規(guī)格為成像面積3.673 6 mm×2.738 4 mm，分辨力為2 592×1 944(500萬像素)，像素尺寸大小為1.4 μm×1.4 μm。通過以上數(shù)據(jù)可知，該CMOS的對角線為4.581 9 mm，半像高為2.291 mm，截止頻率為358 lp/mm，主光線角度為29.1°。為了避免CMOS裝調(diào)時偏離光軸出現(xiàn)暗角，設(shè)計過程中設(shè)置的視場應(yīng)略大于該半像高。

2 光學(xué)設(shè)計

2.1 設(shè)計指標(biāo)

鏡頭的設(shè)計指標(biāo)如表1所示。

表1 鏡頭設(shè)計指標(biāo)

2.2 初始結(jié)構(gòu)

初始結(jié)構(gòu)對于達(dá)到最終的設(shè)計要求是非常重要的，如果設(shè)計的出發(fā)點即初始結(jié)構(gòu)先天不足，只依賴于光學(xué)設(shè)計軟件是無法對結(jié)構(gòu)做出突破性的改變[6]。通常有兩種方法可以得到初始結(jié)構(gòu)：一是計算法，即根據(jù)像差理論建立方程，通過大量計算得到初始結(jié)構(gòu)，該方法耗時長、效率低；二是查資料法，即根據(jù)設(shè)計的指標(biāo)，查找現(xiàn)有的專利庫，從中選擇相近的結(jié)構(gòu)。通過參考專利庫發(fā)現(xiàn)三片式的手機鏡頭大多采用正-負(fù)-正的結(jié)構(gòu)，所以本設(shè)計采用一個三片式球面鏡加一片厚度為0.3 mm玻璃材料為BK7的濾光片(濾去700 nm~1 100 nm近紅外光)作為設(shè)計起點，光闌置于第一片與第二片之間，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 初始結(jié)構(gòu)

2.3鏡片材料的選擇

非球面與球面相比有很大的優(yōu)勢，它可以更好的校正球差、彗差、場曲、像散，在保證成像質(zhì)量的同時透鏡數(shù)比球面構(gòu)件少，可減輕系統(tǒng)的重量[7]。而塑料光學(xué)零件有透光性好、重量輕、成本低等優(yōu)點[8]。根據(jù)手機鏡頭輕薄化的特點，將初始結(jié)構(gòu)的三片光學(xué)鏡片全部設(shè)計成塑料非球面，第1片和第3片鏡片的材料相同，折射率和阿貝數(shù)分別為1.544 102和56.114 3，第2片鏡片的材料折射率和阿貝數(shù)分別為1.635 5和23.784 6。

2.4優(yōu)化過程

利用ZEMAX自帶的默認(rèn)評價函數(shù)，并根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1) 選擇初始結(jié)構(gòu)透鏡的面形為偶次非球面，把曲率半徑、conic數(shù)、鏡片厚度、空氣間隔、偶次非球面系數(shù)設(shè)為變量。采用像高均勻的設(shè)置12個視場，波長選擇可見光，合理分配波長和視場的權(quán)重，打開光線對準(zhǔn)。

2) 建立默認(rèn)評價函數(shù)，采用RMS+SpotRadius+Centroid，Rings和Arms采用6環(huán)6臂。

3) 使用TOTR操作數(shù)控制總長，MNEG操作數(shù)控制鏡片厚度，MNEA操作數(shù)控制空氣間隔，規(guī)范使鏡頭結(jié)構(gòu)初始變化不至于太離譜，之后進(jìn)行初始優(yōu)化操作。初始優(yōu)化時將總長限制相應(yīng)放寬，進(jìn)一步優(yōu)化時再逐步縮短總長。優(yōu)化過程中若某個鏡片厚度或空氣間隔變化過于離譜，將相應(yīng)鏡片的厚度及空氣間隔固定，優(yōu)化幾圈待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后到再逐一放開。

4) 添加操作數(shù)限定畸變、場曲、視場角、鏡頭后截距和CRA，并給定各操作數(shù)適當(dāng)?shù)臋?quán)重，進(jìn)一步優(yōu)化。優(yōu)化過程中反復(fù)進(jìn)行監(jiān)控和修改，查看各種像差曲線圖，增減權(quán)重、增減操作數(shù)。

5) 優(yōu)化后期，待MTF及點列圖的光斑半徑基本符合要求后，添加MTFT、MTFS操作數(shù)使MTF進(jìn)一步提高，進(jìn)行全局搜索，獲得最佳成像質(zhì)量的鏡頭。

3 設(shè)計結(jié)果

優(yōu)化后鏡頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示，光學(xué)總長度為4.163 mm，全視場角為64°，像面上的半像高為2.33 mm，略大于CMOS的半像高，不會產(chǎn)生暗角。

圖2 優(yōu)化后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3為該款手機鏡頭的相對照度圖。相對照度與視場角有關(guān)[9]，通常手機鏡頭相對照度要求50%以上。從圖3可以看出，該手機鏡頭全視場相對照度大于55%，符合成像要求。

圖3 相對照度圖

圖4為180 lp/mm處的MTF曲線圖，圖5為358 lp/mm處的MTF曲線圖。一般0.7視場內(nèi)是成像的主要區(qū)域，決定了成像質(zhì)量的好壞，0.7視場以外是圖像的邊緣部分，允許一定程度的下降，所以0.7視場內(nèi)的MTF值要達(dá)到較好的要求[10]。從圖5中可以看出，在358 lp/mm處，0.7視場內(nèi)的MTF>0.1；從圖4中可以看出，在1/2奈奎斯特頻率180 lp/mm處，全視場的MTF>0.3，0.7視場內(nèi)的MTF>0.4。

圖4 180 lp/mm處的MTF曲線圖

圖5 358 lp/mm處的MTF曲線圖

圖6所示為該手機鏡頭的點列圖，該手機鏡頭的彌散斑的半徑不能大于(1.5～1.2)/L，在這里L(fēng)=358 lp/mm，故彌散斑半徑最大不能超過4.2 μm。從圖中可以看出，全視場RMS半徑均小于4.2 μm，像差得到了很好的平衡和控制。

圖6 點列圖

Fig.6 Spot diagram

圖7為該手機鏡頭的場曲和畸變圖，從圖中可以看出，場曲校正到了0.10 mm以內(nèi)，畸變則小于1%，完全符合手機鏡頭成像要求。

圖7 場曲和畸變

4 公差分析

一款鏡頭能否實現(xiàn)批量生產(chǎn)，除了成像質(zhì)量必須符合要求外，還要考慮鏡頭內(nèi)各個元件對公差的靈敏程度，如果鏡頭對某一個參數(shù)的變化很敏感，就要對該參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。故對該鏡頭做公差分析是必要的。

基于目前非球面加工工藝的進(jìn)步，國內(nèi)大型手機鏡頭企業(yè)加工非球面鏡片的面型精度可以達(dá)到2 μm，國外一些大型企業(yè)甚至能夠做到1.5 μm以內(nèi)。鑒于此，在進(jìn)行公差分析時，將鏡片的厚度以及鏡片間隔的公差設(shè)置為6 μm，表面傾斜公差設(shè)置為0.2°，元件偏心公差設(shè)置為3 μm。利用ZEMAX軟件的公差分析功能，用靈敏度分析和蒙特卡羅分析180 lp/mm處鏡頭的公差敏感度。靈敏度分析和蒙特卡羅分析如表2，表3所示。從蒙特卡羅分析可以看出，該手機鏡頭90%以上蒙特卡洛樣本的MTF>0.240 586 30，每一個樣本為模擬加工、裝調(diào)后的光學(xué)系統(tǒng)；從靈敏度分析可以看出，第一片透鏡的第一面的傾斜、第二片透鏡的厚度和偏心相對敏感，在加工生產(chǎn)時需要嚴(yán)格管控。

表2 最敏感的公差分析結(jié)果

表3 蒙特卡羅公差分析結(jié)果

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一款500萬像素的手機鏡頭，采用三片塑料非球面鏡片，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好。鏡頭光學(xué)總長度僅為4.163 mm，全視場角64°，在1/2奈奎斯特頻率處全視場MTF>0.3，0.7視場MTF>0.4，相對照度大于55%，畸變小于1%，成像質(zhì)量優(yōu)良，滿足手機鏡頭輕薄化的要求。

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Camera Design of 3P Slim 5 Mega-pixel Lens

GUO Wangkai，WANG Min，XU Miao，TAO Zhi

( Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine(Ministry of Education), School of Phonic and Electronic Engineering, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China )

A 5 mega-pixel lens system is designed with ZEMAX. The mobile lens is composed of 3 plastic aspheric lenses. The F-number is 2.8 and FOV is 64°.The sensor OV5645 has 5 mega-pixel which is made by Omnivision, whose pixel size is 1.4 μm×1.4 μm, so the limiting resolution is 358 lp/mm. The final design result shows the optical total length is 4.163 mm, the MTF value is more than 0.3 in full fields of view at 1/2 limiting resolution, the relative illumination is more than 55%, the distortion is less than 1%, and the field curvature is less than 0.1 mm. It possesses an excellent imaging performance.

optical design; mobile phone lens; 5 mega-pixel; ZEMAX

1003-501X(2016)09-0067-05

TN942.2

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.09.012

2015-11-17；

2016-02-24

國家自然科學(xué)基金(61520106015)；福建省科技廳產(chǎn)學(xué)研重大項目(閩財指[2014]973號)

郭王凱(1991-)，男(漢族)，福建漳州人。碩士研究生，主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、精密儀器方面的研究。E-mail：guowangkai2015@163.com。

王敏(1963-)，女(漢族)，福建南平人。教授，高級工程師，主要從事光學(xué)工藝及產(chǎn)品的研究開發(fā)。E-mail: mwang@fjnu.edu.cn。