3P超薄500万像素手机镜头设计

郭王凯，王 敏，徐 苗，陶 郅



3P超薄500万像素手机镜头设计

郭王凯，王 敏，徐 苗，陶 郅

( 福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室，福州 350007 )

利用ZEMAX软件设计一款500万像素的手机镜头。该镜头由3片塑料非球面镜片组成。镜头的光圈值F为2.8，全视场角64°。采用Omnivision公司OV5645型号的CMOS作为图像传感器，像素尺寸大小为1.4 μm×1.4 μm，截止频率为358 lp/mm。最终设计结果，镜头光学总长度为4.163 mm，1/2截止频率处的全视场MTF大于0.3，相对照度大于55%，畸变小于1%，场曲小于0.1 mm，可以获得优质的成像效果。

光学设计；手机镜头；500万像素；ZEMAX

0 引 言

随着智能手机的发展及其市场份额的逐步扩大，人们对手机镜头像素要求也不断提高。自21世纪以来，手机像素从VGA逐渐发展到300万、500万像素。2006年，三星更是推出全球首款千万像素手机。2010年以来，随着双置手机镜头的发展和自拍的流行，手机后置镜头逐渐向千万像素发展，而前置镜头已逐步从300万像素向500万像素过渡，这使得研究结构简单、小型化和超薄的500万像素的手机镜头成为必要。回顾已有的三片式手机镜头，如汪振海[1]设计的130万像素手机镜头，总长为4.99 mm；黄城等[2]设计的200万像素手机镜头，总长为4.25 mm；刘茂超等[3]设计的300万像素手机镜头，总长为5.261 mm；朱永建等[4]设计的310万像素手机镜头，总长为6.045 mm。通常，镜头的总长不仅和像素有关，与焦距和视场角也有关，焦距越长，视场角则越小，总长则越长；反之总长则越短。鉴于此，本文设计出一款采用三片式，总像素达到500万，全视场角64°，总长仅4.163 mm，结构工艺简单，生产成本低，良率较高的手机镜头。

1 图像传感器的选择

CCD与CMOS是成像领域所使用的主流图像传感器件，二者的研究几乎是同时起步的。早期受工艺水平的限制，CMOS没有得到重视和发展，CCD占据了大部分市场。随着近年集成电路技术和工艺水平的提高，CMOS的发展日渐成熟。CMOS传感器比CCD体积小、功耗低、集成度高[5]，鉴于手机镜头轻薄小的特点，目前手机厂商大多数使用CMOS作为传感器件。本文选用Omnivision公司OV5645型号的CMOS作为图像传感器，该CMOS的规格为成像面积3.673 6 mm×2.738 4 mm，分辨力为2 592×1 944(500万像素)，像素尺寸大小为1.4 μm×1.4 μm。通过以上数据可知，该CMOS的对角线为4.581 9 mm，半像高为2.291 mm，截止频率为358 lp/mm，主光线角度为29.1°。为了避免CMOS装调时偏离光轴出现暗角，设计过程中设置的视场应略大于该半像高。

2 光学设计

2.1 设计指标

镜头的设计指标如表1所示。

表1 镜头设计指标

2.2 初始结构

初始结构对于达到最终的设计要求是非常重要的，如果设计的出发点即初始结构先天不足，只依赖于光学设计软件是无法对结构做出突破性的改变[6]。通常有两种方法可以得到初始结构：一是计算法，即根据像差理论建立方程，通过大量计算得到初始结构，该方法耗时长、效率低；二是查资料法，即根据设计的指标，查找现有的专利库，从中选择相近的结构。通过参考专利库发现三片式的手机镜头大多采用正-负-正的结构，所以本设计采用一个三片式球面镜加一片厚度为0.3 mm玻璃材料为BK7的滤光片(滤去700 nm~1 100 nm近红外光)作为设计起点，光阑置于第一片与第二片之间，其结构如图1所示。

图1 初始结构

2.3镜片材料的选择

非球面与球面相比有很大的优势，它可以更好的校正球差、彗差、场曲、像散，在保证成像质量的同时透镜数比球面构件少，可减轻系统的重量[7]。而塑料光学零件有透光性好、重量轻、成本低等优点[8]。根据手机镜头轻薄化的特点，将初始结构的三片光学镜片全部设计成塑料非球面，第1片和第3片镜片的材料相同，折射率和阿贝数分别为1.544 102和56.114 3，第2片镜片的材料折射率和阿贝数分别为1.635 5和23.784 6。

2.4优化过程

利用ZEMAX自带的默认评价函数，并根据设计指标，进行优化设计。

1) 选择初始结构透镜的面形为偶次非球面，把曲率半径、conic数、镜片厚度、空气间隔、偶次非球面系数设为变量。采用像高均匀的设置12个视场，波长选择可见光，合理分配波长和视场的权重，打开光线对准。

2) 建立默认评价函数，采用RMS+SpotRadius+Centroid，Rings和Arms采用6环6臂。

3) 使用TOTR操作数控制总长，MNEG操作数控制镜片厚度，MNEA操作数控制空气间隔，规范使镜头结构初始变化不至于太离谱，之后进行初始优化操作。初始优化时将总长限制相应放宽，进一步优化时再逐步缩短总长。优化过程中若某个镜片厚度或空气间隔变化过于离谱，将相应镜片的厚度及空气间隔固定，优化几圈待结构稳定后到再逐一放开。

4) 添加操作数限定畸变、场曲、视场角、镜头后截距和CRA，并给定各操作数适当的权重，进一步优化。优化过程中反复进行监控和修改，查看各种像差曲线图，增减权重、增减操作数。

5) 优化后期，待MTF及点列图的光斑半径基本符合要求后，添加MTFT、MTFS操作数使MTF进一步提高，进行全局搜索，获得最佳成像质量的镜头。

3 设计结果

优化后镜头的结构如图2所示，光学总长度为4.163 mm，全视场角为64°，像面上的半像高为2.33 mm，略大于CMOS的半像高，不会产生暗角。

图2 优化后系统结构

图3为该款手机镜头的相对照度图。相对照度与视场角有关[9]，通常手机镜头相对照度要求50%以上。从图3可以看出，该手机镜头全视场相对照度大于55%，符合成像要求。

图3 相对照度图

图4为180 lp/mm处的MTF曲线图，图5为358 lp/mm处的MTF曲线图。一般0.7视场内是成像的主要区域，决定了成像质量的好坏，0.7视场以外是图像的边缘部分，允许一定程度的下降，所以0.7视场内的MTF值要达到较好的要求[10]。从图5中可以看出，在358 lp/mm处，0.7视场内的MTF>0.1；从图4中可以看出，在1/2奈奎斯特频率180 lp/mm处，全视场的MTF>0.3，0.7视场内的MTF>0.4。

图4 180 lp/mm处的MTF曲线图

图5 358 lp/mm处的MTF曲线图

图6所示为该手机镜头的点列图，该手机镜头的弥散斑的半径不能大于(1.5～1.2)/L，在这里L=358 lp/mm，故弥散斑半径最大不能超过4.2 μm。从图中可以看出，全视场RMS半径均小于4.2 μm，像差得到了很好的平衡和控制。

图6 点列图

Fig.6 Spot diagram

图7为该手机镜头的场曲和畸变图，从图中可以看出，场曲校正到了0.10 mm以内，畸变则小于1%，完全符合手机镜头成像要求。

图7 场曲和畸变

4 公差分析

一款镜头能否实现批量生产，除了成像质量必须符合要求外，还要考虑镜头内各个元件对公差的灵敏程度，如果镜头对某一个参数的变化很敏感，就要对该参数进行严格控制。故对该镜头做公差分析是必要的。

基于目前非球面加工工艺的进步，国内大型手机镜头企业加工非球面镜片的面型精度可以达到2 μm，国外一些大型企业甚至能够做到1.5 μm以内。鉴于此，在进行公差分析时，将镜片的厚度以及镜片间隔的公差设置为6 μm，表面倾斜公差设置为0.2°，元件偏心公差设置为3 μm。利用ZEMAX软件的公差分析功能，用灵敏度分析和蒙特卡罗分析180 lp/mm处镜头的公差敏感度。灵敏度分析和蒙特卡罗分析如表2，表3所示。从蒙特卡罗分析可以看出，该手机镜头90%以上蒙特卡洛样本的MTF>0.240 586 30，每一个样本为模拟加工、装调后的光学系统；从灵敏度分析可以看出，第一片透镜的第一面的倾斜、第二片透镜的厚度和偏心相对敏感，在加工生产时需要严格管控。

表2 最敏感的公差分析结果

表3 蒙特卡罗公差分析结果

5 结 论

本文设计了一款500万像素的手机镜头，采用三片塑料非球面镜片，结构简单，工艺性好。镜头光学总长度仅为4.163 mm，全视场角64°，在1/2奈奎斯特频率处全视场MTF>0.3，0.7视场MTF>0.4，相对照度大于55%，畸变小于1%，成像质量优良，满足手机镜头轻薄化的要求。

参考文献：

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Camera Design of 3P Slim 5 Mega-pixel Lens

GUO Wangkai，WANG Min，XU Miao，TAO Zhi

( Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine(Ministry of Education), School of Phonic and Electronic Engineering, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China )

A 5 mega-pixel lens system is designed with ZEMAX. The mobile lens is composed of 3 plastic aspheric lenses. The F-number is 2.8 and FOV is 64°.The sensor OV5645 has 5 mega-pixel which is made by Omnivision, whose pixel size is 1.4 μm×1.4 μm, so the limiting resolution is 358 lp/mm. The final design result shows the optical total length is 4.163 mm, the MTF value is more than 0.3 in full fields of view at 1/2 limiting resolution, the relative illumination is more than 55%, the distortion is less than 1%, and the field curvature is less than 0.1 mm. It possesses an excellent imaging performance.

optical design; mobile phone lens; 5 mega-pixel; ZEMAX

1003-501X(2016)09-0067-05

TN942.2

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.09.012

2015-11-17；

2016-02-24

国家自然科学基金(61520106015)；福建省科技厅产学研重大项目(闽财指[2014]973号)

郭王凯(1991-)，男(汉族)，福建漳州人。硕士研究生，主要从事光学系统设计、精密仪器方面的研究。E-mail：guowangkai2015@163.com。

王敏(1963-)，女(汉族)，福建南平人。教授，高级工程师，主要从事光学工艺及产品的研究开发。E-mail: mwang@fjnu.edu.cn。