300万像素手机镜头设计

文章编号: 100222082 (2008) 0620944205 300 万像素手机镜头设计 刘茂超1, 张　雷2, 刘沛沛1, 邸　兴3, 白晋涛1 (1. 西北大学 光子学与光子技术研究所, 陕西 西安 710069; 2. 比亚迪股份有限公司 第七事业部, 广东 深圳 518111; 3. 西北大学 物理系, 陕西 西安 710069) 摘　要: 设计一种300 万像素的手机镜头。该镜头由3 片塑料非球面透镜和1 个红外滤光片组成, 采用三星公司的一款300 万像素0. 635 cm (1ö4 inch) CM O S 作为该镜头的图像传感器, 像素颗 粒大小为1. 75 Λm , 其分辨率极限为285 lp ömm , 即为奈奎斯特频率。镜头的光圈值F 为2. 85, 视 场2Ξ 为62°。该镜头有较好的成像质量, 在奈奎斯特频率1ö2 处绝大部分视场的M T F 值大于0. 5, 波前均方差 (RM S w avefron t erro r) 小于0. 14Κ (Κ为波长) , 最大畸变为- 0. 2%。 关键词: 光学设计; 手机镜头; 300 万像素; 非球面透镜; M T F; ZEM A X 中图分类号: TN 942. 2; O 439　　　　　　文献标志码: A D esign of len s for 3 m ega-p ixel m obile phone cam era L IU M ao2chao 1, ZHAN G L ei2, L IU Pei2pei1, D I X ing3, BA I J in2tao 1 (1. Inst itu te of Pho ton ics & Pho to T echno logy, N o rthw est U niversity, X i′an 710069, Ch ina; 2. D ivision V II of BYD CO. , L td. , Shenzhen 518111, Ch ina; 3. D epartm ent of Physics, N o rthw est U niversity, X i′an 710069, Ch ina) Abstract: A mob ile phone len s assem b ly compo sed of 3 p last ic aspheric len ses and an IR filter w as designed. T h is len s assem b ly has an excellen t im aging perfo rm ance. Con sidering p roduct ion and co st, the p last ic len s 480R w as cho sen. T he 1ö4 in 3 m ega2p ixel CM O S m ade by Sam sung w as taken as the im age sen so r of the len s assem b ly, w ho se p ixel size w as 1. 75 Λm , lim it ing reso lu t ion w as 285 lp ömm , F2num ber w as 2. 85 and FOV w as 62°. It sM T F in the mo st of FOV at half of N yqu ist frequency is h igher than 0. 5, RM S w avefron t erro r is less than 0. 14Κand m ax im um disto rt ion is - 0. 2%. Key words: op t ica l design; len s of mob ile phone; 3 m ega2p ixel cam era; aspheric len s; M T F; ZEM A X 引言 2000 年 11 月, 夏普联合日本当时第三大移动 运营商J 2pho to 推出了全球第一款照相手机, 像素 为 11 万。这部划时代的手机诞生自今, 照相手机 受到了用户极大的喜爱, 得到了迅猛的发展。手机 厂商纷纷推出各式各样的照相手机, 其像素也从开 始的11 万像素, 发展到现在的30 万像素、130 万像 素、200 万像素[1 ]。一些商家也推出300 万像素甚至 更高像素的手机, 但是并不是所有的高像素手机都 向商家说的那样, 其高像素是通过软件的插值得到 的, 并非实际有效像素。鉴于此, 本文设计了一款实 际有效像素可达300 万的手机镜头。 1　感光器件的选取 不论是照相手机还是数码相机, 除了要有好的 光学镜头以外, 感光器件的好坏也是影响其成像质 量的一个极其重要因素。CCD 和CM O S 是目前最 常用的2种图像传感器 , 被广泛地应用于数码相 收稿日期: 2007212226; 　修回日期: 2008201217 作者简介: 刘茂超 (1983- ) , 男, 山东金乡人, 西北大学光子学与光子技术研究所硕士研究生, 主要从事光学设计与固体激 光器的研究。E2m ail: lium c2002@yahoo. cn 第29 卷 第6 期 2008 年11 月 　　　　　　　　　　　　　　　 应用光学 Journal of A pp lied Op tics　　　　　　　　　　　　　　　　　　 V o l. 29 N o. 6 N ov. 2008 机、摄像机、照相手机和监控摄像头等数码产品中。 CCD (即电荷耦合器件) 是一种感光的半导体片, CM O S 即互补金属氧化物半导体, 二者的主要的 区别是 CCD 是集成在半导体单晶材料上, 而 CM O S 是集成在被称为金属氧化物的半导体材料 上。它们的工作原理没有本质的区别, 都是利用感 光二极管进行光电转换。 目前, 数码相机的图像传感器仍然被CCD 所 掌控, 而在可拍照手机方面主要应用CM O S 图像 传感器, 虽然其主要是V GA , 但130 万像素, 200 万 像素, 300 万像素等高像素的CM O S 也已逐步推向 市场。 虽然CCD 技术已经能够提供较好的探测性 能, 但费用高、制造商有限等因素制约了CCD 市场 份额的扩大。相比之下, CM O S 探测器具有集成度 高、体积小、质量轻、功耗低、价格低、无光晕、高读 出速率等CCD 图像传感器不具备的优点。近年来, 随着亚微米和深亚微米工艺技术的发展和器件结 构的不断改进, CM O S 图像传感器的图像质量已 明显优于CCD 的图像质量, 因而可以预期在不久 的将来它将会在许多领域取代CCD [123 ]。 本文采用韩国三星公司的一款 300 万像素 CM O S 作为设计镜头的配套传感器, 其尺寸为 0. 635 mm (1ö4 inch) , 由于采用了 90 nm 的制造 工艺, 每个感光单元的尺寸下降到1. 75 Λm。 2　镜头各项参数的确定 2. 1　外形尺寸 由于手机向着小巧、智能化的方向发展, 因此 作为照相手机的镜头其尺寸也受到一定的限制。与 普通数码相机镜头相比有其特别之处: 镜头体积受 手机空间的制约, 体积小, 后焦短, 解像力要求越来 越高[4 ]。 普通手机的厚度小于 1 cm , 因此镜头的总长 度应该在1 cm 以内。同时根据市场上拍照手机的 一些参数确定出我们要设计的镜头参数: 光圈值 F 2. 85, 视场 62°左右。同时控制好光线的出射角 度, 使其与后面CM O S 能更好地耦合。 2. 2　调制传递函数 (M T F) M T F 可以叙述为通过镜头使标板 (chart) 成像时, 表示一定空间频率反差传递比率 的大小。空间频率是在像面上每mm 内黑白相间的 线对数, 以每mm 若干线对表示 (1 p ömm )。通常, M T F 值随空间频率的上升而下降, 即一个镜头的 M T F 值越大越好,M T F 曲线包围的面积越大越 好, 偏离光轴的点在子午方向 (S) 和弧矢方向 (T ) 的M T F 值越接近越好[526 ]。 由于本文采用的是0. 635 mm CM O S 传感器, 像素的颗粒尺寸是1. 75 Λm。要想使设计的镜头与 该CM O S 相匹配, 必须满足: CM O S 像素尺寸= 1镜头的分辨率×2 即该镜头的分辨率必须达到285 lp ömm [7 ]。 3　设计过程 3. 1　设计的思路 选择一个初始镜头, 对其进行不断的优化设 计, 使其达到我们的要求。初始镜头的光圈值选择 为F 2. 85, 总长度为5. 07 mm , 其结构如图 1 所示。 从图1 可以看出, 设计采用4 个镜片, 其中前3 个采 用非球面塑料。第1 和第3 个镜片的材料为480R , 第 2 个镜片采用的材料为POL YCA RB , 第 4 个为 BK7 材质的滤光片, 滤掉 (700～ 1 100) nm 的近红 外光, 厚度为0. 3 mm。480R 和POL YCA RB 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。 图 1　初始结构 F ig. 1　Pr imary structure 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[8 ]。对于本次设计我们采用偶次非球面。 ·549·应用光学　2008, 29 (6)　　刘茂超, 等: 300 万像素手机镜头设计 由图 2 的M T F 曲线可知, 初始镜头的成像质 量较差, 无法满足我们的要求, 需要对其进行优化。 图 2　M T F 曲线 F ig. 2　Curves of ploychromatic d iffraction M TF 3. 2　优化过程 用ZEM A X 进行优化, 使得各种参数达到我们 的要求。其优化过程如下: 1) 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; 2) 由于是手机镜头, 其尺寸受到限制, 因此我 们在 ZEM A X 的 M ER IT FUN CT ION ED ITOR 下, 用TO TR 操作数对镜头的总长度进行限制, 使 其小于5 mm ; 3) 用R EA Y 操作数对入射到第 10 个面即像 面的光线进行控制, 以减小像差, 提高成像质量; 4) 用RA ED 操作数对光线的出射角度进行 限制, 控制在 28°。其目的是为了更好地和像面的 CM O S 耦合; 5) 用D IM X 操作数控制各个视场的畸变; 6) 用FCGT 和FCGS 分别控制子午和弧矢方 向上各个视场的场曲; 7) 用M T FT 和M T FS 操作数, 对镜头的M T F 在子午和弧矢方向进行控制。设定镜头的各个视场 在100 lp ömm 和200 lp ömm 的M T F 分别大于0. 7 和0. 4, 不断对镜头进行优化。由于M T FT 和M T FS 是控制成像质量的综合操作数, 计算量比较大, 需 要较长时间的运算才能有比较好的效果。 4　最优结果 优化后的镜头结构如图3 所示。半视场为31°, 后焦距为 0. 365 mm , 总长度为 5. 261 mm ; 像高为 2. 3×2= 4. 6 mm , 由于我们采用的是 0. 635 mm COM S, 即尺寸为3. 6 mm ×2. 7 mm , 对角线长4. 5 mm。因此像的尺寸和CM O S 基本一致。 图 3　优化后的镜头结构 F ig. 3　Structure of len s assembly af ter optim ization 镜头所成像的光斑 (像圈) 和CM O S 位置图像 如图 4 所示。把CM O S 放置在镜头所成像的区域 内, 圆圈代表镜头成像的区域, 直径为像高即 4. 6 mm , 黑色矩形部分为CM O S 图像传感器, 尺 寸为3. 6 mm ×2. 7 mm , 对角线长为4. 5 mm。 图 4　像圈和CM O S F ig. 4　Image c ircle and CMOS 表1 是出射角随像高的变化值 (表 1 中Y 代表 像高) , 最大出射角小于 28°, 从而能够实现与后面 的CM O S 耦合。如果边缘区域光线的出射角度太 大, 则到达像素感应区的光线不够, 导致CM O S 感 光不足。 表 1　不同像高的出射角度 Table 1　Ex it angle at d ifferen t image he ight 像高Y 0. 00Y 0. 050Y 0. 100Y 0. 15Y 0. 20Y 0. 25Y 0. 30Y 0. 35Y 0. 400Y 0. 45Y 出射角ö(°) 0. 00 1. 81 3. 63 5. 44 7. 25 9. 07 10. 88 12. 69 14. 50 16. 29 像高Y 0. 55Y 0. 60Y 0. 65Y 0. 75Y 0. 80Y 0. 85Y 0. 90Y 0. 950Y 1. 00Y 出射角ö(°) 19. 79 21. 45 22. 99 24. 37 25. 54 26. 44 27. 01 27. 13 23. 62 ·649· 应用光学　2008, 29 (6)　　刘茂超, 等: 300 万像素手机镜头设计 　　图5 为优化后镜头的M T F 曲线。从图5 可以看 出, 该镜头在所有视场的分辨率都大于 285 lp ö mm , 可以和选择的CM O S 相匹配的在 285 lp ömm 处其中心视场的M T F 值为 0. 38, 0. 7 视场的子午 和弧矢方向M T F 均为0. 30, 它们都非常接近衍射 极限。在 143 lp ömm 附近, 镜头的大部分视场的 M T F 值都大于0. 5, 并且中心视场的M T F 值达到 了0. 65, 0. 7 视场的子午和弧矢方向的M T F 值分 别为0. 57 和0. 59。可见该镜头有较高的成像质量, 达到了设计的预期目标。 图 5　镜头的M T F F ig. 5　Ploychromatic dffraction M TF of len s assembly 该镜头的最大畸变为- 0. 2% , 如图6 所示。该 畸变为桶形畸变, 相对于枕形畸变来说, 桶形畸变 人眼看着更舒服些。镜头最大场曲小于0. 1 mm , 均 方根波前差 (RM S) 在所有视场内都小于 0. 14, 镜 头色差引起的焦点的移动小于20 Λm。图7 为像面 上的点列图。从图7 可以看出, 各个像差得到了很 好的控制, RM S 半径基本上小于ariy disk。图8 为 系统的相对光照图。从图 8 可以看出, 所有视场的 相对照度都在0. 58 以上。图9 为系统的整体像差 图。从图9 可见, 像差得到了较好的控制, 虽然在最 图 6　场曲和畸变 F ig. 6　F ield curvature and distortion 大视场附近有少许高阶像差, 但在中心视场和 0. 7 视场以内像差得到了很好的控制。 图 7　点列图 F ig. 7　Spot d iagram 图 8　相对照度图 F ig. 8　Relative illum ination 图 9　光线像差 F ig. 9　Aberration of ray 5　结束语 通过ZEM A X 光学软件对初始镜头进行优化 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, 大大提高了成像的质 量, 同时缩短了镜头的整体尺寸, 便于在手机上集 成。加之采用了高质量的CM O S 感光器件, 使得镜 ·749·应用光学　2008, 29 (6)　　刘茂超, 等: 300 万像素手机镜头设计 头像素达到了300 万像素。为了减小光线在整个镜 片之间的反射损失, 镜头还应该镀对可见光的减反 射膜, 同时也是为了减少红外光的透过, 防止红外 光在CM O S 上成像引起噪声。 参考文献: [ 1 ]　核桃. 浅谈照相手机成像性能 [J ]. 照相机, 2006 (12) : 19. 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