手机镜头

引言
夏普 联合日本 当 时 第 三 大 移 动 $ # # #年 " "月 . 运营 商 q 像素 % ? 8 L M L推 出了全 球第一 款 照 相 手 机 . 为 " 照相手机 "万 2 这部 划时代的 手 机 诞 生 自 今 . 受到了用户极大的喜爱 . 得到了迅猛的发展 2 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 " 发展到现在的 "万像素 . #万像素 ’ " #万像 一些商家也推出 2 # #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
素’ $ # #万像素
收稿日期 ! $ # # 0 % " $ % $ ) 1 修回日期 ! $ # # & % # " % " 0 作 者简介! 刘茂超’ 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 " * & O( . 光器的研究 2R % ! $ # # $ *u / 4G 6 > > 6 s 43 G 8 L L 3 7
2 7 3 6 4 的 (G " H值越接近越好
由于本文采用的是 0 5 6 / 788 # ()*传感器 ’ 像素的颗粒尺寸是 . 5 @ 7A 8"要想使设计的镜头与 该# 必须满足 B ()*相匹配 ’ M1 2 @ 4 即该镜头的分辨率必须达到 1 E 7N 9 L 88 " . # ()*像素尺寸 D 镜头的分辨率
$ /n .h / .< " & " " " .9 1 6 H 6 r 6 L 7wi i L J p xn 9 ;/ M y 8 I 7 z 8 I 7, 8 6 7 G /n .UL .T v " # # ) * .9 ( I ? G K M 4I 7 M L J m 8 u r 6 3 r K M 8 FI r M j7 6 H I K r 6 M u 6 G 70 8 6 7 G
" $ " "
’ " /i .UL .T v " # # ) * .9 1 7 r M 6 M s M IL J m 8 L M L 7 6 3 rt m 8 L M LC I 3 8 7 L > L o u K M 8 FI r M j7 6 H I K r 6 M u 6 G 70 8 6 7 G
本文 采 用 韩 国 三 星 公 司 的 一 款 / 0 0万 像 素 其尺寸为 # ()*作 为 设 计 镜 头 的 配 套 传 感 器 ’ 由于采用了 ? 0 5 6 / 788% . 9 :; & ’ 0< < = > 8 的制造 工艺 ’ 每个感光单元的尺寸下降到 . 5 @ 7A 8"
1 镜头各项参数的确定
摘
要 !设计一种 # #万像素的手机镜头 2该镜头由 -片塑料非球面透镜和 "个红外滤光片组成 .
采用三星公司的一款 # #万像素 # / ) ,3 " 5 +6 (9 4’ 7 3 8 :;<作为该镜头的图像传感器 .像素颗 粒 大小为 " 其分辨率极限为 $ 即为奈奎斯特频率 2镜头的光圈值 @ 为 $ / 0 ,= & ,> 5 / & , .视 4. ? 44. 场$ 该镜头有较好的成像质量 . 在奈奎斯特频率 " $ B 2 5 $处绝大部分视场的 :C / , . A为 ) D值大于 # 波前均方差 ’ 为波长 ( ( 小于 # / " + . 最大畸变为 O# / $ P2 K L K N’ N 关键词 ! 光学设计 1 手机镜头 1# #万像素 1 非球面透镜 1:C 1Q D R :ST
/ 设计过程
/ 5 . 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 总长度为 7 其 结 构 如 图 .所 为 CD 1 5 0 @88’ 5 E 7 ’ 示 " 从图 .可以看出 ’ 设计采用 :个镜片 ’ 其中前 / 个 采 用 非 球 面 塑 料 " 第 .和 第 /个 镜 片 的 材 料 为 第 1个镜片采用的材料为 P 第: : E 0 ’ ’ O )Q R# -O S 个为 S 滤掉% @ 0 0 U .. 0 0 & T@材 质的滤 光片 ’ < 8的 近 红 外光 ’ 厚度 为 0 5 /88": E 0 O和 P )Q R# -O S 在7 7 0< 5 7 / 7 ’ 8 处的折射率和阿贝系数分别为 . 和 7 7 5 ? 7 . 5 7 E 7 ’1 ? 5 ? . "
图 . 初始结构 5 . Y V W X Z W [\ Z ]^ _ Z ‘ a _ ‘ Z b
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c 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
1 5 . 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 B 镜头体积受 体积小 ’ 后焦短 ’ 解像力要求越来 手机空间的制约 ’
: 4 越高 2 "
普 通 手 机 的 厚 度 小 于 .= 因此镜头的总长 8’ 度应该在 .= 8 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B 光圈值 视场 6 左右 "同时控制好光线的出射角 D1 5 E 7 ’ 1 F C 使其与后面 # 度’ ()*能更好地耦合 " 1 5 1 调制传递函数 % & (G H (G H可 以 叙 述 为 通 过 镜 头 使 标 准 标 板 成 像 时’ 表示一定空间频率反差传递比率 % & = > I J K 的大小 " 空间频率是在像面上每 88 内黑白相间的
( " )
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 2 鉴于此 . 本文设计了一款实 际有效像素可达 # #万的手机镜头 2
" 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 29 9 n和 9 :;<是目前最 常用的$ 种图像传感器. 被广泛地应用于数码相
万像素手机镜头设计 # #
刘茂超 " .张 雷$ . 刘沛沛 " .邸 兴. 白晋涛 "
西安 0 " # # ) * ( ’ " / 西北大学 光子学与光子技术研究所 . 陕西 西安 0 " # # ) * 1 $ / 比亚迪股份有限公司 第七事业部 . 广东 深圳 , " & " " " 1 / 西北大学 物理系 . 陕西
应用光学
1 0 0 E ’ 1 ? % 6 &
刘茂超 ’ 等B / 0 0万像素手机镜头设计
d? : 7 d
机! 摄像机 ! 照相手机和监控摄像头等数码产品中 " 即电荷耦合 器 件& 是 一 种 感 光 的 半 导 体 片’ % # # $ 二者的主要的 # ()*即 互 补 金 属 氧 化 物 半 导 体 ’ 区别是 # 而 # $ 是 集 成 在 半 导 体 单 晶 材 料 上’ # ()*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 # # $所 掌控 ’ 而在可拍照手机方面主要应用 # ()*图 像 传感器 ’ 虽然其主要是 +, 但. / 0万像素 ’ 1 0 0万 -’ 像素 ’ / 0 0万像素等高像素的 # ()*也已逐步推向 市场 " 虽然 # # $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 # # $ 市场 份额的扩大 " 相比之下 ’# ()*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 # 近年来 ’ # $ 图像传感器不具备的优点 " 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 ’# ()*图 像 传 感 器 的 图 像 质 量 已 明显 优 于 # 因而可以预期在不久 # $的 图 像 质 量’
!S 4L -? { e X | _ a g | } 6 > I? 8 L 7 I> I 7 rG r r I 4} > u3 L 4? L r I yL J > G r M 6 3G r ? 8 I K 6 3> I 7 r I rG 7 yG 7i EJ 6 > M I K /C /9 FG r y I r 6 o 7 I y 8 6 r > I 7 r G r r I 4} > u8 G r G 7I ~ 3 I > > I 7 M 6 4G o 6 7 o? I K J L K 4G 7 3 I L 7 r 6 y I K 6 7 o? K L y s 3 M 6 L 7 .M + & # /C 5 +6 % G 7 y3 L r M 8 I ? > G r M 6 3 > I 7 r EFG r 3 8 L r I 7 8 I" 7 3 8-4I o G ? 6 ~ I > 9 :;<4G y I } u< G 4r s 7 o .F8 / 0 ,= FG rM G ! I 7G rM 8 I6 4G o Ir I 7 r L KL JM 8 I> I 7 rG r r I 4} > u L r I? 6 ~ I > r 6 z IFG r" 4.> 6 46 M 6 7 o & , 5 % / & ,G $ B /i K I r L > s M 6 L 7FG r$ > ? 44.D 7 s 4} I K FG r$ 7 yD ;w FG r) M r:C D6 7M 8 I4L r M ? G K M L J / , .E / " + " s 6 r M J K I " s I 7 3 u6 r8 6 o 8 I KM 8 G 7# :<FG H I J K L 7 M I K K L K6 r> I r rM 8 G 7# N D ;w G M 8 G > J L J Uu / $ P/ G 7 y4G ~ 6 4s 4y 6 r M L K M 6 L 76 rO# !L 1> 1-4I % 1G 1:C 1 #W $% \ _ & X ? M 6 3 G > y I r 6 o 7 I 7 rL J 4L } 6 > I? 8 L 7 I o G ? 6 ~ I > 3 G 4I K G r ? 8 I K 6 3> I 7 r D Q R :ST