300万像素手机镜头设计

第29卷第6期 2008年11月 文章编号：1002—2082(2008)06—0944—05 应用光学 JournalofAppliedOptics 300万像素手机镜头 刘茂超1，张 雷2，刘沛沛1，邸 兴3，白晋涛1 V01．29No．6 NOV．2008 (1．西北大学光子学与光子技术研究所，陕西西安710069f2．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0．635cm(1／4inch)CMOS作为该镜头的图像传感器，像素颗 粒大小为1．75肛m，其分辨率极限为285Ip／mm，即为奈奎斯特频率。镜头的光圈值F为2．85，视 场2(o为62。。该镜头有较好的成像质量，在奈奎斯特频率i／2处绝大部分视场的MTF值大于0．5， 波前均方差(RMSwavefronterror)小于0．14A(A为波长)，最大畸变为一0．2％。 关键词：光学设计；手机镜头；300万像素；非球面透镜；MTF；ZEMAX 中图分类号：TN942．2；0439 文献标志码：A Designoflensfor3mega—pixelmobilephonecamera LIUMao—cha01，ZHANGLei2，LIUPei—peil，DIXin93，BAIJin—ta01 (1．InstituteofPhotonies&PhotoTechnology，NorthwestUniversity，Xi’an710069，China； 2．DivisionVIIofBYDCO．，Ltd．，Shenzhen518111，China； 3．DepartmentofPhysics，NorthwestUniversity，Xi’an710069。China) Abstract：Amobilephonelensassemblycomposedof3plasticasphericlensesandanIRfilter wasdesigned．Thislensassemblyhasanexcellentimagingperformance．Consideringproduction andcOSt，theplasticlens480Rwaschosen．The1／4inch3mega-pixelCMOSmadebySamsung wastakenastheimagesensorofthelensassembly，whosepixelsizewas1．75Ⅲn，limiting resolutionwas285lp／mm，F—numberwas2．85andFOVwas62。．ItsMTFinthemostpartof FOVathalfofNyquistfrequencyishigherthan0．5，RMSwavefronterrorislessthan0．14A andmaximumdistortionis一0．2％． Keywords：opticaldesign；lensofmobilephone；3mega-pixelcamera；asphericlens；MTFI ZEMAX 引言 2000年11月，夏普联合日本当时第三大移动 运营商J-photo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hi。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。 I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CMOS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：2007—12—26I修回日期：2008—01—17 作者简介：刘茂超(1983一)，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。E—mail；liumc2002@yahoo．ca 万方数据 应用光学2008，29(6)刘茂超，等：300万像素手机镜头设计 ·945· 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， CMOS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 CMOS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CMOS图像 传感器，虽然其主要是VGA，但130万像素，200万 像素，300万像素等高像素的CMOS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，CMOS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，CMOS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【l。3]。 本文采用韩国三星公司的一款300万像素 CM()S作为设计镜头的配套传感器，其尺寸为 0．635mm(1／4inch)，由于采用了90am的制造 工艺，每个感光单元的尺寸下降到1．75弘m。 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HJ。 普通手机的厚度小于1cm，因此镜头的总长 度应该在1cm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一2．85，视场62。左右。同时控制好光线的出射角 度，使其与后面CMOS能更好地耦合。 2．2调制传递函数(MTF) MTF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。空问频率是在像面上每mm内黑白相间的 线对数，以每mm若干线对表示(1p／mm)。通常， MTF值随空间频率的上升而下降，即一个镜头的 MTF值越大越好，MTF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MTF值越接近越好[5-6]。 由于本文采用的是0．635mmCMOS传感器， 像素的颗粒尺寸是1．75／．tm。要想使设计的镜头与 该CMoS相匹配，必须满足： CMOS像素尺寸2镜耍百疡岛渐 即该镜头的分辨率必须达到285lp／mm[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5．07mm，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POLYCARB，第4 个为BK7材质的滤光片，滤掉(700～1100)nm的 近红外光，厚度为0．3mm。480R和POLYCARB 在550nm处的折射率和阿贝系数分别为1．535， 55．95和1．585，29．91。 一 Z fr．， 参 彩可 菊；：篚嚣毋11．Ii。,．。。，。 l l∞．：。翟0；搿，。．。 图l初始结构 Fig．1Primarystructure 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‘引。对于本次设计我们采用偶次非球面。 万方数据 ·946· 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MTF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。 PI^手k 龟 鲥‘吁k ■．， & U∞m_．口rTflII ^6 g^， !曩‘ ‘^0 当吼。 置矗a 呈-2 醢逾。／、 一 一。一，^1扎R明a描各箍H瞅吼mm2”·” phiYmI■。■■T1CnT■■一CrD嘣HT； LEH￡HR￡H0n1LE． 崮l龌l?’l麓·m-·一“—- ∞¨II盐孀i背l口fJ 图2 MTF曲线 Fig．2CurvesofploychromaticdiffractionMTF 3．2优化过程 用ZEMAX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ZEMAX的MERITFUNCTIONEDIToR 下，用TOTR操作数对镜头的总长度进行限制，使 其小于5mm； 3)用REAY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RAED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 CMOS耦合； 5)用DIMX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MTFT和MTFS操作数，对镜头的MTF 在子午和弧矢方向进行控制。设定镜头的各个视场 在100lp／mm和200lp／mm的MTF分别大于0．7 和0．4，不断对镜头进行优化。由于MTFT和MTFS 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0．365mm，总长度为5．261mm；像高为 2．3×2=4．6mm，由于我们采用的是0．635mm COMS，即尺寸为3．6mm×2．7mm，对角线长4．5 mm。因此像的尺寸和CMoS基本一致。攮≯芝 霄矿㈠ ENeH日￡Han1“． 舟}^}E-宙Tj伊1-．-l∞_ 琶器点臻‰三NT*P：詈If 圈3优化后的镜头结构 Fig．3Structureoflensassemblyafteroptimization 镜头所成像的光斑(像圈)和CMOS位置图像 如图4所示。把CMOS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 4．6mm，黑色矩形部分为CMOS图像传感器，尺 寸为3．6mm×2．7mm，对角线长为4．5mm。 图4像圈和CMOS Fig．4ImagecircleandCMOS 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CMOS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CMOS感 光不足。 表1不同像高的出射角度 Table1 Exitangleatdifferentimageheight 万方数据 应用光学2008，29(6)刘茂超，等：300万像素手机镜头设计 ·947· 图5为优化后镜头的MTF曲线。从图5可以看 出，该镜头在所有视场的分辨率都大于285lp／ mm，可以和选择的CMOS相匹配的在285lp／mm 处其中心视场的MTF值为0．38，0．7视场的子午 和弧矢方向MTF均为0．30，它们都非常接近衍射 极限。在143lp／mm附近，镜头的大部分视场的 MTF值都大于0．5，并且中心视场的MTF值达到 了0．65，0．7视场的子午和弧矢方向的MTF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。 ．一m镫缌11糯鼍阿慨 ^ei’～、。：占tr!·‘篓_’苫-。 一“。_RTnR∞Ⅲ甜毛箍∞_眦LM偶”。 帅●Y删■1h^t"m■■_CTtnHHTF U；N￡wRgHaTrl哐． 踞rDjmP茈c：c器uL'11‘墓1m··一-一 琶器点g％‰孟．‘严：口。' 图5镜头的MTF Fig．5PloychromaticdffractionMTFoflensassembly 该镜头的最大畸变为一0．2％，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0．1mm，均 方根波前差(RMS)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弘m。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，RMS半径基本上小于ariydisk。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 圈6场曲和畸变 Fig．6Fieldcurvatureanddistortion 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。 一-·III I‘●■一 II'_一 I'●-● j· · · 哑 l ● ▲ ▲ ▲ I 辨‰．强。零靖强点舅。嚣∥ 3怂三!器：k’，器鼍 图7点列图 Fig．7Spotdiagram i^。j～～＼、．。 l^r ＼、～jI‘ d_· l：： t-2 ”。一 vH0‰∞∞ 。t．ta ●¨T【I堆rl1U^IH^11嘣 戤蔷滞凄i：k。． 雠点龋，‰“，：{。' 图8相对照度图 Fig．8Relativeillumination 十+十+十+ 手-十手+ 髑一_卡-千k桐峨 焉：8。努并。严。 铲i5，“。”。q：6嚣‘。_‘ ■JR，^盟●1h__ 翟昙点盘各二．“一；。' 圈9光线像差 Fig．9Aberrationofray 5 结束语 通过ZEMAX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CMoS感光器件，使得镜 万方数据 ·948· 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CMOS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 [2] [3] [4] (12)：19． HETao．Oncameraphoneimagingperformance[J]． Camera，2006(12)：19．(inChinese) 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，2005，26(1)：8． SONGMin。GUIXin．kai。ZHANGYa—ru． ComparisonofdetectionperformanceinCCDand CMOSimagesensor[J]．Semiconductor ()ptoelectronics。2005，26(1)：8．(inChinese) 程开富．cM【)s图像传感器的原理及应用[J]．半导 体情报，2001，38(5)：5-7． CHENGKai—fu．PrincipleandapplicationsofCMOS imagesensorEJ]．SemiconductorInformation，2001， 38(5)：5-7．(inChinese) 朱建新，吴圜诚．拍照手机镜头MTF的测量口]． 光学仪器，2006，28(2)；18． ZHUJian-xin．WUGuo—cheng．Measuringmethod ofmobilephonelensMTF口]．OpticalInstruments， 2006，28(2)：18．(inChinese) [sJ母国光，战令元．光学[M]．北京：人民教育出版社， 1979． MUGuo—guang，ZHANLing—yuan．Opitcs[M]． 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