莊振鋒

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手機取像鏡頭設計

莊振鋒

（漳州職業(yè)技術學院 機械與自動化工程系，福建 漳州 363000）

介紹一種采用三片式鏡片結構手機鏡頭的設計，該設計利用光學設計軟件ZEMAX進行光學效果的模擬，設計結果出焦距為4.5mm,相對孔徑(F數(shù))為2.8，在50lp/mm時，MTF≥0.5，像面尺寸φ4.5mm，總長小于8mm,相對畸變量為4%的手機鏡頭。本系統(tǒng)設計指標滿足要求，采用的玻璃都是常用的材料，制造成本較低，所設計的產(chǎn)品在中低端手機上有廣泛應用。

手機；像差；像質(zhì)；ZEMAX

1 引 言

自第一臺拍照手機在日本誕生至今，照相手機發(fā)展迅速，“市場調(diào)查顯示2005年全球手機出貨量為7.95億部，其中大約有4.55億部有照相功能，占57%。預測到2008年，85%的手機擁有照相功能，手機出貨量約為8億部左右。手機市場的規(guī)模也將從2005年的大約20億美元上升到2008年的48億美元，而手機鏡頭作為主要部件之一，將具有十分廣闊的市場前景”。[1]由于定焦系統(tǒng)的光學特性較為簡單，可以為中低端手機提供較好的成像質(zhì)量及較低的成本。因此，本文提供了一種三片式結構鏡頭設計結果，該鏡頭有效地提供了良好的成像質(zhì)量，同時縮小了體積和降低了成本。

2 初始結構選擇

手機的外形結構決定了鏡頭只能要求體積和尺寸微型化，一般光學總長要小于8mm，機械口徑也要小于8mm，采用M8×0.5的標準螺紋接口。由于鏡片小，加工裝配難度高。

由于體積和聯(lián)結方式的限制光欄結構型式，該鏡頭采用固定光欄型式。它的光量調(diào)節(jié)由攝像器件的電子系統(tǒng)實現(xiàn)。在VGA等級的手機取像鏡頭，其光圈f/#大都在2.6～2.8之間。

成像質(zhì)量要求手機鏡頭質(zhì)量因手機本身的要求不同而異?！耙话愕氖謾C鏡頭要求畸變小于等于5％，視場角應大于等于52度，攔光系數(shù)應做到50％以內(nèi)”。[2,3]

性能價格比手機鏡頭作為手機的附屬品，一方面要求它能滿足手機所需的像素指標，另一方面也要求它有別于其它獨立鏡頭，需要嚴格地控制成本。因此，如何設計出加工性能好，材料便宜，較少鏡片數(shù)，裝配方便成為設計這類鏡頭的關鍵。

隨著手機往輕薄，多功能方向發(fā)展，手機集成的功能越來越多，各個功能件所占用的空間也越來越小，因此，它要求鏡頭體積越小越好。攝像器件的靶面尺寸規(guī)格目前包括1/4和1/6英寸兩種。

用普通玻璃構成的手機鏡頭中，通?？刹捎萌胶退钠絻煞N，由于受成本和總長限制，我們采用三片式結構，整體光學模組的厚度限制在8mm以內(nèi)，采用1/4英寸CCD，即影像檢測器的對角線長在4.6mm，焦距4.5mm，視場角56度。

3 優(yōu)化設計

3.1 設計指標

表1 設計指標

3.2 設計結果分析

圖1 光學系統(tǒng)結構圖

圖2 裝配圖

綜合考慮光譜范圍﹑后截距的長短﹑系統(tǒng)總長﹑面型的加工是否困難之后，利用ZEMAX光學設計軟件包進行多次優(yōu)化，最后完成可見光譜光學系統(tǒng)，圖1為設計結果光學系統(tǒng)示意圖，由物端到成像端于光軸上由3片鏡片和一個光闌所組成，第一、第三鏡片為雙凸透鏡，第二鏡片為雙凹透鏡，其鏡片的兩面均為球面，光闌置于第二鏡片及第三鏡片之間，三個鏡片的折射率均小1.7。

圖2為鏡頭裝配圖，光學鏡片A、B、C固定在隔圈G上，鏡座F與套筒E螺紋配合固定。本系統(tǒng)結構設計的重點首先是保證軸向間隔，A、B片間隔靠保證B片的整平矢高來保證。B、C片間隔靠G-隔圈的中間和口徑來保證；其次保證光和機械同心度。三片鏡片外徑與球面的同心度靠定心磨邊來保證。三片鏡片外徑與G-隔圈的同軸精度配合，和G-隔圈與F-鏡座同軸精度配合來保證光和機械同心度。同時對F-鏡座的外螺紋應當有與內(nèi)孔同心度要求。

圖3 最終像質(zhì)分析圖

該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如圖3(a)所示,鏡頭的特征頻率為50lp/mm時，0.85視場MTF≥0.5。四個視場的點列圖如圖3(b)所示，從點列圖可以看出，軸上彌散均方根半徑為4.715μm，0.5視場均方根半徑為6.066μm，0.7視場均方根半均為6.596μm，全視場均方根半徑為7.292μm，所以在“像面上的彌散斑很小，即分辨率很高”。[4,5]從圖3(c)可知，邊緣照度為中心照度的50%。根據(jù)經(jīng)驗可知，當邊緣照度為中心的50% ~ 60%時，人眼還不易分辨，因此該系統(tǒng)適當采用漸暈是允許的。如圖3(d)給出了平衡后的場曲和畸變圖，像散的最大值約為0.02mm，場曲大小約為0.08mm，畸變大小約為-1.32%，表明本光學系統(tǒng)具有較好的對稱性。

4 結束語

通過合理的結構選型和優(yōu)化設計，并充分考慮加工工藝和結構成本要求，可獲得的一種結構簡單的手機鏡頭。該產(chǎn)品設計合理，實用性強，預測該產(chǎn)品將有較好的市場前景。

[1]徐加軍,陳燕平,余飛鴻.手機模組生產(chǎn)線被動自動對焦技術研究[J].光學儀器,2006,28（3）：28-29.

[2]H.Ditteon著,詹涵菁譯.現(xiàn)代幾何光學[M].長沙：湖南大學出版社，2004：154-155.

[3]黃城,溫同強,路建華,等. 200萬像素手機攝像鏡頭的設計[J]. 應用光學, 2008,29(5):767-771.

[4]李景鎮(zhèn).光學手冊[M].西安：陜西科學技術出版社,1986：135-145.

[5]李曉彤.幾何光學與光學設計[M].杭州：浙江大學出版社,1997：233-234.

The lens design of mobile camera phone

ZHUANG Zhen-feng

（Department of Mechanical and Automation Engineering,Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000,China)

In this paper a mobile camera phone of optical system are discussed. The optical configuration of triplet was adopted, and obtained the optical model results of mobile camera phone lens in the optical software ZEMAX. The designed results of mobile camera phone lens are given, focal length f=4.5mm,fNo=2.8, MTF≥0.5，50lp/mm, image diameter is 4.5mm, total length of lens is less than 8mm, relative distortion maximum is less than 4%. Analysis of design results suggests that this optical system can satisfy rigid performance specification. The design of mobile camera phone lens could be comprehensive used in mid-end or low end mobile phone.

Mobile phone；Image quality；Aberration；ZEMAX

2009－10－20

莊振峰（1983－），男，福建泉州市人，助教，碩士，研究方向：光機設計。

TB852.1

A

1673-1417（2010）01-0011-03

（責任編輯：季平）