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1、1650 万像素手机镜头的设计 Yuke Ma, V. N. Borovytsky Department of Optical and Optoelectronic Devices, National Technical University of Ukraine, Kyiv, Ukraine Email: sherry_ Received 15 February 2015; accepted 2 March 2015; published 6 March 2015 Copyright ? 2015 by authors and OALib. This work is licensed und
2、er 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
3、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 Vision Technologies 公司（ NASDAQ：OVTI）宣布 推出一款 1650 万像素数字图像传感器OV16850 1。在已发表的论文中， Song et al 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
4、800 万像素摄像机镜头。 （2014） 5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 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 / （21.12）= 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
5、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 光学材料 在这种设计中使用来自Zeonex 的光学树脂 E48R 6。 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
6、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 设计程序 Zemax 7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
7、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 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
8、 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，CON
9、S ，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; 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
10、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RMS 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 （FOV 0.000 至 FOV 0.787
11、） 的 RMS 光斑半径分别为 2.545m ， 2.761 m ，2.662m ，2.856m ，2.337m和 2.091m ，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 5.641m ，场 8（FOV 1.0） 的光斑尺寸的半径为4.985m ，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.
12、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 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
13、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 10
14、m ，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
15、 ）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 1 Geary, J.M. (2002) Introduction to Lens Design with Practical Zemax Example. Willmann-Bell Inc., Richmond. http:/ 2 Zhang, P., et al. (2009) Design of a 5 Megapixel Mobile Phone Camera Lens. Journal of Applied Optics, 30, 934-938. 3 Song, D
16、.F., et al. (2010) Design of Lens for 5 Mega-Pixel Mobile Phone 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 Foremost Optical Polymer for Precision-Molded Optics. http:/ 7 http:/ 8 Yu, D.Y. (1999) Engineering Optics. China Mechanical Press, Beijing.