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500万像素手机镜头设计.pdf

500万像素手机镜头设计.pdf

上传者: 学乐 2012-04-02 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《500万像素手机镜头设计pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含文章编号:()万像素手机镜头设计张 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)摘 要:利用ZEMAX光学工程设计软件,符等。

文章编号:()万像素手机镜头设计张 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)摘 要:利用ZEMAX光学工程设计软件,设计了一款万像素的手机镜头。该镜头由片塑料非球面透镜和片红外滤光片组成,其光圈值F为,视场X为,采用Aptina公司的一款万像素mm()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Lm,截止频率为lpmm,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,视场以内的MTF值大于,在奈奎斯特频率处视场的MTF值均大于,波前均方差(RMSwavefronterror)小于,畸变小于。关键词:手机镜头万像素光学设计ZEMAX中图分类号:TN      文献标志码:ADesignoflensformegapixelmobilephonecamerasZHANGPing,WANGCheng,SONGDongfan,LIXiaojun(InstituteofPhotonicsPhotonicTechnology,NorthwesternUniversity,Xi’an,China)Abstract:AmobilephonelensassemblycomposedofplasticasphericlensesandanIRfilterwasdesignedbyuseofZEMAX(opticalengineeringsoftware)Consideringtheproductionandcost,theplasticlensERwaschosenThein(mm)megapixelCMOSmadebyAptinaistakenastheimagesensorofthelensassembly,whosepixelsizeisLmandthelimitingresolutionislpmmTheFnumberandFOVofthecameraareandrespectivelyTheresultsshowthatthelenshasexcellentimagingquality,theMTFvalueismorethanwithinFOVattheNyquistfrequency,theMTFvalueofFOVaremorethanattheNyquistfrequency,wavefrontmeansquareerrorislessthan,andthedistortionislessthanKeywords:lensofmobilephonemegapixelcameraopticaldesignZEMAX引言随着可拍照手机的发展及手机镜头相关工艺的突破,可拍照手机从最初万像素发展到今天万像素,甚至万像素、万像素,大有取代数码相机的趋势。互联网消费调研中心(ZDC)年上半年调查数据显示,目前市场上万像素的手机处于用户关注的主流,占到了的关注比例,其次为万像素,关注比例为,万及以上像素的关注比例为。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。虽然在年上半年仅得到的用户关收稿日期: 修回日期:基金项目:西北大学研究生科研实验资助项目(YSY)。作者简介:张萍(),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。Email:zpzywcom第卷第期年月             应用光学JournalofAppliedOptics              VolNoNov注比例,但是可以预见,万高像素手机在不久的将来一定会快速普及起来。本文就万高像素手机镜头进行了设计,并对设计结果进行了分析。 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。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,但万像素、万像素、万像素、万像素以及万像素等高像素的CMOS也已逐步推向市场。本文采用Aptina公司的一款型号为MTP的万像素CMOS,作为设计镜头的配套传感器,其尺寸为mm(英寸),每个感光单元的最小像素尺寸仅为Lm。这款传感器充分利用了Aptina公司在其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fps帧率下,可支持p的高清视频,在fps帧率下,可支持万像素的全分辨率。 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所示。镜头满足的主要技术指标如表所示。表 CMOS主要规格指标Table BasicspecificationsofCMOS项目名称指标解析度有效像素(万像素)像面大小mmmm(对角线mm)像素(像元)大小LmLm表 镜头的主要技术指标Table Mainspecificationsoflens项目名称指标项目名称指标总长<mm后焦距>mm相对孔径Df=视场角X=像高Y>mm相对照度>项项目目名名称称指指标标畸变<TV畸变<MTF值视场处>视场处>波段范围nmnm(主波长)nm主光线出射角<(为了与CMOS更好地匹配) 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,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=,视场X=,采用个镜片,即第、第及第个镜片的材料为ER的塑料非球面,第个镜片材料为POLYCARB的塑料非球面,第个为厚度mmBK材质的滤光片,滤掉(~)nm的近红外光。ER和POLYCARB在nm处的折射率和阿贝系数分别为,和,。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,。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提供的优化应用光学,()  张 萍,等: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mm,曲率半径大于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。 结果分析优化后的镜头结构如图所示。半视场为,光圈值,有效焦距mm,后焦距mm,光学系统总长为mm,像高为=mm,大于CMOS的对角线长mm,且主光线最大出射角小于,从而能实现与后面的CMOS有效耦合。图 优化后光学系统二维图Fig Twodimensionaldiagramoflensassemblyafteroptimization各界面间边缘厚度、各面曲率半径及中心厚度如表所示。从表可见镜片的中心和边缘厚度都大于mm,曲率半径均大于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。从图像面相对照度图中可以看出相对照度大于,完全满足要求。表 界面间的边缘厚度、各面曲率半径和中心厚度  Table Edgethickness,curvatureradiusandcentralthickness图 像面相对照度图Fig Relativeilluminationofimageplane  场曲反应了整个像面的弯曲情况,对于手机镜头,场曲小于即可。从图左图可以看出,场曲小于mm完全满足要求。畸变一般要求在以内。从图右图可以看出,畸变小于,完全满足要求。图 场曲和畸变Fig AstigmaticfieldcurvatureanddistortionMTF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  应用光学,()  张 萍,等:万像素手机镜头设计CMOS最小像元像素为R=Lm,因此由公式f=R可以算出频率为lpmm,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lpmm。对于摄像镜头,一般要求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。从图中的频率MTF曲线图可以看到,在频率lpmm时,视场以内的MTF值大于,轴外视场略有下降,但总体可以满足要求。从图可以看出,奈奎斯特频率二分之一处,即lpmm处的MTF值都大于,奈奎斯特频率三分之一处,即lpmm处的MTF值均大于。图 频率MTF Fig FrequencyversusMTFcurvesfordifferentimageheight图 lpmm和lpmm处MTF视场Fig MTFversusFOVatlpmmandlpmm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。图为本设计的纵向色差,图为横向色差。从图中可以看出纵向色差约为Lm,接近衍射极限。从图中可以看出横向色差小于Lm,远小于一个像素,大小为Lm。图为均方根波前差(RMS),从图可以看出,图 纵向色差Fig Longitudinalchromaticaberration图 横向色差Fig Lateralchromaticaberration图 均方根波前差Fig RMSwavefronterrorversusfield图 点列图Fig Spotdiagram应用光学,()  张 萍,等:万像素手机镜头设计  在所有视场内RMS都小于,能够确保均衡和统一的图像像质。图为像面上的点列图。从图可以看出,RMS半径均小于ariydisk,各个像差得到了很好的控制。图为系统的整体像差图,从图中可以看出,整体像差得到了很好的控制。图 光线像差图Fig Rayaberration 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,镜头像素达到了万,像质极好,视场为,光学总长mm,畸变小于,TV畸变小于,光圈值为,像面主光线出射角度小于,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: 刘茂超,张雷,刘沛沛,等万像素手机镜头设计J应用光学,,():LIUMaochao,ZHANGLei,LIUPeipei,etalDesignoflensformegapixelmobilephonecameraJJournalofAppliedptics,,():(inChinesewithanEnglishabstract) 佐伯真也索尼新CMOS拍照手机像素将全面超千万ROLhttp:wwwdpnetcomcnNewsshtml 王彦恩年月中国手机市场用户关注分析报告ROLhttp:zdccomcnhtml 宋敏,郐新凯,郑亚茹CCD与CMOS图像传感器探测性能比较J半导体光电,,():SONGMin,GUIXinkai,ZHANGYaruComparisonofdetectionperformanceinCCDandCMOSimagesensorJSemiconductorOptoelectronics,,():(inChinesewithanEnglishabstract) 庞博索尼实现万像素手机CMOS商业化ROLhttp:oempchomenetarticlecontenthtml 朱建新,吴国诚拍照手机镜头MTF的测量方法J光学仪器,,():ZHUJianxin,WUGuochengMeasuringmethodofmobilephonelensMTFJOpticalInstruments,,():(inChinesewithanEnglishabstract) 李文静像素手机镜头的光学设计J激光与光电子学进展,,():LIWenjingOpticaldesignofmegapixelmobilephonelensJLaserOptoelectronicsProgress,,():(inChinesewithanEnglishabstract) 勾志勇,王江,王楚,等非球面光学设计术综述J激光杂志,,():GOUZhiyong,WANGJiang,WANGChu,etalThesummaryofasphericopticaldesigntechnologyJLaserJournal,,():(inChinesewithanEnglishabstract)  应用光学,()  张 萍,等:万像素手机镜头设计

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