基于ZEMAX的1300万像素手机镜头

高兴宇，陈朋波

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林　541004)



基于ZEMAX的1300万像素手机镜头

高兴宇，陈朋波

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林541004)

为了满足市场对高像素手机镜头的需求，结合光学设计和非球面理论，利用ZEMAX光学设计软件，设计了一款1300万像素的手机镜头。该手机镜头由4片非球面塑料镜片、1片滤光镜和1片保护玻璃组成，镜头光圈值为2.8，视场角为76°，有效焦距为4.4 mm，后焦距为0.58 mm，镜头总长为5.6 mm。中心视场处的MTF值大于0.5，且畸变小于1.8%，成像效果良好，满足使用要求。

光学设计；手机镜头；非球面；ZEMAX

自2000年日本夏普公司推出全球首款照相手机以来，拍照成为手机必不可少的一个功能。2003年索尼爱立信公司研发设计了首款拍照手机T618，并推广到中国，虽然手机镜头仅有10万像素，但是开创了中国拍照手机的历史，意味着中国从此进入手机拍照时代。2006年，朱日宏等[1]设计了一款光圈值3.2、视场角55°、160万像素的镜头，此镜头的系统总长为5 mm。2008年，刘茂超等[2]设计了一款光圈值2.85、视场角62°、300万像素的镜头，此镜头的系统总长为5.26 mm。2009年，李文静等[3]设计了一款光圈值2.8、视场角65°、500万像素的手机镜头，此镜头的系统总长为5.8 mm。2011年，李广等[4]设计了一款光圈值2.45、视场角68°、800万像素的手机镜头，该镜头总长为7 mm。在图像传感器CMOS未发展前，要把高像素的手机镜头集成在手机中是非常困难的，而且镜头的长度一般大于1 cm。而现在随着CMOS的发展，其尺寸不断减小，像元尺寸从最初5 μm发展到现在1.1 μm，从而实现了手机镜头总长度远小于以前的镜头总长，有利于手机结构轻薄化的发展。随着手机各项功能的不断升级优化，人们对手机成像效果和手机外观的要求也日益增高，所以，设计生产高成像质量、低成本且更紧凑的手机镜头成为发展热点。因此，本设计在选用合理初始镜头结构的基础上，设计一款1300万像素的手机镜头。

1　设计要点

1.1图像传感器CMOS的选取

近年来，随着CMOS工艺的日益完善和成熟，CMOS的成像质量越来越高，其在灵敏度、分辨率、感光度等性能方面有很大的改善和提高。由于CMOS具有质量轻、体积小、价格低、功耗低、集成度高、读写速度高等优点，市场上绝大多数的手机镜头都采用CMOS作为图形处理器。CMOS的生产厂家主要有Omnivision、索尼、三星、Panavision等。

本研究采用Omnivision[5]公司型号为OV16880的CMOS传感器，其规格尺寸为8.3 mm，最小像元仅为1.12 μm×1.12 μm，有效像素为4224×3136，像面大小为4730 μm×3512 μm(对角线5.89 mm)。该CMOS芯片可用于支持拍摄高清视频画面，最高解析度为1300万像素。因此，适合安装在手机镜头上作为其图形处理器。

镜片在实际加工、装配等过程中会产生一定的误差，使系统周边成像产生缺陷。为了防止该情况出现，设计的半像高需大于实际计算的半像高，实际计算的半像高为2.945 mm，本设计取2.98 mm。由于COMS解析度在一定程度上决定了镜头的分辨能力，即COMS像元尺寸决定了成像的分辨率。因此，COMS可以作为镜头设计的参考依据。根据所选COMS的规格参数和其采样原理，镜头分辨率为：

(1)

其中p为像元大小。求得镜头最大分辨率为446 lp/mm。因此，在光学设计软件中需要设计镜头的MTF曲线截止分辨率大于446 lp/mm。

1.2镜头设计的主要指标

根据与镜头相匹配的CMOS图像传感器的参数和实际需求，手机镜头的设计参数如表1所示。

表1　设计参数

2　光学镜头设计

2.1镜头初始结构选取

设计一个成像质量好的光学镜头，首先应该选取一个合适的初始结构，若初始结构选择不合理，即使光学设计经验非常丰富，也很难达到理想效果，因此，初始结构选取合理与否直接影响最终的设计结果。初始结构[6]的选取有多种方法，一般常用的有2种，第1种是使用PW方法求解得到初始结构，此种方法计算量非常大，要求设计者具备丰富的光学像差理论知识，而且要具备多年设计经验；第2种是通过查找相关文献和失效专利，从中选取合理的结构作为设计的初始结构，然后根据设计要求对所选取的初始结构进行缩放，在符合设计指标的情形下，进行最终的优化分析。本设计采用第2种方法进行设计优化。在ZEMAX软件中输入所选取的初始结构,如图1所示。初始结构的传递函数如图2所示。根据图2初始结构的MTF曲线可知，该镜头的成像质量非常差，在全视场下，分辨率为178 lp/mm的MTF值已经为0，所以该结构有很大的优化空间。

图1　初始结构Fig.1　The initial structure

图2　MTF曲线Fig.2　MTF curves

2.2透镜材料的选择

为了缩短镜头长度，手机镜头的各个镜片采用非球面设计，可以利用最少的镜片获取更高的成像像素。而在镜片材质方面，考虑到安全性和节约性，大多采用塑料材质。光学塑料是一种透明的非晶体有机高聚物，由单分子聚合而成。与玻璃材料相比，塑料材质的透镜具有透射性好、可塑性强、加工成本低等优点。使用非球面透镜可以有效控制镜头的各种像差，降低光学元件数量，增大光学系统的视场角。非球面透镜[7]的非球面系数对镜头性能有非常大的影响，因此在进行优化设计时，要控制非球面系数的变化。为满足手机镜头广角拍摄的要求，镜片结构采用正负正负[8]的组合方式，结构形式为4P(P表示塑料透镜)。第1块透镜采用型号为APL5514ML的塑料材质，此材料具有优秀的透光率、流动性、低双折射，而且价格比较低廉；第2块镜头采用OKP4HT的塑料材质，此材料为塑料材质中的高折一族，具有高折射率和较好的成型效果;第3、4块透镜采用型号为480R的塑料材质，此材料具有低双折射、低吸水率、耐高温、不易附静电、外观容易保持的特点。第5块为K9滤光片，主要滤掉700～1000 nm的近红外光[8]。

2.3优化过程

根据系统设计要求的焦距，首先缩放[9]光学系统的初始结构，按照焦距的大小将其缩放为4.5 mm。缩放时要注意3点：1)凹透镜中心过薄；2)边界条件的变化；3)不允许出现凸透镜边缘过薄。

考虑到实际加工水平，在进行结构优化过程中必须考虑透镜的厚度，将透镜的边缘厚度和中心厚度添加到优化函数中，其优化目标值须大于0.3 mm。将各个透镜的半径、厚度、空气间隔、偶次非球面系数和二次曲面系数均设置为变量。使用默认评价函数，并且添加准确的操作数进行优化限制，可以提高优化效率。添加的优化操作数为：

1)添加TOTR操作数控制系统的总长为5.6 mm；

2)添加DIMX操作数控制畸变的大小，将畸变限制在2%范围内；

3)添加TRAC操作数控制成像的弥散斑大小；

4)为了使镜头和CMOS更好地耦合，需添加RAED操作数控制系统主光线的出射角，使其出射角小于35°；

5)MTF曲线为成像质量优劣的重要评价标准，因此，需添加操作数MTFT、MTFS对MTF进行优化。

手机镜头经过优化后的结构如图3所示，视场角为76°，系统总长为5.6 mm，有效焦距为4.4 mm，后焦距为0.56 mm，所有透镜的中心和边缘厚度均大于0.3 mm，符合实际加工要求。

图3　优化结构Fig.3　The optimized structure

3　成像质量分析

成像质量经过优化后得到较大的改善。在成像光学系统中，MTF是全面评价光学系统成像质量的函数，是一个重要的评价指标。图4为不同视场下经过优化后的MTF曲线，其横坐标表示的空间频率越大，则每毫米分辨的线对数越多，分辨细节的能力越强[10]。也就是说MTF值越大，曲线越平稳，则光学系统的成像质量越好，图像越清晰。一般情况下，0.7视场下的MTF曲线决定了系统成像质量的好坏。因此，在进行系统优化时，需将视场下的MTF设置为优化函数进行控制，而边缘视场的MTF曲线则可以有一定的下降范围。从图4可看出，当分辨率为224 lp/mm时，中心视场MTF值大于0.5，分辨率为446 lp/mm时，中心视场MTF值大于0.15。由此可以看出，在分辨率为224 lp/mm时，除边缘视场外，其他视场的MTF值均大于0.25。在0.7视场下，MTF值在分辨率为224 lp/mm的弧矢方向均大于0.4，子午方向大于0.27；在分辨率为446 lp/mm的弧矢方向大于0.09，子午方向大于0.03。虽然存在一定的像散，但由于所占比例很小,并不影响画面的整体效果，表明该手机镜头成像质量较好，符合成像要求。图5为点列图，由图5可知[11]，像面上的弥散斑均方根很小，主要分布在艾利斑6.02 μm区域内，接近于衍射极限，满足成像设计要求。由于最大像高对应的视场角大于76°,因此,场曲和畸变不能太大。图6(a)为手机镜头的场曲大小，镜头的子午场曲(T曲线)和弧矢场曲(S曲线)均小于0.15 mm。图6(b)为镜头畸变的大小，镜头的畸变控制在2%范围内，看不出成像的变形(畸变<3%)，基本满足系统设计要求。图7为镜头的相对照度曲线，反映了手机镜头成像画面的亮度。一般镜头要求边缘视场的相对照度大于0.5，由于本镜头为广角镜头，视场角达76°，因此，对于边缘视场的相对照度值要求可适当降低。从图7可看出，边缘视场的相对照度值为0.48，满足镜头的照度要求。

图4　优化后MTF曲线Fig.4　The optimized MTF curves

图5　点列图Fig.5　Spot diagram

图6　 场曲、畸变曲线Fig.6　The curves of field curvature and distortion

图7　相对照度曲线Fig.7　The curve of relative illumination

4　公差分析

一款设计良好的镜头能否进行生产加工，除了要有出色的成像质量外，还必须满足现有加工能力。若系统公差[12]过紧会导致加工成本提高，甚至使得加工装调无法满足最终的像质要求，因此，有必要进行公差分析。利用ZEMAX软件对镜头进行公差分析，把系统的MTF值作为公差敏感度，用灵敏度分析及蒙特卡罗分析进行公差分析，最终的非球面镜片的厚度公差为±0.01 mm；红外滤光片的厚度公差为±0.03 mm；各表面曲率半径公差为0.01 mm；各表面的偏心公差为±0.01 mm；倾斜公差为±0.3°；透镜材质的折射率公差为±0.002；阿贝常数公差为±0.5；满足现有的加工能力。

5　结束语

在合适的初始结构基础上，利用光学软件ZEMAX对初始结构进行合理优化，得到一款成像质量高、效果较好的1300万像素手机广角镜头。该镜头由4片非球面塑料透镜组成，系统总长为5.6 mm，视场角为76°，光圈值为2.8。各项像差得到较好地矫正，其中最大畸变小于1.8%，0.7视场处的MTF值大于0.4。该设计镜头成像效果良好，满足市场的实际需求。后续研究将进一步对手机镜头的结构进行优化，达到更高的成像质量。

[1]朱日宏，汪振海，张文勋.高像质手机镜头设计技术研究:130万手机镜头[D].南京：南京理工大学，2006:18.

[2]刘茂超，张雷，刘沛沛，等.300万像素手机镜头设计[J].应用光学，2008,29(6):944-948.

[3]李文静.500万像素手机镜头的光学设计[J].激光与光电子学进展，2009,46(1):56-59．

[4]李广，汪建业，张燕.800万像素手机镜头的设计[J].应用光学，2011,32(3):421-425.

[5]杨周，阳慧明，丁桂林.一款超薄800万像素手机镜头的设计[J].应用光学，2013,34(3):413-419.

[6]薛雷涛，林峰.800万像素超薄广角手机镜头设计[J].激光与光电子学进展，2015,52(1):1-6.

[7]勾志勇，王江，王楚，等.非球面光学设计技术综述[J].激光杂志，2006,27(3):1-2.

[8]李航，颜昌翔.800万像素手机广角镜头设计[J].中国光学，2014,7(3):456-460.

[9]SUNETRA K M.COMS active pixel image sensors for highly integrated imaging systems[J].IEEE Journal of Solid-State Circuit,1997,32(2):187-197.

[10]慧彬，刘雁杰，李景镇，等.800万像素折衍混合式手机镜头设计[J].红外技术,2013,35(4):223-226.

[11]李晓彤，岑兆丰.几何光学像差光学设计[M]．浙江：浙江大学出版社,2007:215-218.

[12]尹志东.800万像素手机镜头的光学设计与制造[D].长春：长春理工大学，2014:26.

编辑：梁王欢

A 13 million pixels mobile phone lens based on ZEMAX

GAO Xingyu, CHEN Pengbo

(School of Mechatronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

In order to meet the market demand for high pixel cell phone camera, using optical design software ZEMAX, combining with the optical design and aspherical theory, a 13 million pixels mobile phone lens is designed, the lens consists of four pieces of aspherical plastic lens, one piece of filter and one piece of protection glass. Lens aperture is 2.8, viewing angle is 76°, the focal length is 4.4 mm, the focal length is 0.58 mm, lens length is 5.6 mm. MTF value of the center view field is greater than 0.5, and the distortion is less than 1.8%. The imaging effect is good, and the application requirement is satisfied.

optical design； mobile phone lens; aspheric surface; ZEMAX

2015-12-20

广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任基金(桂科能10-046-07_007)；广西信息科学实验中心基金(LD13104X)

高兴宇(1981-)，男，辽宁铁岭人，教授，博士，研究方向为机器视觉技术、先进成像技术、表面等离子体理论及应用。E-mail: gxy1981@guet.edu.cn

TN942.2

A

1673-808X(2016)04-0284-05

引文格式：高兴宇，陈朋波.基于ZEMAX的1300万像素手机镜头[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(4):284-288.