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1、1650 万像素手机镜头的设计Yuke Ma, V. N. BorovytskyReceived 15 February 2015; accepted 2 March 2015; published 6 March 2015Copyright ? 2015 by authors and OALib.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).摘要：设计了用于移动电话的1650 万像素摄像机镜头。该镜头由 3 个塑料非球面透镜，一个玻璃球面透镜和一个红外玻璃过
2、滤器组成。来自 Omni Vision的具有 1.12 微米的像素尺寸的 CMOS OV16850用作图像传感器。 该透镜的有效焦距为 4.483mm，F 数为 2.50 ，视场（ FOV）为 76.2 度，总长度为 5.873mm。 透镜的最大畸变小于 2.0 。 所有场相对照明的最小值超过39.8 。关键词：手机相机镜头， 1650 万像素传感器， Zemax 主题领域：移动计算系统，光通信1. 介绍：2014年 10 月 7 日， Omni VisionTechnologies 公司（ NASDAQ：OVTI）宣布推出一款1650 万像素数字图像传感器1。在已发表的论文中， Song e
3、tOV16850al 2 要设计一个1600 万像素的相机镜头在紧凑的尺寸不是一件简单的任务（ 2010）。3最近， Peng通过 4 片塑料非球面透镜的结构研究了用于移动电话的500 万像素摄像机镜头。（2013）4 Yin 等人通过使用1 个玻璃和 3 个塑料非球面透镜（ 1G3P）完成了光学系统，研究了用于手机的800 万像素摄像机镜头。5（ 2014） 通过选择 5 块塑料非球面透镜（5P）结构配置，研究了用于手机的1300万像素手机镜头。本文介绍了通过 1P1G2P镜头配置的 1650 万像素摄像机镜头的详细设计， 这是我们第一次了解。传感器 OV16850具有以下规格： 像素尺寸为
4、 1.12 微米，分辨率为 5408 像素× 3044 像素，对角线长度为 6.95mm或像高，主光线角（ CRA）为 33.4 度。 传感器的奈奎斯特采样频率可以通过 1000 / （ 2× 1.12 ）= 446lp / mm 计算。 因此，相机镜头的有限分辨率应该优于 446lp / mm 。 6.95mm 的图像高度和 76.2度的透镜的 FOV确定 4.432mm的焦距。我们将透镜的有效焦距（EFFL）设置为小于4.5mm，所以用于移动电话的相机透镜的总光学长度（TOL）可以限制为5.90mm。1650 万像素手机镜头的规格参数总结在表1 中。2. 设计方法2.1
5、 光学材料6在这种设计中使用来自 Zeonex 的光学树脂 E48R 。 光学树脂提供高透明度，低荧光，低双折射率，低吸水率，低成本，高耐热性和容易成型用于大规模生产。 由于透镜具有大的 FOV，并且其诸如高阶球面像差，像散，慧差，高阶色差等的高阶光学像差相当大， 为了具有更稳定和清晰的图像， 第一个元件被设置为非球面玻璃透镜， 第二元件的材料是具有光学折射率为 1.785 和色散系数为 26.08 的 SF56A，透镜的第一，第三和第四元件选择为 E48R，其光学折射率为 1.531 ，相应的色散系数为 56.0 ，第五个元件是红外滤光片（ IR），最后一个是覆盖玻璃 BK9。2.2 设计程
6、序7Zemax 用于模拟镜头光学系统。 考虑到低价格和大量生产，选择镜头的初始配置 1P1G2P用于通过反复试验的设计。 在该透镜中有 6 个元件，第一至第四元件都是非球面透镜， 第五元件是 IR 滤光器，第六元件是传感器的玻璃盖。元件 1 至 4 的所有表面被设置为均匀的非球面轮廓，第五和第六元件是平面。 半径和每个表面的厚度从 1 到 8 被设置为可变的，所有表面圆锥常数以及非球面系数被设置为可变。2.3. 优化过程优化过程包括三个步骤：步骤 1：1）使用操作数 EFFL定义透镜的有效焦距，使用操作数 TOTR限制透镜系统的总光学长度，使用操作数 RAID限制 CRA，使用操作数 REAY
7、来定义图像高度 ;2 ）优值函数还包括操作数 MNCA，MXCA和 MNEA以定义空气厚度和空气边界约束， 同时操作数 MNCG，MXCG和 MNEG用于玻璃壳 ; 3）最初，操作数 LONA用于控制球面像差， LACL用于控制该焦点系统的横向色彩。 TRAY和 SUMM用于控制彗差，而操作数 DIMX用于控制每个视场的失真 ; 4）使用操作数 TRAY，DIFF，RAGC，ACOS和 TANG控制切向曲率 ; 5 ）使用操作数 TRAY，DIFF，RAGC，ACOS，TANG，CONS和 PROD来控制矢状曲率 ; 6 ）操作数 TRAC用于控制整个波长的每个视场的光点大小。步骤 2：在初始
8、优化之后，在优值函数中添加高阶控制操作数，即1）使用操作数TRAY，RAGC，ACOS，TANG，DIVI 和 DIFF 来控制轴向和纵向色差 ; 2 ）使用操作数 TRAY，RAGC，ACOS， TANG，DIVI ，CONS，PROD和 DIFF 控制高阶球面像差 ; 3）使用 TRAY，DIVI 和 DIFF 控制高阶色球差 ; 4 ）使用 FCGT，FCGS，DIFF 和 SUMM控制散光。步骤 3：在每次优化完成后观察 Siedel 系数，观察布局以显示合理的配置。 最后，1）将 MTFS，MTFT都加到优值函数中以提高透镜分辨率 ; 2）同时 TRAC被操作数 OPDX 替代 ;
9、3 ）优值函数中的权重总是准备改变以优化一些重要贡献项目，以获得合理的透镜配置。表 1 1650 万像素的手机相机镜头的规格参数3. 结果优化的透镜配置如图1 所示，相应的透镜数据列在表2 和表 3 中。透镜具有5.873mm的总轨迹， 有效焦距为 4.483mm，后焦距为 0.207mm 。该透镜具有 76.2度的 FOV，图像高度为 6.97mm，其比 CMOS传感器尺寸稍大，并且意味着 CMOS 传感器容易安装到透镜模块。 CRA小于 33.4 度; 期望光学器件和 COMS之间的良好耦合。可以使用点图， MTF，曲率和失真，侧向颜色，色差焦距偏移和相对照度来评估透镜设计。光斑尺寸的 R
10、MS半径应小于像素尺寸的三倍（ Yu 8 ），对于该设计，它为 3.36 微米。所有场的 RMS点如图 2 所示。场 1 至 6（ FOV0.000 至 FOV0.787 ）的 RMS光斑半径分别为 2.545 m，2.761 m， 2.662 m，2.856 m， 2.337 m和 2.091 m，远小于 CMOS传感器的成像需要，同时场 7 的光斑尺寸的半径（ FOV 0.92 ）为 5.641 m，场 8（FOV 1.0）的光斑尺寸的半径为 4.985 m，非常接近这种需要，也就是说整个 FOV可以非常清晰地成像。表 2 镜头配置数据表 3 每个相应表面的非球面系数图 1 1650 万像
11、素手机相机镜头布局图 2 1650 万像素手机相机镜头点图MTF是评估镜片成像性质的综合标准。在该设计中，中心场在223lp / mm的 MTF值为 53.4 ，在 446lp / mm 下为 21.4 。 对于 FOV 0.8 区， 223p / mm的 MTF值在矢状面中大于 37.6 ，在切平面大于 32.6 ，在 446lp / mm处，在矢状面中 MTF值大于 14，大于 2 在切平面。 MTF曲线如图 3 所示。镜片的曲率和畸变如图 4 所示 ; 在图 4 中示出透镜具有低场曲率 ; 它在0.05 以内，远远小于成像需要0.1 ，并且失真小于 2。 它满足设计需要。图 3 1650
12、 万像素手机相机镜头的MTF曲线图 4 16.5 M 像素手机相机镜头的场曲和畸变透镜的横向色彩和色差焦点偏移揭示了该16.5M 像素移动电话摄像机镜头的几乎衍射限制的设计。它们分别示于图5 和图 6 中。 在图 5 中，最大场的横向颜色在艾里斑内，这意味着衍射限制设计。在图 6 中还指出，透镜的色焦点偏移在衍射限制内。应检查镜头的相对照明 ;在图 7 中可以看出， 相对照明值的最小值为40。自动增益控制电路和自动平衡控制电路都可以保持图像的均匀亮度。结论是这种设计的 1650 万像素手机相机镜头可以满足设计需要。图 5 一个 1650 万像素手机相机镜头的横向颜色图 6 1650 万像素手机
13、相机镜头的色差移动图 7 1650 万像素手机相机镜头的相对照度最后，进行公差分析，结果表明允许半径，厚度偏差为5m，偏心偏差为10m，倾斜度为 0.2 度。在表 2 中还示出，塑料片的最小厚度为0.354mm，这意味着可以期望用于大规模生产塑料透镜元件的精密注塑成型。为了容易的生产考虑，用于该设计的玻璃元件被设置为标准球面。总之，这款 1650 万像素的手机相机镜头是一个实用的设计。4. 结论通过使用 Zemax，设计了一个 1650 万像素的手机相机镜头。该镜头由 3 个塑料非球面透镜， 一个玻璃 球面透镜 和一个红外 玻璃过 滤器组成。 来自Omnivision 的 OV16850的像素
14、尺寸为 1.12 微米，用作图像传感器。该透镜的有效焦距为 4.483mm， F 数为 2.50 ，视场（ FOV）为 76.2 度，总长度为 5.873mm。这是一个 1650 万像素的手机相机镜头的实用设计。参考文献12 Zhang, P., et al. (2009) Design of a 5 Megapixel Mobile Phone Camera Lens. Journal of Applied Optics, 30, 934-938.3 Song, D.F., et al. (2010) Design of Lens for 5 Mega-Pixel Mobile Phone
15、Cameras. Journal of Applied Optics, 31, 34- 38.4 Peng, X.F. Design of High Pixel Mobile Phone Camera Lens. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 6, 1160-1165.5 Yin, Z.D., et al. (2014) Optical Design of a 13 Megapixel Mobile Phone Camera Lens.Laser & Optoelectronics Progress, 51, 163-168.6Worlds ForemostOpticalPolymerforPrecision-MoldedOptics.78 Yu, D.Y. (1999) Engineering Optics. China Mechanical Press, Beijing.