单中心超广角手机镜头设计

谢无敌

（浙江舜宇光学有限公司，浙江 宁波 315400）

由于科学技术的持续进步，使得手机镜头设计水平得以较好地强化，在图像传感器制造水平方面亦获得了极大的成长，手机像素从过去的11万提升到现在的1 000万（普遍使用），举例来讲，华为P40手机采用了徕卡摄像头，在像素方面达到了4 000万，并且支持超大广角等摄影模式[1]。从现在的手机镜头来看，正朝着更加多元以及更加高质的方向发展，而这些优质手机镜头的出现使得手机性价比得以极大提升，并促使手机品牌竞争力得以深层次强化[2]。同心光学系统，通常亦被叫做对称系统，其对应的物点均处在称轴部位，和曲面传感器实现有关的匹配，仅需展开对球差等的矫正，主要用在大视场等光学系统。在当前，手机镜头光学系统全视场角的区间通常处于65°～80°这个范围，而在系统总长方面则是处于4.5～6.5 mm这个区间，以此藉由非球面设计推行，这种情况下，整体支出便会大大增加[3]。由此，如若能够促使成像视场角的前提下，降低对非球面应用，可以极大地促使生产投入的有效降低。而在文章进行论证的过程中，能够有效地连接成像的有关原则以及特点，构建出两个光学系统，具体研究分析如下。

1 光学设计分析

1.1 同心光学系统结构特点

以同心透镜来看，往往藉由两个光学折射面球心重合的凹、凸透镜，这样便能够呈现出相当程度的负光焦度，并由此起到对应的发散功能，进而影响光线发挥。该系统存在单心性，并且还有高度对称性，鉴于这些特点，其在具体的使用时会具有大视场方面[4]。通过控制同心光学系统最内层2个对称半球透镜的曲率半径，绝对值等于厚度，再胶合，这样便可以和球透镜实现对应的整体构建效果。

1.2 传感器的选择

由于科技的持续发展，使得在图像传感器方面的技术随之提升，而加之曲面传感器也开始进入市场，并获得了较好的应用，能够在手机镜头等方面获得相应的使用，还可以用在汽车等领域[5]。借助曲面传感器的使用，传统的平面传感器逐渐被代替，由此能够促使光学系统在展开设计作业时相应的难度会大大降低，这样便会不再过度依赖非球面透镜等的使用，减少生产支出，从而处理大视场光学系统场曲等缺陷，亦能够对边缘暗角进行高效消除，促使边缘像质得以强化[6]。在此次分析中，主要借助像元展开，而其对应的规格通常是1.25×1.25 μm，这样便可以达成对应的单中心超广角手机镜头光学系统。

1.3 设计参数

对常见的手机镜头相关的成像视场数值予以关注，其具体的数据通常会在65°～80°，而这个数值亦即意味着所进行的成像存在着一定局限[7]。此次研究中，最终形成的手机镜头相对较好，各个方面的数据都能够呈现出一定的优势，这就使得在像素数据方面表现出一定的性能，对应的像素数值达到了1 300万，而具体的参数见表1。

表1 手机镜头设计

1.4 初始结构

在展开结构方面的研究作业时，特别要对选型工作予以足够的关注，通常的做法为藉由计算法等展开，在本文中用了相关的查资料法，这样便能够较好地得到初始结构，详细的参数见表2。

表2 单中心全景成像仪结构参数

在将相关的参数输入结束后，对物距进行调整，改为无穷远，而在系统孔径方面则是设置近轴工作F数，对应的初始数据是2.0，在视场角方面，对应的数值具体构建为120°，而在可见光中心，相关的波长存在着一定优势，具体对应的数值为486、587、656 nm，通过这些设置，便可以得到对应的初始结构，详细情况通过图1能够获得。

图1 所设计的手机镜头初始结构

1.5 结构优化

借助ZEMAX软件展开相应的优化，将对应的各项数据输入之后，整体的情况便会发生改变，由此获得初始结构，随后应该将侧重点放在手机镜头方面，重点关注对应的设计标准，展开相应的优化作业，具体如下。首先，是对系统参数展开对应的调整，有必要的话则可以展开初始结构调整。其次，则是借助操作数CVVA等实现同心结构的有效把控[8]。第三，把透镜曲率半径等当成变量，且应该将其把控有效的区间，这样，在同心透镜方面，对应的厚度则是应该把控在合理的区间里。接着，则是关注单步优化情况，还有，必须展开关于设计指标方面的分析，并由此达成操作数的优化作业，而评价函数与操作数、权重的关系为：

2 设计结果与分析

2.1 设计结果

传统滤光手机镜头在组成方面通常为4片同心透镜，并且会增设曲面滤光片构成，而在镜头结构参数方面的实际情况能够从图2（a）看出；新型滤光镜头在组成方面通常为4片同心透镜，并且在第二透镜后会加置红外截止膜，详细的镜头结构参数则是能够通过图2（b）看出。整体来看，两个手机镜头存在的具体情况为，在系统焦距方面全部是0.264 cm，而在系统F数方面则全部是1.8，而通过分析能够看出，它们的全视场角处于一致，对应的数值为130°，它们在系统总长方面同样处于一致，对应的数值为0.41 cm，能够符合相应的光学系统设计规范[9]。藉由相关的资料能够看出，传统手机镜头后置曲面滤光片通常是同心厚透镜，导致在进行生产加工时难度出现了相应的提升，而在此次研究中，则是借助在半球透镜的平面上镀红外截止膜方式，从而促使加工性得以较好提升，并大大减弱系统的复杂性。

图2 手机镜头结构图

2.2 结果分析

MTF是将空间点进行光学傅里叶变换、表征光学系统对不同空间频率的正弦光栅的传递和反映能力的函数，由此可以对光学系统像质展开相应的研究，且能够赋予较为客观的整体性评价。对奈奎斯特频率进行分析，具体的数值是400 lp/mm时，相对应的MTF则是在数值上为0.7，而以这个数值来看的话，则是处于相对不错的状态下，这是由于在摄像镜头方面，相关的数值规范是0.7视场以内，这样便可以实现清晰分辨。而在轴外视场方面，相关的分辨率则是能够被允许出现相当程度的减小。

3 结束语

在本文里，结合同心透镜相关原理特征，并且紧密联系曲面传感器的成长走向，借助ZEMAX软件，从而构建出2个单中心超广角手机镜头。借助透镜半径等的有效改善，从而促使系统复杂性实现相应的减少。此次的研究重点考量了单中心超广角光学系统的制造可行性，且极大地促使制造难度时间减弱，而且在光学系统方面，也存在着相当不错的成像品质，能够满足生产方面的规范条件，这样便使得系统的可制造性得以提升。