基于电润湿透镜的手机镜头设计

陈航宇 朱惺璐 李昕 刘泽宇

摘要：通常的手机镜头是由PCB板、光学透镜组和传感器等部件组成，通过算法实现变焦功能，不能机械变焦。利用液體透镜的镜头具有自动变焦能力，再加以算法的辅助可快速变焦，使成像效果显著提升。本文利用液体透镜，基于ZEMAX设计了焦距连续可变且成像质量良好的手机镜头。

关键词：液体透镜;手机镜头;快速变焦

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）29-0208-02

1 概述

手机镜头的自动对焦和数码相机的自动对焦不同，它不能对光学器件进行调整。目前手机镜头的对焦方式主要分为激光对焦、相位对焦和反差对焦三种，且存在能耗高、结构复杂、寿命低的缺点。通过在光学透镜组中加一组液体透镜可以有效避免这些缺点。液体透镜通过调整施加在液体和电极之间的电压，改变液体和固体之间的表面张力，从而控制界面曲率的变化实现变焦。电润湿可变焦透镜相较于传统光学透镜具有许多优势：响应时间快、成本低、适用范围广等特点。目前基于电润湿原理的双液体透镜是当前液体透镜发展的主流方向。本文利用ZEMAX软件设计了基于手机镜头的镜头组，该焦距连续可变，为手机镜头提高成像质量以及更快的变焦速度。

2 镜头设计

良好的镜头离不开初始结构合理的选取，初始结构选取是否合理直接影响到设计能否顺利进行。本设计以自动对焦镜头模块的专利模型为参考，设计了全视场角为30°，相对孔径为1/3.4，光学总长为4.7mm，相对照度大于50%，主光线角小于25°，畸变小于2%的液体透镜变焦镜头。

整个光学系统由三个透镜组和影像感应元件组成，如图1所示从左到右依次为单一透镜、液态变焦单元、成像镜组和影响感应元件。单一透镜上直接设有一光圈，其作用是接收一物件影像的光而聚集成为一输出光。液态变焦单元由左右两块透光基板和中间不相溶解的第一液体和第二液体组成，通过外部控制决定一变焦值后，改变单一透镜的输出光成为另一阶输出光。成像镜组由一第一镜片和一第二镜片组成。光学塑料具有透射率高、质量轻、双折射率低、成本低等众多优点，手机镜头通常采用非球面的光学塑料。与球面镜相比，非球面可以有效减少镜片个数、减轻镜头重量，节省成本，提高视场角、提升成像质量。成像镜组接收液态变焦单元的输出光后，输出下一阶输出光，此阶的输出光代表产生的一影像光由影像感应元件接收。

3 像质评价

通过调整液体透镜内部液液曲面的曲率，得到了可连续变焦镜头。在无穷远、30cm和5cm物距下，进一步对镜头成像的场曲、畸变曲线和相对照度进行了像质分析。

如图2所示为变焦镜头物距在无穷远、30cm和5cm的场曲和畸变曲线。场曲反应像平面的弯曲程度，对像质有很大的影响。畸变的形成由主光线光路决定，是引起像面的变形。对于手机镜头而言，一般要求场曲小于O.1mm，畸变小于3%。从图中可以看出，每一个的场曲均小于O.1mm，畸变均小于2%，符合设计要求。

如图3所示为变焦镜头物距在无穷远、30cm和5cm的相对照度曲线。对于手机镜头来说相对照度是评价它的一项重要指标。相对照度是像面边缘照度与中心照度的比值，随着视场角的增大，导致主光线出射角增大，使得相对照度会有一定程度的下降，一般手机镜头要求相对照度大于50%即可。从图中可以看出，每个物距的所有视场相对照度均大于60%，满足指标要求。

好的光学系统不仅要有良好的像质和结构指标，更要考虑到现代加工工艺水平，加工工艺水平决定了系统公差的大小，所以在设计阶段利用ZEMAX软件对本设计中镜头的加工和装配公差进行了分析计算，并对衍射面的最小周期线宽以及最小台阶宽度进行了计算。确定公差都在加工工艺能达到的范围内。

4 结论

本项目利用ZEMAX光学工程软件设计了一款符合手机镜头参数要求且成像质量良好的液体透镜变焦镜头。该镜头光圈值为3.4，最大畸变小于2%，像面主光线出射角小于25。。目前该镜头视场角较小，进一步优化可利用两个或多个液体透镜组结构进行镜头设计。

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【通联编辑：唐一东】

作者简介：陈航宇（1999-），男，江苏连云港人，本科，主要研究方向为电子科学与技术;朱惺璐（1999-），女，江苏南通人，本科，主要研究方向为电子科学与技术;李昕（1999-），男，江苏南京人，本科，主要研究方向为电磁场与无线技术;刘泽宇（1998一），男，安徽阜阳人，本科，主要研究方向为电子科学与技术。