[复习]百万像素手机摄像镜头模块规格

[复习]百万像素手机摄像镜头模块规格 百万像素手机摄像镜头模块规格 百万像素手机摄像镜头模块规格[多图] 发布时间:2009年3月7日 点击次数:119 来源:52RD手机研发 作者: 随着全球具有照相功能的手机市场大幅成长,手机相机的镜头从传统VGA等级的30万像素提升到130万像素,呈现跳跃式的技术升级成长。手机取像模块提高4倍像素后,连带提升取像模块内光学镜头、影像传感器、DSP芯片、内存容量、白光LED及液晶显示面板的等级,会使消费者产生更换手机的意愿。所以,百万像素级的手机取像镜头模块是带动手机新应用及产生新手机产品的元帅级创新。因此,手机相机的相关规格技术对了解此一产业的人士是相当重要的。本文的目的为做一浓缩且整体性介绍手机取像镜头模块的光学系统,浅入深出的介绍手机取像镜头模块的基本技术应用及光学仿真的概念。 130万像素的手机取像镜头规格 目前台湾光电业者已陆续开发成功130万像素的手机取像镜头,其规格如表一所示[注1]: 影像检测器 1/4吋影像检测器尺寸 3.584 x 2.688 mm像素 1290 x 966 (130万)像素尺寸 2.8 x 2.8 μm焦距 定焦有效焦距 4.5 mm影像范围 4.6 mmMTF调制转换函数 > 40%相对照度 > 65%主光线入射影像检测器Telcentric Angle < 18? 畸变Distortion < -2% 表一 典型CMOS影像传感器之光学镜头规格 2003年镜头业者陆续完成130万像素的开发,影像检测器的对角线长在4.6mm (号称1/4吋) 的条件下,像素间距则需为3584μm /1290 = 2.8 μm及2688μm /966 = 2.8μm。由于数字取像镜头的影像检测器是属于分立式的取样Sampling,根据数字取样原理,影像检测器其所能显示的最大的空间频率需受Nyquist取样频率的限制,即一个空间周期至少要有2个像素,故此像素间距为2.8 μm的影像检测器其所搭配的光学镜头需要能解析1000/(2x2.8) = 178 lp/mm的空间频率。这对光学 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 者而言是一高难度的挑战。图1显示的是光学仿真与镜头业界实务中所常用的MTF调制转换函数的图例,横坐标代表每毫米解析若干黑白线对的空间频率,纵坐标为成像面上黑白线对「对比度」为0~1的MTF值。其MTF值与方向有关,图1中T代表Y轴方 向,S代表X轴方向。 图1 光学仿真与镜头业界实务中所常用的MTF调制转换函数的图例。 从表一中有效焦距4.5mm与影像范围4.6mm此二参数的相同,可以看出手机取像镜头的特征,仍相当于是35mm底片传统照像机的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 镜头,其最大视场角可从tan-1(2.3/4.5) = 27? 得知,故此规格之光学镜头的视角(全)即为54?。由于市场的竞争个厂牌竞相提高视场角到60?或以上,越大的视场角会造成越大的像差,这对光学设计者而言也是一项难度的挑战。 在VGA等级的手机取像镜头,其光圈f/#大都在2.6~2.8之间,在有效 焦距已经固定的条件下,光圈数越大代表的是通光孔的直径越小,根据f/#的定义,入瞳的直径为4.5mm/2.8 = 1.6mm,这是一个很小的尺寸。更由于手机需要短小轻薄,百万像素级的手机取像镜头需要3枚透镜,整体光学模块的厚度更限制在7mm以内,对于需要劳力密集手工研磨与组装的光学透镜制造而言,实在是不是简单的一项任务。为了量产的需求,大部分业者的手机取像镜头采用可以射出成形的塑料 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 来代替需要研磨的玻璃。然而,塑料材质的折射率一般小于玻璃的折射率,折射率低则需采用较大的弯曲表面来补偿,如此会引进较大的像差,非常不利于成像的品质。目前业者所推出的产品一般采用1G2P,一枚玻璃、二枚塑料的组合来取的手机取像品质与制造成本的平衡。 相对照度指的是成像平面上沿光轴视场角与全视场角的照度比值,即影像传感器的对角线角落与中央照度的比值,此值受到照度的cos4θ定理之约制,在角落一定是单位面积的光通量流明数较低,但不要低到有暗角的现象,本取像镜头规格的最大视场角为27?,其cos4θ即已低到63%,所以此光学镜头的设计中不能还有渐晕vignetting的存在,设计的技巧及经验都会影响设计的成果。图2为光学取像镜头的示意图,图中Entrance pupil代表光阑Stop的位置,通过光阑中心的光线即是主光线Chief ray,图2中最大视场角θ即是受到数字影像传感器CCD或CMOS对角线长之限制,影像传感器上的相对照度也是受到此最大视场角的 cos4θ约制。 图2为光学取像镜头的光学参数示意图。θ代表视场角,Φ代表Telcentric Angle 由于影像传感器的每一个像素前都有一个凸透镜,其目的为收集更多的光线进入感应光强度的感应区,所以通过光阑STOP的主光线入射影像检测器时,其光线需与光轴呈现较为平行的远心结构,其入射角 Telcentric Angle需小于18?,即图2中主光线与成像面的交角Φ。由于这个需求光栏的位置需要提前,使光学镜片有空间可以来弯折光线,使光学系统呈远心透镜的结构。然而,光阑移到前面曲面后,破坏了光学系统的对称性,会引进彗形象差Coma,光学设计者需要作其它的安排来平衡掉彗形象差。 再来看表一中最后一项畸变Distortion,人类的眼睛对角度的分辨率为1分弧度角,约为1度的1/60,对线条的直与弯曲相当敏感。所以大多数的光学取像镜头对视场角上的放大率偏差非常在意,通常定为2%,且可接受-2%桶形的畸变,而不接受+2%枕形的畸变。 最后,一个光学取像镜头的品质可以用MTF调制转换函数来作综合的体检表,他代表的是光学镜头性能在空间频率域的反应。在低频时,代表的是对轮廓的解析力。在高频时,代表的是对人物系部表情的解析力。本取像镜头的规格必须能解析每个毫米178条黑白相间条的空间频率,其相衬度、或对比度、或调制度达到0.4,不容易也! 将「镜头模块」与「影像传感器」组装结合在一起,即是「数字取像模块」。图3中由上而下各组件依序为防杂散光的防炫环、光学镜头、IR滤光镜、影像传感器的盖玻片、CMOS影像传感器。从镜头的第一面到成像面称为Total Track,也就是光学镜头到影像传感器的距离,只能7.0 mm～ 图3 「数字取像模块」之剖面结构图。 百万像素级的手机取像镜头模块是一科技发展的结晶,必须结合光学 设计、薄膜蒸镀、机构、模具、组装校验、电路控制、取像集成电路IC、影像感应器、储存内存、甚至液晶显示器等多元的技术与人才的结合,是非常精巧的智能产品职的年轻人投入,了解其中的原理与特性,并开创自已的志业。在此要特别强调的是光学设计是整个取像模块的火车头,是系统的先行者。光学系统的设计确定后,其它各组人马自然会依序而发展。要学习光学设计一定要有工具,目前全世界通用的设计平台有Zemax、 Code V 、OSLO,各有所长,读者可依自己条件择一使用。(作者为台北科技大学光电研究所教师,台湾软件仿真学会荣誉会员。) 参考文献 1. 光电科技工业协进会PIDA,’2003年雷射及其它光电应用产业及技术动态 调查报告 行政管理关于调查报告关于XX公司的财务调查报告关于学校食堂的调查报告关于大米市场调查报告关于水资源调查报告 ’, 国科会委托,2004年2月出版。 关于台湾软件仿真学会 成立于2004年2月,致力于推广软件仿真教育之研究与应用、促进国内产业升级、联系国际相关组织,并推动软件仿真学术及技术之交流。 为协助国内广大学术群因应目前光电产业的发展趋势,并配合政府目前主力投入的『两兆双星计划』,特别与台湾科技大学、元智大学、清华大学、中原大学、交通大学、勤益技术学院、中华大学、长庚大学、高雄应用科技大学等育成中心、讯技科技结盟,共同推出『模拟设计实验室建置』计划。