500万像素手机镜头设计

文章编号: 1002-2082(2009) 06-0934-05 500万像素手机镜头 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 张　萍, 王　诚, 宋东王番, 李小俊 (西北大学 光子学与光子技术研究所, 陕西 西安 710069) 摘　要: 利用ZEMAX 光学工程设计软件, 设计了一款500万像素的手机镜头。该镜头由4片塑 料非球面透镜和1片红外滤光片组成, 其光圈值F 为2. 85, 视场2X为60°, 采用Aptina 公司的一 款500万像素7. 94 mm(1/ 3. 2)英寸CMOS 作为该镜头的图像传感器, 该图像传感器的像素颗粒 大小为1. 75 Lm, 截止频率为285 lp/ mm, 即为奈奎斯特频率。设计结果显示, 该镜头在奈奎斯 特频率处, 0. 7视场以内的MTF 值大于0. 3, 在奈奎斯特频率1/ 2处视场的MTF 值均大于0. 5, 波前均方差 (RMS wavefront er ror) 小于0. 1, 畸变小于1%。 关键词: 手机镜头; 500万像素; 光学设计; ZEMAX 中图分类号: TN942. 21　　　　　　文献标志码: A Design of lens for 5 mega-pixel mobile phone cameras ZHANG Ping, WANG Cheng, SONG Dong-fan, LI Xiao-jun ( Inst itute of Phot onics & Photonic T echnology, Nor thwestern University, Xi’an 710069, China) Abstract: A mobile phone lens assembly composed of 4 plast ic aspheric lenses and an IR filter was designed by use of ZEMAX (opt ical engineering software) . Consider ing the product ion and cost , the plast ic lens E48R was chosen. T he 1/ 3. 2 in ( 7. 94 mm) 5 mega-pixel CMOS made by Aptina is taken as the image sensor of the lens assembly, whose pixel size is 1. 75 Lm and the limit ing resolut ion is 285 lp/ mm. The F -number and FOV of the camera are 2. 85 and 60° respect ively. T he resul ts show that the lens has excellent imaging quality, the MTF value is more than 0. 3 within 0. 7 FOV at the Nyquist frequency, the MTF value of FOV are more than 0. 5 at the 1/ 2 Nyquist frequency, wavefront mean squar e err or is less than 0. 1, and the distort ion is less than 1%. Key wor ds : lens of mobile phone; 5 mega-pixel camera; opt ical design; ZEMAX 引言 随着可拍照手机的发展及手机镜头相关工艺 的突破, 可拍照手机从最初11万像素[ 1]发展到今 天500万像素,甚至800万像素、1000万像素[ 2] ,大 有取代数码相机的趋势。互联网消费调研中心 ( ZDC) 2009年上半年调查数据显示[ 3] ,目前市场 上200万像素的手机处于用户关注的主流, 占到了 40. 3%的关注比例,其次为 300万像素, 关注比例 为 25. 3%, 500 万及以上像素的关注比例为 19. 0%。500万像素的手机拍照性能, 几乎可以与 一些低端数码相机媲美,而且手机携带方便,可满 足用户随时随地拍照的需求。但是目前500万像素 的手机处在中高价格段, 因此受关注热度不是很 高。虽然在2009年上半年仅得到17. 59%的用户关 收稿日期: 2009-08-11;　修回日期: 2009-09-18 基金项目:西北大学研究生科研实验资助项目( 08YSY14)。 作者简介:张萍( 1983- ) , 女, 湖南郴州人, 西北大学光子学与光子技术研究所硕士研究生, 主要从事光学设计和光纤激光 器件方面的研究。E-mail: zp zyw@163. com 第30 卷 第6 期 2009年 11 月 　　　　　　　　　　　　　 应用光学 Journal of Applied Optics 　　　　　　　　　　　　　　Vol. 30 No. 6 Nov. 2009 注比例, 但是可以预见, 500万高像素手机在不久 的将来一定会快速普及起来。本文就500万高像素 手机镜头进行了设计, 并对设计结果进行了分析。 1　感光器件的选取 不论是照相手机还是数码相机要有高的成像 质量, 仅有好的光学镜头是不够的,还需高质量与 之相匹配的感光器件。因此随着数码相机、手机相 机的兴起,图像传感器在半导体产品中备受关注, 目前最常用的两种图像传感器是CCD和CMOS。 CCD 传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方 面都优于CMOS传感器, 而CMOS 传感器则具有 低成本、低功耗、以及高整合度等特点[ 4]。近年来, 这两种传感器都在努力改进,希望成为市场上的主 流技术。目前,在可拍照手机方面主要应用CMOS 图像传感器, 虽然它主要是 VGA,但 130 万像素、 200万像素、300万像素、500万像素以及1000万像 素[ 5]等高像素的CMOS 也已逐步推向市场。 本文采用Aptina 公司的一款型号为MT9P013 的 500 万像素 CMOS, 作为设计镜头的配套传感 器, 其尺寸为 7. 94 mm(1/ 3. 2英寸) ,每个感光单 元的最小像素尺寸仅为1. 75 Lm。这款传感器充分 利用了Aptina 公司在其 1. 4 Lm像素级图像传感 器中采用的同一项成功的光线捕捉技术。在60 fps 帧率下,可支持 720 p 的高清视频,在 15 fps 帧率 下,可支持500万像素的全分辨率。 2　镜头系统结构的主要技术指标 镜头所选用CMOS 满足的主要规格指标如表 1所示。镜头满足的主要技术指标[ 6-7]如表2所示。 表1　CMOS主要规格指标 Table 1　Basic specif ica tions of CMOS 项目名称 指标 解析度 2600×1950有效像素( 500 万像素) 像面大小 4. 536 mm×3. 416 mm(对角线5. 678 mm) 像素(像元) 大小 1. 75 Lm×1. 75 Lm 表 2　镜头的主要技术指标 Table 2　Main specif ications of lens 项目名称 指标 项目名称 指标 总长 < 7 mm 后焦距 > 0. 3 mm 相对孔径 D/ f = 1/ 2. 85 视场角 2X= 60° 像高 2Y > 5. 7 mm 相对照度 > 50% 项项目目名名称称 指指标标 畸变 < 3% TV 畸变 < 1% MT F 值 0. 7 视场处> 0. 3; 0. 5视场处> 0. 5 波段范围 435. 8 nm; 546. 1 nm(主波长) ; 656. 3 nm 主光线出射角 < 25°(为了与CMOS 更好地匹配) 3　设计思路 镜头初始结构的选择非常重要,较好的初始结 构在做优化时,比较容易达到要求的目标。因此,在 系统初始设计时,就必须考虑周详一点。通常初始 值的选取有两种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,其中一种是由近轴初始设计 开始建立镜组结构, 根据理论着手计算镜组的像 差,然后将曲率、厚度及透镜材质一步一步调整以 得到满足我们的要求的结果。但是这种方法通常会 花费很多的时间,且需要多年的设计经验和丰富的 像差理论知识。另一种简便的方法即由书籍中的参 考资料或者从专利中寻找适合的镜组结构,然后修 改初始资料以符合设计要求。 本设计采用第2种方法, 根据所要设计镜头的 视场、光圈、镜片数目及材质选取美国一个专利的 雏形结构,并对其部分参数进行修改,得到一个基 本符合要求的初始结构。该初始镜头的光圈值为F = 2. 85,视场2X= 60°,采用5个镜片,即第1、第3及 第4个镜片的材料为E48R 的塑料非球面, 第2个 镜片材料为POLYCARB的塑料非球面,第5 个为 厚度 0. 3 mm BK7 材质的滤光片, 滤掉( 700～ 1100) nm的近红外光。E48R和POLYCARB在550 nm处的折射率和阿贝系数分别为1. 535, 55. 95和 1. 585, 29. 91。 之所以采用非球面是因为和球面镜片相比,非 球面可以提高系统的相对口径比,扩大视场角,在 提高光束质量的同时透镜数比球面构成的少, 镜头 的形状可小型化, 也可减轻系统质量等, 同时还可 以更好地消除球差、彗差、像散、场曲,减少光能损 失, 从而获得高质量的图像效果和高的光学特 性[ 1, 8]。塑料非球面镜镜片与玻璃非球面镜镜片相 比质量轻且加工成本低。对于本次设计我们采用偶 次非球面。 利用ZEMAX软件对初始结构进行优化, 首先 将各个透镜的厚度、间距、半径、曲率、偶次非球面 系数设成可变量, 接着设定评价函数,将所想达到 的目标值与权重建立于其中。ZEMAX提供的优化 ·935·应用光学 2009, 30(6)　　张　萍, 等: 500 万像素手机镜头设计　　 计算方法基于阻尼最小二乘法, 其对于优化变量并 没有严格的控制, 实际上往往许多变量在一定程度 上是相关的, 因而相关的多少还与权重有关,权重 的多少会影响优化的质量。为了满足实际光学加工 的需求,优化时应注意光学材料的厚度及曲率半径 不能太小,塑料非球面镜片的中心和边缘厚度都需 要大于0. 35 mm, 曲率半径大于2 mm。 本镜头采用逐步修改权重、增减操作数, 同时 监控优化情况的设计方法, 经过反复修改和调试, 并综合考虑像差的平衡问题和加工工艺问题,最终 得到一款满足要求的手机镜头。 4　结果分析 优化后的镜头结构如图1所示。半视场为30°, 光 圈值2. 85,有效焦距5. 14 mm,后焦距0. 407 mm,光 学系统总长为 6. 14 mm, 像高为 2. 94× 2 = 5. 88 mm,大于CMOS 的对角线长5. 68 mm,且主 光线最大出射角小于 25°, 从而能实现与后面的 CMOS 有效耦合。 图1　优化后光学系统二维图 Fig. 1　Two-dimensional diagr am of lens assembly af ter optimization 各界面间边缘厚度、各面曲率半径及中心厚度 如表3所示。从表3可见镜片的中心和边缘厚度都 大于0. 35 mm, 曲率半径均大于2 mm,目前的工艺 水平完全可以将符合设计要求的镜片加工出来。 根据设计结果, 利用ZEMAX分析菜单命令, 从相对照度、场曲、畸变、MTF 值、色差以及点列图 等方面来评价该镜头的成像品质。 相对照度即是边缘照度与中心照度的比值,对 于拍照手机镜头, 一般认为相对照度大于 50%即 可。如果照度太低,边缘视场的光线会较暗,画面容 易形成暗角, 人眼很容易察觉, 从而影响图片的整 体一致性。从图2像面相对照度图中可以看出相对 照度大于60% ,完全满足要求。 表3　界面间的边缘厚度、各面曲率半径和中心厚度 　　Table 3　Edge thickness, curvatur e r adius and centr al thickness 图2　像面相对照度图 Fig. 2　Relative illumination of image plane 　　场曲反应了整个像面的弯曲情况,对于手机镜 头,场曲小于0. 1即可。从图3左图可以看出, 场曲 小于0. 05 mm完全满足要求。畸变一般要求在3% 以内。从图3右图可以看出,畸变小于1%, 完全满 足要求。 图3　场曲和畸变 F ig. 3　Astigma tic f ield curvatur e and distor tion MTF 值用来评估特定空间频率分布时,在经 过镜头成像后的解析度百分比。这里的特定空间频 率主要由CMOS 的像元大小决定,本设计选择的 ·936· 　　应用光学 2009, 30(6)　　张　萍, 等: 500 万像素手机镜头设计 CMOS 最小像元像素为R= 1. 75 Lm, 因此由公式 f = 1/ 2R 可以算出频率为285 lp/ mm, 此即传感器 的截止频率(奈奎斯特频率)。镜头的截止频率应高 于传感器的截止频率, 即镜头的分辨率要高于 285 lp/ mm。对于摄像镜头, 一般要求0. 7视场以内 能够分辨清楚就可以了,轴外视场的分辨率允许一 定程度的下降。从图4中的频率-MTF 曲线图可以 看到,在频率 285 lp/ mm时, 0. 7视场以内的MTF 值大于0. 3,轴外视场略有下降, 但总体可以满足要 求。从图5可以看出,奈奎斯特频率二分之一处,即 143 lp/ mm处的MTF 值都大于0. 5, 奈奎斯特频率 三分之一处,即95 lp/ mm 处的MTF 值均大于0. 6。 图4　频率-MT F 　 F ig. 4　Frequency ver sus MTF curves for diff er ent image height 图 5　95 lp/ mm和 143 lp/ mm处MTF-视场 Fig. 5　MTF versus FOV at 95 lp/mm and 143 lp/mm 色差分为纵向色差与横向色差两种。纵向色差 希望能接近衍射极限;而横向色差范围应小于一个 像素大小,才不会使得像面色彩有渐晕现象。图6 为本设计的纵向色差,图7为横向色差。从图6中可 以看出纵向色差约为20. 04 Lm,接近衍射极限。从 图7中可以看出横向色差小于0. 5 Lm,远小于一个 像素,大小为1. 75 Lm。 图8为均方根波前差( RMS) ,从图8可以看出, 图6　纵向色差 Fig. 6　Longitudinal chromatic aber r ation 图7　横向色差 F ig. 7　La ter a l chromatic aberr a tion 图8　均方根波前差 Fig. 8　RMS wavef ront er ror ver sus field 图9　点列图 F ig. 9　Spot diagr am ·937·应用光学 2009, 30(6)　　张　萍, 等: 500 万像素手机镜头设计　　 在所有视场内RMS 都小于0. 1, 能够确保均衡和统 一的图像像质。图9为像面上的点列图。从图9可以 看出, RMS 半径均小于ariy disk,各个像差得到了 很好的控制。图10为系统的整体像差图,从图10中 可以看出,整体像差得到了很好的控制。 图10　光线像差图 Fig. 10　Ray aber ra tion 5　结论 通过ZEMAX光学软件对初始镜头优化设计, 得到了一款成像质量较高的手机镜头。由于该镜头 采用了非球面设计,成像质量高,且整体尺寸短,便 于在手机上集成。加之采用了高质量的CMOS 感 光器件,镜头像素达到了500万,像质极好, 视场为 60°,光学总长6. 14 mm,畸变小于1% , TV 畸变小 于0. 3% ,光圈值为2. 85,像面主光线出射角度小于 25°,在CMOS 主光线角度的要求范围内,可以满足 实际生产要求。 参考文献: [ 1]　刘茂超, 张雷, 刘沛沛, 等. 300 万像素手机镜头设计 [ J] . 应用光学, 2008, 29(6) : 944-948. 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