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
300万像素手机镜头设计
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...
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
300万像素手机镜头设计
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
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准标板
(chart)成像时,
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的测量方法口].
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].
Beijing:People7sEducationPress。1979.(inChinese)
[6]翟学锋,董晓娜,王国富,等.水下变焦镜头的设计
口].应用光学,2007。28(4);416—420.
ZHAIXue—feng,DONGXiao—na。WANGGuo—fu,
eta1.Designofunderwaterzoomlens[J].Journalof
Applied0ptics,2007,28(4):416-420.(inChinese)
[7]宋家军,何平安.LCoS背投光学引擎中变焦投影物
镜设计Fj].应用光学,2007,28(1):58—62.
SONGJia—jun,HEPing—an.Designofzoom
projectionlensforthelightengineofLCoSrear—
projectionTV[J].JournalofAppliedOptics,2007,
28(1):58—62.(inChinese)
[83勾志勇,王江,王楚,等.非球面光学设计技术综述
[J].激光杂志,2006,27(3):1-2.
GOUZhi—yong,WANGJiang,WANGChu,eta1.
Thesummaryofasphericopticaldesigntechnology
D].LaserJournal,2006,27(3):1—2.(inChinese)
[93GEARYJ M.IntroductiontOlensdesignwithpra—
cticalzemaxexamples[M].NewYork:Willmann—
Bell,Inc.。2002.
万方数据
本文档为【300万像素手机镜头设计】,请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑,
图片更改请在作品中右键图片并更换,文字修改请直接点击文字进行修改,也可以新增和删除文档中的内容。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生,若发现您的权利被侵害,请联系客服邮件isharekefu@iask.cn,我们尽快处理。
本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用。
网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。