800萬像素手機廣角鏡頭設(shè)計

李 航，顏昌翔

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

自2000年日本夏普公司推出全球首款照相手機以來，照相手機受到市場的極大歡迎［1］。2003年索尼公司生產(chǎn)的索尼愛立信T618是國內(nèi)市場最早出現(xiàn)的照相手機，像素為10萬［2］。從最初的10萬像素發(fā)展到現(xiàn)今的300萬、500萬、800萬，甚至達(dá)到千萬像素，照相手機以其攜帶方便、實時分享、高像素的優(yōu)勢逐步取代了低端數(shù)碼相機。在CMOS圖像傳感器發(fā)展成熟以前，要把500萬、800萬像素手機鏡頭集成在手機上是十分困難的，其長度基本都在1 cm以上。隨著CMOS加工技術(shù)的發(fā)展，像元尺寸由原來的5 μm逐步達(dá)到了1.1 μm，使得高像素手機鏡頭的長度遠(yuǎn)比以前小的多。目前市場上500萬、800萬像素手機占有率極大，但大部分800萬像素手機鏡頭的視場角為62°～68°，無法滿足市場對手機廣角鏡頭的需求。鑒于此，本文在合理選擇初始結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的修改，優(yōu)化得到一款800像素手機廣角鏡頭，全視場角達(dá)到80°，滿足了市場對手機廣角鏡頭的需求。

2 設(shè)計要點

2.1 感光器件的選取

為了使數(shù)碼相機、照相手機獲得高質(zhì)量的成像效果，需要有高質(zhì)量的感光器件與高質(zhì)量的光學(xué)鏡頭相匹配。目前市場上照相手機最常用的兩種圖像傳感器是電荷耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)［3］。雖然 CCD圖像傳感器在分辨率、靈敏度等方面優(yōu)于CMOS圖像傳感器［4］，但是由于其制造成本高等因素限制了CCD所占的市場份額。相比于CCD，CMOS圖像傳感器具有體積小、功耗低、集成度高、價格低、讀出速率高等優(yōu)點。目前，市場上的手機鏡頭主要使用CMOS作為圖像傳感器。

本文采用Omnivision公司生產(chǎn)的型號為OV8850［5］的800萬像素CMOS圖像傳感器作為手機鏡頭的配套傳感器，其像面大小為3 625.6 μm ×2 750 μm，有效像素尺寸為3 280 ×2 464，對角線長度為4.55 mm，最小像素尺寸為1.1 μm，傳感器奈奎斯特頻率為454 lp/mm。

2.2 鏡頭設(shè)計指標(biāo)

依據(jù)與鏡頭相匹配的CMOS圖像傳感器的參數(shù)，確定手機鏡頭的各項設(shè)計指標(biāo)，如表1所示。

表1 鏡頭的設(shè)計指標(biāo)Tab.1 Design indexes of lens

3 設(shè)計過程

3.1 初始結(jié)構(gòu)的選取

想要得到一個良好的鏡頭離不開初始結(jié)構(gòu)合理的選取，初始結(jié)構(gòu)選取是否合理直接影響到設(shè)計能否順利進(jìn)行。有兩種初始結(jié)構(gòu)的選取方法可供光學(xué)設(shè)計人員選擇，一種是通過設(shè)計人員的經(jīng)驗使用近軸光學(xué)原理設(shè)計一個初始結(jié)構(gòu)，然后逐步調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)以得到需要的結(jié)果。但是僅僅靠光學(xué)設(shè)計人員創(chuàng)建初始結(jié)構(gòu)是十分困難的，需要設(shè)計人員擁有數(shù)年的工作經(jīng)驗和豐富的理論儲備。另一種方法是在相關(guān)文獻(xiàn)和專利中選取合適的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計，然后優(yōu)化。本設(shè)計的初始結(jié)構(gòu)采用一個美國專利作為設(shè)計起始點。初始結(jié)構(gòu)的選取原則是光圈值與視場和設(shè)計指標(biāo)要求相同，焦距可以通過縮放鏡頭大小來實現(xiàn)［6］。

傳統(tǒng)800萬像素的手機鏡頭通常使用的結(jié)構(gòu)形式為1G3P、2G2P和4P(G為玻璃透鏡;P為塑料透鏡)，其基本的組合方式為正負(fù)正負(fù)和正負(fù)正正［7］。出于生產(chǎn)成本的考慮，本文所設(shè)計的手機鏡頭采用塑料透鏡和非球面相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。使用非球面可以有效控制手機鏡頭的各種像差，降低光學(xué)元件數(shù)量，提高系統(tǒng)的相對孔徑和視場角。本設(shè)計不同于傳統(tǒng)800萬像素手機鏡頭，因要達(dá)到80°的廣角鏡頭要求，所以采用負(fù)負(fù)正負(fù)的組合方式，結(jié)構(gòu)形式采用4P結(jié)構(gòu)。第1、2、3片透鏡采用型號為APL5014DP的塑料材質(zhì)，第4片透鏡采用OKP-4HT的塑料材質(zhì)，第5片透鏡為K9的濾光片，主要濾掉700～1 000 nm的近紅外光。APL5014DP的折射率和阿貝數(shù)分別是1.543和56.0，它是日本三井公司開發(fā)出的一種環(huán)烯烴共聚材料，其具有優(yōu)異的氣密性和光學(xué)性質(zhì)，霧度為4%，透光率為91%。OKP－4HT的折射率和阿貝數(shù)分別是1.632和23.4，其為環(huán)狀烯烴結(jié)構(gòu)的非晶型透明塑料材質(zhì)，具有密度小、吸水性低等特點［7］。K9玻璃的折射率和阿貝數(shù)分別為1.516和64.1。

3.2 優(yōu)化過程

以一款美國專利為雛形［9］，采用人工和ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計方法，對初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造和優(yōu)化［10］。為了滿足實際光學(xué)加工的要求，優(yōu)化過程中材料厚度不能設(shè)置過小，設(shè)定中心和邊緣厚度都大于0.3 mm。

(1)把所有透鏡的半徑、大的空氣間隔、正透鏡的厚度、非球面系數(shù)和二次曲面系數(shù)設(shè)置為可變量進(jìn)行優(yōu)化，因非球面系數(shù)和半徑是透鏡參數(shù)中最具影響力的，所以在設(shè)計初始階段就應(yīng)進(jìn)行變化，為了控制正透鏡的邊緣厚度，首先變化正透鏡的厚度;之后添加負(fù)透鏡厚度和剩余空氣間隔為可變量進(jìn)行優(yōu)化;最后添加玻璃參數(shù)為可變量進(jìn)行優(yōu)化，確定所采用的玻璃之后，重新優(yōu)化所有的參數(shù)。

(2)使用默認(rèn)評價函數(shù)，首先選擇PTV+Spot Radius+Chief Ray的評價方法，因結(jié)構(gòu)中使用了非球面，所以將Rings和Arms都設(shè)置為6。

(3)在優(yōu)化過程中，用操作數(shù)TOTR限制鏡頭的總長度，使總長小于7 mm;用操作數(shù)EFFL和EFLY分別控制鏡頭有效焦距和指定面范圍內(nèi)的有效焦距;用操作數(shù)RAED控制主光線的出射角小于30°，從而使鏡頭和CMOS圖像傳感器更好的耦合;用操作數(shù)DIMX分別控制各視場的畸變，使畸變小于3%;用操作數(shù)MTFS、MTFT控制系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)像質(zhì)。

4 結(jié)果分析

優(yōu)化后的鏡頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。全視場角為80°，總長為6.8 mm，有效焦距為 2.28 mm，光圈值為2.45，后焦距為0.9 mm，主光線出射角為24.5°，滿足與CMOS圖像傳感器耦合的要求。各個透鏡的中心和邊緣厚度都大于0.3 mm，滿足實際的光學(xué)加工水平。

圖1 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure after optimization

手機鏡頭所允許的彌散斑大小為Δd=(1.5～1.2)/NL，Δd為彌散斑半徑，NL為手機物鏡分辨率［11］。手機鏡頭要求NL大于CMOS圖像傳感器的分辨率NR，本設(shè)計中令NL=NR=454 lp/mm，代入上式得 Δd=3.3 ～2.6 μm，即像面上最大彌散斑半徑≤3.3 μm。系統(tǒng)點列圖如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)所有視場的彌散斑大小均在艾里斑附近，滿足彌散斑半徑≤3.3 μm的要求。

圖2 點列圖Fig.2 Spot diagram

場曲是表征像平面整體彎曲程度的一種像差，而畸變的形成僅由主光線光路決定，對成像的清晰度沒有影響，只是引起像面的變形［11］。對于手機鏡頭而言，一般要求場曲小于0.1，要求畸變小于3%，即感覺不到變形［6］。本手機鏡頭結(jié)構(gòu)的場曲和畸變?nèi)鐖D3所示。由圖3可知，手機鏡頭的場曲控制在0.05以內(nèi)，系統(tǒng)的最大畸變?yōu)椋?.5%，滿足手機鏡頭的使用要求。

圖3 場曲、畸變曲線Fig.3 Curves of field curvature and distortion

對于手機鏡頭來說，相對照度是評價它的一項重要指標(biāo)。相對照度是像面邊緣照度與中心照度的比值，隨著視場角的增大，導(dǎo)致主光線出射角增大，使得相對照度會有一定程度的下降，一般手機鏡頭要求相對照度大于50%即可［6］。對于本手機鏡頭，其0.7視場以內(nèi)的相對照度大于0.7，但因為不同于一般手機鏡頭，其全視場角達(dá)到了80°，所以導(dǎo)致邊緣視場的相對照度為0.48，雖沒有達(dá)到0.5，但也可以滿足拍攝需求，如圖4所示。

圖4 相對照度曲線Fig.4 Curve of relative illumination

在現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域中，MTF是能夠全面評價一個光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的綜合評價標(biāo)準(zhǔn)，MTF反映了光學(xué)系統(tǒng)對物體不同頻率成分的傳遞能力［12］。對于手機鏡頭而言，0.7視場以內(nèi)是鏡頭主要的成像區(qū)域，鏡頭像質(zhì)在邊緣視場允許有一定程度的下降。由圖5可以得出，在奈奎斯特頻率454 lp/mm處，除了邊緣視場子午方向的MTF值有所下降，其他視場的MTF值均大于0.15，在1/2奈奎斯特頻率227 lp/mm處，邊緣視場的MTF值為0.38，0.7視場內(nèi)的 MTF值均大于0.48，表明該手機鏡頭具有較高的成像質(zhì)量。

圖5 MTF曲線圖Fig.5 MTF curves

5 公差分析

一個光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計完成后，除了要有優(yōu)良的成像質(zhì)量外，也要具有滿足現(xiàn)有加工水平的公差。如果系統(tǒng)公差過緊則導(dǎo)致最終的加工裝調(diào)成本提高，甚至導(dǎo)致加工裝調(diào)失敗?，F(xiàn)代塑料非球面透鏡的加工工藝已經(jīng)十分成熟，一般是利用車床對經(jīng)過鍛造的模具材料進(jìn)行切削、車削，從而得到需求的模具，之后使用注射成型技術(shù)即可大量生產(chǎn)塑料非球面透鏡［13］。使用光學(xué)設(shè)計軟件對所設(shè)計的手機鏡頭進(jìn)行了公差分析，以系統(tǒng)的MTF值作為公差敏感度，得到鏡頭各表面的曲率半徑公差為0.01 mm，各表面的厚度公差為0.01 mm，滿足現(xiàn)有的實際加工水平。

6 結(jié)論

本文以一款美國專利作為起始點，利用人工和ZEMAX光學(xué)工程軟件結(jié)合的方法對其進(jìn)行改造、優(yōu)化，最后設(shè)計出一款成像質(zhì)量良好的800萬像素手機廣角鏡頭。手機鏡頭采用4P結(jié)構(gòu)形式并與非球面相結(jié)合，使得整個系統(tǒng)質(zhì)量輕、成本低、加工方便。該鏡頭光圈值為2.45，最大畸變小于2%，像面主光線出射角小于24.5°，可以很好的和所用CMOS耦合，全視場角達(dá)到80°，高于市場內(nèi)現(xiàn)有手機鏡頭的視場角，滿足了市場對手機廣角鏡頭的需求。綜上所述，該手機鏡頭滿足實際生產(chǎn)要求與市場需求，同時具有較好的成像質(zhì)量。

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