文章编号: 100222082 (2008) 0520767205
200 万像素手机摄像镜头的设计
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
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
个镜头没有说明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
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,
·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。
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