200万像素手机摄像镜头的设计

文章编号: 100222082 (2008) 0520767205 200 万像素手机摄像镜头的 黄　城, 温同强, 路建华, 陈婷婷, 丁桂林 (江苏大学 机械工程学院, 江苏 镇江 212013) 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COD E V 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5 mm , 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. 52 Λm×2. 52 Λm , 相应的尼奎斯特频率是196 条ömm , 相关的调制传输函数值在尼奎 斯特频率的1ö2 时达到40% , 所成像面的球差控制在- 0. 05 mm～ 0. 05 mm 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: TN 942. 2; TB 851. 1　　　　　　文献标志码: A D esign of two-m ega-p ixel m obile phone cam era len s HUAN G Cheng, W EN Tong2qiang, LU J ian2hua, CH EN T ing2t ing, D IN G Gu i2lin (Schoo l of M echan ical Engineering, J iangsu U niversity, Zhen jiang 212013, Ch ina) Abstract: Based on the conven t ional spherica l g lass len s and the aspherica l len s p rincip le, a low co st and fixed2focu s len s system is designed w ith the op t ica l system design softw are COD E V to m eet the requ irem en t of the mob ile comm un icat ion on m in ia tu riza t ion and simp lif ica t ion cam era len ses. T he to ta l length of the len s system is less than 5 mm and it has excellen t im aging perfo rm ance. A n aspherica l len s m ade of po lyo lefin2p last ic is u sed to reduce the size and save p roduct ion co st. T he p ixel size of the len s is 2. 52 Λm ×2. 52 Λm , the co rresponding N yqu ist frequency is 196 linesömm , the rela t ive reso lu t ion perfo rm ance (modu la t ion tran sfer funct ion) of the design can reach 40% at half of N yqu ist frequency, the spherica l aberra t ion of th is len s is betw een - 0. 05 mm and 0. 05 mm , and the m ax im al d isto rt ion is less than 0. 17%. T he compact, low 2co st, h igh2p recision and m in ia tu re len s can m eet the requ irem en t of the tw o2m ega p ixels. Key words: op t ic design; f ixed2focu s system ; po lyo lefin2p last ic len s; tw o2m ega2p ixel 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 时记录美好时刻, 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 2 cm 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: 2007211227; 　修回日期: 2007212204 作者简介: 黄城 (1981- ) , 男, 河南信阳人, 硕士研究生, 主要从事光学系统设计研究。E2m ail: huangcheng0830@ 126. com 第 29 卷 第 5 期 2008 年 9 月 　　　　　　　　　　　　　 应用光学 Journal of A pp lied Op tics　　　　　　　　　　　　　　 V o l. 29 N o. 5 Sep. 2008 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。 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[223 ]见表1。 表 1　镜头的主要技术指标 Table 1　Pr imary qual if ica tion s of structure 项目名称 指　　标 解析度 1 200×1 600 有效像素 (200 万像素) 像素 (像元)大小 2. 52 Λm×2. 52 Λm 像面大小 3. 56 mm×3. 56 mm (对角线5 mm ) 有效焦距 3. 214 mm 畸变 < 0. 2% 孔径比F ö# 1ö2. 8 M TF 49 lpömm 处> 0. 75; 147 lpömm 处> 0. 25 渐晕 角落相对照度> 66% 波段范围 435. 8 nm; 546. 1 nm; 656. 3 nm 主波长 546. 1 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[426 ] 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< 5 mm , 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Yong2 Joo Jo 的三镜片结构系统作为初始模型结构。 图1 是Yong2Joo Jo 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10 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 1　二维结构图 F ig. 1　Planar structure 镜头的焦长是4. 2 mm , F ön 为2. 8, 视场角是 62°, 镜片的最大厚度 1. 207 942 mm , 最小厚度 0. 895 907 mm。成像质量如图2 和图3 所示。球面 像差- 0. 1 mm～ 0. 1 mm , 畸变- 2%～ 2% , 像散 - 0. 5 mm～ 0. 5 mm。 图 2　球差和畸变曲线图 F ig. 2　Curves of spher ica l aberration and distortion 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. 4 mm , 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 个镜头没有其具体应用于多大像素的镜头结 构问题。 ·867· 应用光学　2008, 29 (5)　　黄　城, 等: 200 万像素手机摄像镜头的设计 图 3　像散 F ig. 3　Curves of astigmatism 　　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. 531 8 的镜片, 改变滤波片 的厚度为 0. 3 mm ; 其次, 改变镜头系统的有效焦 长、孔径比及镜头总长; 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[728 ]。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. 214 mm , 最大孔径比F ö n 为2. 8, 视场角2Ξ= 58°, 后焦长0. 345 mm , 镜头系 统的总长度是4. 25 mm , 像面的大小为3. 56 mm × 3. 56 mm。玻璃镜片的轴向厚度最大是1. 2 mm ; 第 二个塑料镜片的轴向厚度最小是0. 72 mm。 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[9 ]满足等式 Z = cr 2 1+ 1- (1+ k ) c2 r2 + A r4 + B r6 + C r8 + D r10+ E r12+ ⋯ 式中: c= 1öR , R 为非球面顶点的曲率半径; k 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 F ig. 4　Planar structure 　　对一个镜头结构系统的不仅仅只注意在 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 - 0. 05 mm～ 0. 05 mm , 畸变范围- 0. 2%～ 0. 2% , 像散范围- 0. 05 mm～ 0. 05 mm。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 图 5　球差和畸变的曲线图 F ig. 5　Curves of spher ica l aberration and distortion 图 6　像散 F ig. 6　Curves of astigmatism ·967·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 F ig. 7　Curves of ray aberration 图 8　各视场能量集中度曲线 F ig. 8　Curves of enc ircled energy 图 9　不同像高的M T F 曲线 F ig. 9　M TF curves at d ifferen t image he ight 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. 531 8 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- 11×10- 5ö℃) 的 规律见表2。 表 2　折射率随温度的变化表 Table 2　Var iation of refractive index with temperature 温度ö℃ 折射率 正常温度 (+ 20) 1. 531 8 温度降低 (- 30) 1. 528 5 温度升高 (+ 30) 1. 535 1 　　当温度在常温 (20℃) 的基础上上升或下降 30℃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COD E 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[4 ]比较有如下优点: 1) 初始结构F ön 为2. 8, 焦长4. 2 mm , 视场角 62°, 镜头总长 5. 4 mm ; 本结构 F ön 为 2. 8, 焦长 3. 214 mm , 视场角58°, 镜头总长4. 25 mm。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. 15 mm , 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。将这个变化代入设计 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 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, ·077· 应用光学　2008, 29 (5)　　黄　城, 等: 200 万像素手机摄像镜头的设计 滤波片厚度 0. 455 2 mm ; 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. 3 mm。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 - 0. 1 mm～ 0. 1 mm , 像散- 0. 5 mm～ 0. 5 mm , 畸变- 2%～ 2% ; 本结构中球差范围- 0. 05 mm～ 0. 05 mm , 像 散范围- 0. 05 mm～ 0. 05 mm , 畸变范围- 0. 2% ～ 0. 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CM O S 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CM O S 型传感 器, 并且满足200 万像素的要求。 与前面的四镜片结构[1 ]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. 764 mm , 总长 0. 42 mm , 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: [ 1 ]　E IGO S. 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