1650万像素手机照相镜头的设计

1650万像素手机照相镜头的设计 1650万像素手机镜头的设计 Yuke Ma, V. N. Borovytsky Department of Optical and Optoelectronic Devices, National Technical University of Ukraine, Kyiv, Ukraine Email: sherry_rain@163.com Received 15 February 2015; accepted 2 March 2015; published 6 March 2015 Copyright ? 2015 by authors and OALib. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). 摘要: 设计了用于移动电话的1650万像素摄像机镜头。 该镜头由3个塑料非球面 透镜，一个玻璃球面透镜和一个红外玻璃过滤器组成。 来自Omni Vision的具 有1.12微米的像素尺寸的CMOS OV16850用作图像传感器。 该透镜的有效焦距 为4.483mm，F数为2.50，视场(FOV)为76.2度，总长度为5.873mm。 透镜的 最大畸变小于2.0,。 所有场相对照明的最小值超过39.8,。 关键词:手机相机镜头，1650万像素传感器，Zemax 主题领域:移动计算系统，光通信 1.介绍: 2014年10月7日，Omni Vision Technologies公司(NASDAQ:OVTI)宣布 [1]推出一款1650万像素数字图像传感器OV16850。在已发的论文中，Song et [2]al要设计一个1600万像素的相机镜头在紧凑的尺寸不是一件简单的任务 [3](2010)。最近，Peng通过4片塑料非球面透镜的结构研究了用于移动电话的 [4]500万像素摄像机镜头。(2013) Yin等人通过使用1个玻璃和3个塑料非球面透镜(1G3P)完成了光学系统，研究了用于手机的800万像素摄像机镜头。 [5](2014)通过选择5块塑料非球面透镜(5P)结构配置，研究了用于手机的1300万像素手机镜头。 本文介绍了通过1P1G2P镜头配置的1650万像素摄像机镜头的详细设计，这是我们第一次了解。 传感器OV16850具有以下规格:像素尺寸为1.12微米，分辨率为5408像素×3044像素，对角线长度为6.95mm或像高，主光线角(CRA)为33.4度。 传感器的奈奎斯特采样频率可以通过1000 /(2×1.12)= 446lp / mm计算。 因此，相机镜头的有限分辨率应该优于446lp / mm。 6.95mm的图像高度和76.2度的透镜的FOV确定4.432mm的焦距。 我们将透镜的有效焦距(EFFL)设置为小于4.5mm，所以用于移动电话的相机透镜的总光学长度(TOL)可以限制为5.90mm。 1650万像素手机镜头的规格参数在表1中。 2.设计方法 2.1光学材料 [6]在这种设计中使用来自Zeonex的光学树脂E48R。 光学树脂提供高透明度，低荧光，低双折射率，低吸水率，低成本，高耐热性和容易成型用于大规模生产。 由于透镜具有大的FOV，并且其诸如高阶球面像差，像散，慧差，高阶色差等的高阶光学像差相当大，为了具有更稳定和清晰的图像，第一个元件被设置为非球面玻璃透镜，第二元件的材料是具有光学折射率为1.785和色散系数为26.08的SF56A，透镜的第一，第三和第四元件选择为 E48R，其光学折射率为1.531，相应的色散系数为56.0，第五个元件是红外滤光片(IR)，最后一个是覆盖玻璃BK9。 2.2设计程序 [7]Zemax用于模拟镜头光学系统。 考虑到低价格和大量生产，选择镜头的初始配置1P1G2P用于通过反复试验的设计。 在该透镜中有6个元件，第一至第四 元件都是非球面透镜，第五元件是IR滤光器，第六元件是传感器的玻璃盖。 元件1至4的所有表面被设置为均匀的非球面轮廓，第五和第六元件是平面。 半径和每个表面的厚度从1到8被设置为可变的，所有表面圆锥常数以及非球面系数被设置为可变。 2.3.优化过程 优化过程包括三个步骤: 步骤1: 1)使用操作数EFFL定义透镜的有效焦距，使用操作数TOTR限制透镜系统的总光学长度，使用操作数RAID限制CRA，使用操作数REAY来定义图像高度;2)优值函数还包括操作数MNCA，MXCA和MNEA以定义空气厚度和空气边界约束，同时操作数MNCG，MXCG和MNEG用于玻璃壳; 3)最初，操作数LONA用于控制球面像差，LACL用于控制该焦点系统的横向色彩。 TRAY和SUMM用于控制彗差，而操作数DIMX用于控制每个视场的失真; 4)使用操作数TRAY，DIFF，RAGC，ACOS和TANG控制切向曲率; 5)使用操作数TRAY，DIFF，RAGC，ACOS，TANG，CONS和PROD来控制矢状曲率; 6)操作数TRAC用于控制整个波长的每个视场的光点大小。 步骤2: 在初始优化之后，在优值函数中添加高阶控制操作数，即1)使用操作数TRAY，RAGC，ACOS，TANG，DIVI和DIFF来控制轴向和纵向色差; 2)使用操作数TRAY，RAGC，ACOS，TANG，DIVI，CONS，PROD和DIFF控制高阶球面像差; 3)使用TRAY，DIVI和DIFF控制高阶色球差; 4)使用FCGT，FCGS，DIFF和SUMM控制散光。 步骤3: 在每次优化完成后观察Siedel系数，观察布局以显示合理的配置。最后，1)将MTFS，MTFT都加到优值函数中以提高透镜分辨率; 2)同时TRAC被操作数OPDX替代; 3)优值函数中的权重总是准备改变以优化一些重要贡献项目，以获得合理的透镜配置。 表1 1650万像素的手机相机镜头的规格参数 3.结果 优化的透镜配置如图1所示，相应的透镜数据列在表2和表3中。透镜具有5.873mm的总轨迹，有效焦距为4.483mm，后焦距为0.207mm 。该透镜具有76.2度的FOV，图像高度为6.97mm，其比CMOS传感器尺寸稍大，并且意味着CMOS传感器容易安装到透镜模块。 CRA小于33.4度;期望光学器件和COMS之间的良好耦合。 可以使用点图，MTF，曲率和失真，侧向颜色，色差焦距偏移和相对照度来 [8]评估透镜设计。光斑尺寸的RMS半径应小于像素尺寸的三倍(Yu)，对于该设计，它为3.36微米。所有场的RMS点如图2所示。 FOV 0.000至FOV 0.787)的RMS光斑半径分别为2.545μm，2.761场1至6( μm，2.662μm，2.856μm，2.337μm和2.091μm，远小于CMOS传感器的成像需要，同时场7的光斑尺寸的半径(FOV 0.92)为5.641μm，场8(FOV 1.0)的光斑尺寸的半径为4.985μm，非常接近这种需要，也就是说整个FOV可以非常清晰地成像。 表2镜头配置数据 表3 每个相应表面的非球面系数 图1 1650万像素手机相机镜头布局 图2 1650万像素手机相机镜头点图 MTF是评估镜片成像性质的综合。 在该设计中，中心场在223lp / mm的MTF值为53.4,，在446lp / mm下为21.4,。 对于FOV 0.8区，223p / mm的MTF值在矢状面中大于37.6,，在切平面大于32.6,，在446lp / mm处，在矢状面中MTF值大于14,，大于2, 在切平面。 MTF曲线如图3所示。 镜片的曲率和畸变如图4所示; 在图4中示出透镜具有低场曲率; 它在0.05以内，远远小于成像需要0.1，并且失真小于2,。 它满足设计需要。 图3 1650万像素手机相机镜头的MTF曲线 图4 16.5 M像素手机相机镜头的场曲和畸变 透镜的横向色彩和色差焦点偏移揭示了该16.5M像素移动电话摄像机镜头 的几乎衍射限制的设计。 它们分别示于图5和图6中。 在图5中，最大场的横向颜色在艾里斑内，这意味着衍射限制设计。 在图6中还指出，透镜的色焦点偏移在衍射限制内。 应检查镜头的相对照明; 在图7中可以看出，相对照明值的最小值为40,。 自动增益控制电路和自动平衡控制电路都可以保持图像的均匀亮度。 结论是这种设计的1650万像素手机相机镜头可以满足设计需要。 图5 一个1650万像素手机相机镜头的横向颜色 图6 1650万像素手机相机镜头的色差移动 图7 1650万像素手机相机镜头的相对照度 最后，进行公差，结果表明允许半径，厚度偏差为5μm，偏心偏差为 ，倾斜度为0.2度。在表2中还示出，塑料片的最小厚度为0.354mm，这10μm 意味着可以期望用于大规模生产塑料透镜元件的精密注塑成型。为了容易的生产考虑，用于该设计的玻璃元件被设置为标准球面。 总之，这款1650万像素的手机相机镜头是一个实用的设计。 4.结论 通过使用Zemax，设计了一个1650万像素的手机相机镜头。该镜头由3个塑料非球面透镜，一个玻璃球面透镜和一个红外玻璃过滤器组成。来自Omnivision的OV16850的像素尺寸为1.12微米，用作图像传感器。该透镜的有效焦距为4.483mm，F数为2.50，视场(FOV)为76.2度，总长度为5.873mm。这是一个1650万像素的手机相机镜头的实用设计。 参考文献 [1] Geary, J.M. (2002) Introduction to Lens Design with Practical Zemax Example. Willmann-Bell Inc., Richmond. [2] Zhang, P., et al. (2009) Design of a 5 Megapixel Mobile Phone Camera Lens. Journal of Applied Optics, 30, 934-938. [3] Song, D.F., et al. (2010) Design of Lens for 5 Mega-Pixel Mobile Phone Cameras. Journal of Applied Optics, 31, 34- 38. [4] Peng, X.F. Design of High Pixel Mobile Phone Camera Lens. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 6, 1160-1165. [5] Yin, Z.D., et al. (2014) Optical Design of a 13 Megapixel Mobile Phone Camera Lens. Laser & Optoelectronics Progress, 51, 163-168. [6]World’s Foremost Optical Polymer for Precision-Molded Optics. [7] [8] Yu, D.Y. (1999) Engineering Optics. China Mechanical Press, Beijing.