200万像素手机摄像镜头的设计

第29卷第5期 2008年9月 文章编号：1002—2082(2008)05—0767—05 应用光学 JournalofAppliedOptics 200万像素手机摄像镜头的设计 黄 城，温同 (江苏大学 强，路建华，陈婷婷，丁桂林 机械工程学院，江苏镇江212013) V01．29No．5 Sep．2008 摘 要： 为了适用手机这一特殊领域对微型化和简单化的摄像镜头的需要，在传统球面玻璃镜 片基础上结合非球面透镜理论，运用CODEV优化出一个用于可见波段且生产成本低廉的三镜片 定焦摄像镜头系统。该镜头总长度小于5mm，并且有着很好的成像效果。为了结构紧凑并且能最 大限度地降低生产成本，在结构设计中采用球面的玻璃镜片和非球面的塑料镜片，镜头的适应像 素尺寸是2．52pm×2．52弘m，相应的尼奎斯特频率是196条／ram，相关的调制传输函数值在尼奎 斯特频率的1／2时达到40％，所成像面的球差控制在一0．05mm～O．05mm之内，最大畸变小于 0．17％。该镜头可满足手机摄像镜头200万像素的要求。 关键词： 光学设计；定焦系统；聚烯烃塑料镜；200万像素 中图分类号：TN942．2；TB851．1 文献标志码：A Designoftwo-·mega。。pixeimobilephonecameralens HUANGCheng，WENTong—qiang， (SchoolofMechanicalEngineering， LUJian—hua，CHENTing—ting，DINGGui—lin JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China) Abstract：Basedontheconventionalsphericalglasslensandtheasphericallensprinciple，alow COStandfixed—focuslenssystemisdesignedwiththeopticalsystemdesignsoftwareCODEVtO meettherequirementofthemobilecommunicationonminiaturizationandsimplificationcamera lenses．Thetotallengthofthelenssystemislessthan5mmandit hasexcellentimaging performance．Anasphericallensmadeofpolyolefin—plasticisusedtoreducethesizeandsave productioncost．Thepixelsizeofthelensis2．52pm×2．52弘m，thecorrespondingNyquist frequencyisl96lines／ram，therelativeresolutionperformance(modulationtransferfunction)of thedesigncanreach40％athalfofNyquistfrequency，thesphericalaberrationofthislensis between一0．05mmand0．05mm，andthemaximaldistortioniS1essthan0．17％．The compact，low—cOSt，high—precisionandminiaturelenscanmeettherequirementofthetWO—mega pixels． Keywords：opticdesign；fixed—focussystem；polyolefin—plasticlens；two—mega—pixel 引言 随着社会的进步，人们越来越期望随身携带的 手机拥有更多的功能。在手机上安装摄像镜头能随 时美好时刻，更是继音乐功能之后人们最希望 手机拥有的功能之一。但是，由于手机本身的厚度 有限，在本身不足2cm的厚度上除了安装手机一 般必需的部件外还要安装镜头系统部分、图片信息 储存部分、信息转换部分、信息收发部分等，足见对 摄像部分的要求是微型化的。正因为这样，手机摄 像的很多功能到目前为止不如数码相机。这里的结 构是适合内置在手机里的摄像镜头结构。 对摄像镜头的设计从使用传统的球面玻璃镜 收稿日期：2007一11—27I修回日期：2007—12一04 作者简介：黄城(1981一)，男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事光学系统设计研究。E—mail：huangchen90830@126．corn 万方数据 ·768· ’ 应用光学2008，29(5)黄城，等：200万像素手机摄像镜头的设计 片到使用价格低廉的球面塑料镜片，再到使用非球 面镜片，这些都是为了不同的需要而改变镜头结 构。自1983年第一款便携移动电话出现以来，不断 有人优化镜头结构系统以便适用在手机上，他们的 成果很多，但就其申请的专利中发现每个人提出的 结构都存在或多或少的未考虑到的问题； 摄像镜头用在手机上是摄像镜头微型化的典 范。要真正实现手机的摄像功能要考虑的问题很 多，但是见到的专利中都没有’提到像素问题，而本 文在手机定焦镜头系统结构的设计中不仅仅要求 成像效果要好，还应该满足人们对百万以上像素的 要求。另外，根据找到的可适用于手机上的定焦摄 像镜头的结构显示，最理想的手机定焦摄像镜头应 该是三镜片加滤波片结构，这样的镜头结构无论是 从价格方面，还是从抵抗环境影响方面更适用于一 般大众化的手机。本文设计的结构中运用了非球面 的聚烯烃塑料镜片[1]，其目的也是为了简化系统结 构的同时降低成本。 1 镜头系统结构的主要技术指标 这个结构所满足的主要技术指标协站见表1。 表1 镜头的主要技术指标 Table1 Primaryqualificationsofstructure 项目名称 指 标 解析度 像素(像元)大小 像面大小 有效焦距 畸变 孔径比F／# MTF 渐晕 波段范围 主波长 1200×1600有效像素(200万像素) 2．52肿×2．52pm 3．56mm×3．56mm(对角线5ram) 3．214mm O．75；147lp／mm处>O．25 角落相对照度>66％ 435．8nm；546．1nm；656．3nm 546．】nm 2选择初始模型 从已设计的适用于手机上的镜头系统结构n-6] 可以总结出：所用镜片个数大于3的系统结构，虽 然像差在很小的范围而且焦长及结构总长都符合 要求，但成本比三镜片的高，结构相对比较繁；所用 的镜片个数小于3的系统结构，当焦长及结构总长 都符合要求时，各种像差不满足要求，而且所用镜 片都是非球面玻璃镜片，成本价比本文设计的结构 要高。若所用的镜片都是非球面塑料镜片时像面不 稳定，所以我们认为当今最合适批量生产并成像质 量好的结构该是三镜片结构系统，既视场角在60。 左右，整个镜头长度<5mm，1个球面玻璃镜片，2 个塑料非球面镜片的结构。因此这里就以Yong— JooJo的三镜片结构系统作为初始模型结构。 图1是Yong—JooJo等人为了提高透镜系统的 效果而提出的结构[5]。这个透镜系统包括3个塑料 非球面镜片，折射率都是1．53，非球面系数最高是 12阶只出现在第三镜片上，其他镜片的最高阶非 球面系数是lO阶。光圈安装在第一、二镜之间，有 红外滤波片，其折射率是1．51。 图l二维结构图 Fig．1Planarstructure 镜头的焦长是4．2mm，F／n为2．8，视场角是 62。，镜片的最大厚度1．207942mm，最小厚度 0．895907mm。成像质量如图2和图3所示。球面 像差一0．1mm～0．1mm，畸变一2％～2％，像散 一0．5mm～0．5mm。 Longitudinalsphericalaber．Distortionangle／(。) ● 1 0 ·l) 5 、 -l) 2 -()： 5 ‘3‘：眵一‘ ．(l 26 ．1( ∑ '_72＼ { ) ／ 尹 一O．10U—005000 0．0500．10I一2．0一1．00．0 1 0 2．0 图2球差和畸变曲线图 Fig．2Curvesofsphericalaberrationanddistortion 这个系统中镜片厚度都是比较理想的，视场角 大，焦长短，镜头总长度5．4mm，满足安装在手机 上的要求，虽然都是塑料镜片但折射率都是1．53 属于正常的折射率要求，但塑料镜片的折射率随环 境的影响很大，而在本专利中没有考虑这一点。这 个镜头没有说明其具体应用于多大像素的镜头结 构问题。 ． 万方数据 应用光学2008，29(5)黄城，等：200万像素手机摄像镜头的设计 ·769· Astigmaticfieldcurves angle／(。) ÷24．26 1672 j 8 56 一U5U一02，00 025050 图3像散 Fig．3Curvesofastigmatism 因为初模都是三镜片结构，所以我们不需要再 去删除多余的镜片。首先是改变三镜片的折射率， 统一都改选折射率为1．5318的镜片，改变滤波片 的厚度为0．3mm；其次，改变镜头系统的有效焦 长、孑L径比及镜头总长；最后是改变镜片的厚度、曲 率半径及镜片间的空气间距。 3最终镜头系统结构 虽然系统的镜片数比较少，但成像的质量并没 有降低。由于使用了偶次非球面的缘故使各种像差 的变化范围反而缩小了，也就是说成像质量得到了 较大的改善[7‘8]。最终得到的镜头系统结构中，第一 镜片是玻璃镜片，第二、三镜片是塑料镜片，光栅安 装在第一、二镜片之间，滤波片安装在第三镜片与像 面之间。镜头有效焦长是3．214mlTl"，最大子L径比F／ n为2．8，视场角2ccJ=58。，后焦长0．345mm，镜头系 统的总长度是4．251T11TI，像面的大小为3．56mm× 3．56mlTl。玻璃镜片的轴向厚度最大是1．2mm；第 二个塑料镜片的轴向厚度最小是0．72ITlm。 这个镜头中使用了非球面，非球面是指表面各 点的半径都不相同的曲面，偶次非球面[93满足等式 z：———=』兰====+A，．4+Br6+Crs+Z=———======十^，．1十ar。十十 1+~／1一(1+五)czr2 Drlo+Erl2+⋯ 式中：f=1／R，R为非球面顶点的曲率半径；愚为 二次曲面常量；A为镜片表面的4阶非球面系数； B为镜片表面的6阶非球面系数；C为镜片表面 的8阶非球面系数；D为镜片表面的10阶非球面 系数；E为镜片表面的12阶非球面系数；省略号 表示还有很多高级非球面系数没有一一列出。在这 个镜头系统的镜片中，第5，6，8镜面最高非球面系 数是10阶，第7镜面最高非球面系数是12阶。 该镜头系统的二维结构如图4所示。 图4二维结构图 Fig．4Planarstructure 对一个镜头结构系统的

分析

定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析

不仅仅只注意在 外形结构图上，系统的好坏还需要通过其内部成像 质量及各项参数来衡量。图4～图7从不同方面展 示了系统的性能。图5和图6中显示这个镜头系统 所成像的质量为球差，范围一0．05mm～0． 05ITlm，畸变范围一0．2％～0．2％，像散范围一0． 05mm～0．05mm。实际上畸变最大值小于0． 17％，满足前面的规格要求。图7为这个结构系统 中在选定的4个视场处3个参考波长的切向像差曲 线和径向像差曲线；图8为该结构系统中各视场能 量集中度曲线；图9为不同像高的调制传输函数曲 线。从图9可以看出各视场处的调制传输函数曲线 Longitudinalsphericalaber Distortionangle／(。、 7⋯” ＼_22．趴 夕 _．小 ．7 85 Fig．5Curvesofsphericalaberrationanddistortion Astigmaticeieldcurves angle／(。) f 二‘毫．?u ， -2257 ： ～s奴 j 、 ) ) '{7 -0050—0025 00 0025005l 图6像散 Fig．6Curvesofastigmatism 万方数据 ·770· 应用光学2008，29(5)黄城，等：200万像素手机摄像镜头的设计 图7光线像差曲线图 Fig．7Curvesofrayaberration +002 8E-02751=．02llE．025E．02 9E．0223E-022．5E-02 Diameterofclrcle／mm 图8各视场能量集中度曲线 Fig．8Curvesofencircledenergy 图9不同像高的MTF曲线 Fig．9MTFcurvesatdifferentimageheight 随尼奎斯特频率的增加迅速下降，视场越大，函数 曲线下降越快。 该镜头中也用到了塑料镜片，当然要考虑到避 免塑料镜片的最大缺陷，即折射特性随温度的变 化。折射率为1．5318的聚烯烃塑料镜片随温度变 化(随温度变化系数的近似值为一11×10_／C)的 规律见表2。 表2折射率随温度的变化表 Table2 Variationofrefractiveindexwithtemperature 温度／C 折射率 正常温度(+20) 温度降低(～30) 温度升高(+30) 一 当温度在常温(20C)的基础上上升或下降 30C时其第二、三镜片受温度影响导致的像差相互 抵消，这样后焦长的位置的变化很小，不影响整个 结构。 4 结论 本文在吸收别人宝贵经验的基础上用CODE V模拟出了适合用在手机上的三镜片镜头结构。 该镜头结构与初始结构n1比较有如下优点： 1)初始结构Fin为2．8，焦长4．2mm，视场角 62。，镜头总长5．4mm；本结构F／n为2．8，焦长 3．214mm，视场角58。，镜头总长4．25mm。与初始 结构相比虽然视场角缩小了一点，但焦长变短了约 1 mm，镜头总长度减少了1．15mm，这更符合手机 摄像头微型化的要求。 2)初始结构三镜片都是塑料镜片，这样不利 于像面的稳定；本结构中第一镜片是玻璃镜片，第 二、三镜片是聚烯烃塑料镜片，聚烯烃塑料镜片的 折射率随温度的变化见表2。将这个变化代人设计 系统中可以看出这2个塑料镜片随温度变化相互 影响，对像面的改变很小，基本可以忽略。 3)初始结构三镜片都是非球面镜片，除第三 镜片的两镜面最高非球面系数是12阶，其他镜面 的最高非球面系数是10阶；本结构中第一镜片是 传统的球面玻璃镜片，第二镜片的两镜面最高非球 面系数是10阶，第三镜片最高非球面系数是12阶， 像方镜面的最高非球面系数是10阶。这样在生产 工艺上相对来说要简单一些。 4)初始结构中光栅安装在第一、二镜片之间， 8 5 1 1 Oo 5 鸥 跎鹃 1 1 1 O 9 8 7 6 5 4 3 2●OE加∽¨∽¨吣¨∞蛇叫∞呲 ≯警ucu口卫Q JIuco colIu时JJJI凸 万方数据 应用光学 2008，29(5)黄 城，等：200万像素手机摄像镜头的设计 ·771· 滤波片厚度0．4552ITIITI；在本结构中光栅也安装 在第一、二镜片之间，滤波片厚度为0．3mrn。光栅 安装在第一镜片之后有利于扩大视场角，减小滤波 片的厚度，也是为了减小镜头总长度，满足微型化 的要求。 5)初始结构中球面像差范围一0．1mm～ 0．1ram，像散一0．5mm～0．5mlTI，畸变一2％～ 2％；本结构中球差范围一0．05mm～o．05mrfl，像 散范围一0．05mm～0．05mrn，畸变范围一0．2％ ～o．2％，实际上，畸变最大值小于0．17％。可见本 结构在像差允许范围方面比初始结构小一些，成像 质量得到提高。 6)初始结构中只是提到这个镜头适用于CCD 或CMOS型传感器，但没有说明满足多大像素的 要求；本结构中说明适用于CCD或CMOS型传感 器，并且满足200万像素的要求。 与前面的四镜片结构[13相比，不仅非球面比它 用的少，而且镜头总长比它小，成像质量比它好，还 具备一些其没有的优点。与前面的两镜片结构[3]相 比，虽然生产成本要高，焦长0．764mm，总长 0．42mm，但成像质量相对来说比它好一点，抗温 度影响的能力也增强了一些，并且考虑了一些它没 有考虑的问题。 总体来说这个镜头系统不仅在成像质量上略 优于初始结构的镜头系统，而且生产成本方面低于 初始结构，还具备了一些初始结构没提及的特点。 这个结构不仅紧凑、精度高，而且成本低、体积小， 在带摄像头的手机还处在价格竞争的今天无疑是 个比较理想的结构模型。众所周知，理论上设计出 来的摄像镜头虽然考虑的问题也比较多，但到真正 应用于实际生活中时还会出现很多我们没考虑到 的问题，解决这些问题只有各行业相互合作才能够 完成。 参考文献： r-viEIGOS．Imagepickuplens，imagepickupapparatus andmobileterminal：US，0238894A1EP3．2006—10— 26． E23杨皓明，王灵杰，冯秀恒．一种新型复合摄像物镜的 设计EJl．光学·精密工程，2007，15(4)：487—491． YANGHao—ming，WANGLing—jie，FENGXiu— heng．Designofanewcompleximagingobjectlens EJ]．OpticsandPrecisionEngineering，2007，15(4)： 487—491．(inChinese) [3]李东源，张晓光，同秀生，等．CCD摄像机大视场光学 镜头的设计EJ]．应用光学，2006，27(2)：105—107． LIDong—yuan，ZHANGXiao—guang，YANXiu— sheng，eta1．DesignofWFOVopticallensforCCD cameraEJ]．journa|ofAppliedOptics，2006，27(2)： 105—107．(inChinese) [4]MASAES，EIGOS．Imagepickuplens，imagepick— upapparatusandmobileterminalprovidedwith imagepickupapparatus：US，7215492EP]．2007一 03一08． [5]YONGJ J．Lenssysteminstalledinmobilecomm— unicationterminal：US，6844989[P]．2005—07—18． [63HIROMITSUY．Imaginglensformedofaperture diaphragmandonlytwolenscomponents：US， 6842295B2[J]．2005—01—11． [7]金斯莱克．透镜设计基础EM]．北京：机械工业出版 社，1978． RUDOLFKL．LensdesignfundamentalsEM]． Beijing：MechanicalIndustryPress，1978．(in Chinese) Es-1王灵杰，张新，杨浩明，等．超紧凑红外折反式光学 系统设计EJ]．应用光学，2007，28(3)：288—291． WANGLing—jie，ZHANGXin，YANGHao—ming， eta1．Designofacompactinfraredcatadioptric system[J-]．JournalofAppliedOptics，2007，28(3)： 288—291．(inChinese) [9]FISHERRE．Opticalsystemdesign[M]．New York：McGraw—Hill。2001． 万方数据 200万像素手机摄像镜头的设计 作者： 黄城， 温同强， 路建华， 陈婷婷， 丁桂林， HUANG Cheng， WEN Tong-qiang， LU Jian-hua， CHEN Ting-ting， DING Gui-lin 作者单位： 江苏大学,机械工程学院,江苏,镇江,212013 刊名： 应用光学 英文刊名： JOURNAL OF APPLIED OPTICS 年，卷(期)： 2008,29(5) 被引用次数： 2次 参考文献(9条) 1.FISHER R E Optical system design 2001 2.王灵杰;张新;杨浩明 超紧凑红外折反式光学系统设计[期刊论文]-应用光学 2007(03) 3.金斯莱克 透镜设计基础 1978 4.HIROMITSU Y Imaging lens formed of aperture diaphragm and only two lens components 2005 5.YONG J J Lens system installed in mobile communication terminal 2005 6.MASAE S;EIGO S Image pickup lens,image pickup apparatus and mobile terminal provided with image pickup apparatus 2007 7.李东源;张晓光;闫秀生 CCD摄像机大视场光学镜头的设计[期刊论文]-应用光学 2006(02) 8.杨皓明;王灵杰;冯秀恒 一种新型复合摄像物镜的设计[期刊论文]-光学精密工程 2007(04) 9.EIGO S Image pickup lens,image pickup apparatus and mobile terminal 2006 本文读者也读过(10条) 1. 黄城.温同强.路建华.丁桂林.Huang Cheng.Wen Tongqiang.Lu Jianhua.Ding Guilin 2.5倍光学变焦内置式手 机摄像镜头的设计[期刊论文]-激光与光电子学进展2009,46(5) 2. 张韧剑.冯亚萍.江曼.任兆玉.ZHANG Ren-jian.FENG Ya-ping.JIANG Man.REN Zhao-yu 结构简洁的光学变焦距 手机镜头设计[期刊论文]-应用光学2011,32(1) 3. 刘茂超.张雷.刘沛沛.邸兴.白晋涛.LIU Mao-chao.ZHANG Lei.LIU Pei-pei.DI Xing.BAI Jin-tao 300万像素手 机镜头设计[期刊论文]-应用光学2008,29(6) 4. 黄航星.金伟民.鲁丁.HUANG Hang-xing.JIN Wei-min.LU Ding 一款超薄非球面手机镜头设计[期刊论文]-应用 光学2010,31(3) 5. 朱建新.吴国诚.ZHU Jian-xin.WU Guo-cheng 百万像素照相手机CMOS模组调焦

方法

快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载

的探讨[期刊论文]-光学技术 2006,32(3) 6. 张萍.王诚.宋东璠.李小俊.ZHANG Ping.WANG Cheng.SONG Dong-fan.LI Xiao-jun 500万像素手机镜头设计[期 刊论文]-应用光学2009,30(6) 7. 李广.汪建业.张燕.LI Guang.WANG Jian-ye.ZHANG Yan 800万像素手机镜头的设计[期刊论文]-应用光学 2011,32(3) 8. 汪振海 高像质手机镜头设计技术研究-130万手机镜头[学位论文]2006 9. 李文静.Li Wenjing 500万像素手机镜头的光学设计[期刊论文]-激光与光电子学进展2009,46(1) 10. 朱勇建.陈逢军.尹韶辉.余剑武.范玉峰 基于玻璃非球面镜片的手机镜头设计[期刊论文]-中国科技论文在线 2011,06(8) 引证文献(2条) 1.李广.汪建业.张燕 800万像素手机镜头的设计[期刊论文]-应用光学 2011(3) 2.庄振锋 手机取像镜头设计[期刊论文]-漳州职业技术学院学报 2010(1) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_yygx200805024.aspx