董永圣，叢京洲，李艷紅，付躍剛

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春130022；2.舜宇光學(xué)科技（集團(tuán)）有限公司，寧波 315000）

超薄高清手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

董永圣1，叢京洲2，李艷紅1，付躍剛1

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春130022；2.舜宇光學(xué)科技（集團(tuán)）有限公司，寧波 315000）

現(xiàn)代生活中，手機(jī)已經(jīng)成為了人們生活中必不可少的一部分，照相功能作為手機(jī)的基本功能也越來越受到消費者的關(guān)注。市場上用戶已經(jīng)把手機(jī)性能的選擇照相指標(biāo)作為首位；高像素實用型照相手機(jī)已經(jīng)成為廣大消費者競相首選的對象，因此，設(shè)計一款高像素輕薄型手機(jī)鏡頭具有重要的現(xiàn)實意義。圍繞焦距是3.5mm手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，首先介紹了手機(jī)鏡頭的發(fā)展趨勢，研究目的、意義以及光學(xué)鏡頭設(shè)計的參數(shù)要求。介紹了手機(jī)鏡頭的相關(guān)知識、同時也研究了作為手機(jī)鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的特點及類型等。設(shè)計了焦距是3.5mm手機(jī)鏡頭，系統(tǒng)尺寸緊湊4.149mm；傳遞函數(shù)在中頻223lp/mm處MTF≥0.4，在高頻446lp/mm處MTF≥0.1，場曲小于0.1mm、畸變小于1%。通過對所設(shè)計的手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)的公差分析，結(jié)果表明公差合理。

手機(jī)鏡頭；光學(xué)設(shè)計；公差分析；系統(tǒng)優(yōu)化

手機(jī)鏡頭的研發(fā)工作始于20世紀(jì)90年代，世界第一款照相手機(jī)是由夏普和日本當(dāng)時第三大移動運營商J-PHONE（現(xiàn)在的日本沃達(dá)豐）在2000年合作推出的J-SH04手機(jī)。當(dāng)時這款照相手機(jī)只配備了一個11萬像素的CMOS數(shù)碼相機(jī)鏡頭。盡管該手機(jī)拍攝的畫面質(zhì)量比較差，但是J-SH04開創(chuàng)了拍照手機(jī)的先河［1］?，F(xiàn)在手機(jī)已經(jīng)成為了大眾生活必不可少的通訊工具，手機(jī)鏡頭也從最初的十幾萬像素迅速發(fā)展到現(xiàn)在的幾百萬像素，甚至上千萬像素的手機(jī)鏡頭也已出現(xiàn)。但是大部分高檔手機(jī)鏡頭都被國外一些制造商所壟斷，國內(nèi)生產(chǎn)的高品質(zhì)鏡頭非常有限；因此設(shè)計一款超薄高像素且工藝合理性價比良好的手機(jī)鏡頭具有一定的實用意義。本文設(shè)計了一款焦距3.5mm的超薄手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)；對最后像質(zhì)進(jìn)行了像質(zhì)評價，并且根據(jù)具體加工情況做了公差分析。

1 感光器件的選取

不論是照相手機(jī)還是數(shù)碼相機(jī)要有高的成像質(zhì)量，僅有好的光學(xué)鏡頭是不夠的，還需高質(zhì)量與之相匹配的感光器件。因此隨著數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)相機(jī)的應(yīng)用，圖像傳感器的研究也得到了很好的發(fā)展，目前最常用的兩種圖像傳感器是CCD和CMOS［2］。

CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點［3］。目前來看CCD主要使用在靈敏度、分辨率等要求較高的場合，如高端數(shù)碼相機(jī)、軍用光學(xué)系統(tǒng)、航天相機(jī)等。而CMOS則在數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)鏡頭中廣泛使用。

本文采用OmniVision公司的一款型號為OV8856的800萬像素CMOS圖像傳感器作為設(shè)計鏡頭的配套接收器。這款圖像傳感器的尺寸為4.5mm（1/4英寸），像元尺寸為1.12μm。OV8856的主要規(guī)格指標(biāo)如表1所示：

表1 OV8856主要規(guī)格指標(biāo)

2 設(shè)計指標(biāo)

800萬像素手機(jī)鏡頭具體設(shè)計指標(biāo)如表2所示：

表2 鏡頭的設(shè)計指標(biāo)

3 設(shè)計思路

3.1 初始結(jié)構(gòu)選取依據(jù)

本次鏡頭采用的結(jié)構(gòu)形式為4P，即4片塑料。初始結(jié)構(gòu)參考了視場和光圈與本設(shè)計要求相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，其焦距f=3.99mm，后焦距fB=1mm，F(xiàn)=3，像高2Y=4.6mm。所選用的材料是聚碳酸酯TE02和E48R。TE02折射率及阿貝數(shù)分別為：2.2747，16.223。E48R的折射率和阿貝數(shù)分別是：1.531，56.04。第五片鏡為平面鏡用保護(hù)玻璃，第六片截止濾光片。初始結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖與初始傳遞函數(shù)曲線圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 初始結(jié)構(gòu)圖

圖2 初始傳遞函數(shù)曲線

3.2 具體像差優(yōu)化過程

手機(jī)鏡頭的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)源于照相物鏡的三片式及四片式，由于手機(jī)鏡頭結(jié)構(gòu)的需求，所以將整個系統(tǒng)的光闌前置，最早數(shù)碼鏡頭也有將光闌后置的結(jié)構(gòu)［4］；由于光闌的前置導(dǎo)致了系統(tǒng)相對光闌的不對稱，使得垂軸像差增大；所以現(xiàn)在設(shè)計的手機(jī)鏡頭大部用非球面來校正其像差；非球面的使用更大的一個優(yōu)點是可以在和球面系統(tǒng)相同像質(zhì)的情況下大大的提高其設(shè)計參數(shù)及壓縮整個系統(tǒng)的鏡片數(shù)［5］。由于大批量生產(chǎn)的需要，現(xiàn)在手機(jī)鏡片均用光學(xué)塑料材料來進(jìn)行設(shè)計，塑料材料和光學(xué)玻璃相比較，其性能還是有一定差異；首先可用的塑料材料品種有限，其折射率大部分也比較低，由于這些原因?qū)ο癫畹男Ｕ痛嬖谥欢ǖ木窒扌?，因此這點也會增加非球面的數(shù)量及高次項來校正像差；透過率也會明顯比光學(xué)玻璃低很多，但透過率可以通過鍍膜來解決。

從初始數(shù)據(jù)來看各種像差都未能滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)長度也比要求的長；首先加入控制傳遞函數(shù)的操作數(shù)MTFA、MTFT、MTFS；然后加入控制慧差的組合操作數(shù)TRAY、SUMM、CONS、PROD；在控制像差的同時也要控制結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)的間隔及厚度既能可變，又能保證合理；所以需要控制鏡片的中心厚度，邊緣厚度，空氣間隔等操作數(shù)分別是MNCA、MNCG、MNEA、MNET［6］。經(jīng)過一段時間優(yōu)化發(fā)現(xiàn)場曲及畸變同樣不滿足設(shè)計要求，逐步加入控制場曲的操作數(shù)FCGS、FCGT；畸變的操作數(shù)DIMX，畸變的操作數(shù)可以控制最大視場，當(dāng)畸變不在最大視場時也可分別控制不同的視場使每個視場的畸變都能滿足設(shè)計要求；同時將各個面都變成非球面并且逐步將高次項系數(shù)變?yōu)榭勺?。在逐步?yōu)化傳遞函數(shù)的同時也將各個視場不同頻率的操作數(shù)也加進(jìn)去；控制各個像差的同時一定注意系統(tǒng)的總長度、焦距值、像面照度均勻度等；經(jīng)過不斷修正優(yōu)化目標(biāo)和權(quán)重及增加所需要校正像差及指標(biāo)的操作數(shù)，最終得到滿足設(shè)計要求的結(jié)果［7］。

4 設(shè)計結(jié)果及分析

優(yōu)化后鏡頭各個指標(biāo)滿足設(shè)計要求，其最后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。光學(xué)總長度為4.149mm，焦距和后工作距離分別為3.5mm和0.57mm，視場為67.3°，像高2.25×2=4.5mm，滿足CMOS的對角線4.5mm，主光線最大出射角（CRA）小于32.9°，滿足CMOS耦合的條件［8］

圖3 最終結(jié)果結(jié)構(gòu)圖

4.1 光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)

MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）能全面評價一個光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，它是在光學(xué)設(shè)計完成后，不需要進(jìn)行試制就能比較具體了解光學(xué)系統(tǒng)的實際成像能力的重要評價指標(biāo)［8］。此鏡頭依據(jù)COMS的像元尺寸計算其系統(tǒng)傳遞函數(shù)應(yīng)為446lp/mm。由圖4可以看出，在中頻處223lp/mm其MTF值大于0.5，因為中頻反應(yīng)了一個照相物鏡對層次的傳遞能力，中頻像質(zhì)良好，手機(jī)照出的照片才能更有層次感；對于照相鏡頭0.707視場以內(nèi)的區(qū)域是主要成像區(qū)域，對于0.707范圍以外的視場傳遞函數(shù)值允許一定程度的下降，特別是高頻446lp/mm處0.7視場的MTF值均大于0.1，說明該系統(tǒng)在高頻處同樣具有一定的分辨能力。

4.2 場曲畸變

場曲反應(yīng)像面的彎曲程度，對像質(zhì)有很大的影響，COMS的接收面是一個平面，所以場曲校正的比較良好對成像效果起到了很大的作用，圖5中可以看出場曲小于0.1mm；照相系統(tǒng)畸變一般要求在2%以內(nèi)即可，從圖5可以看出畸變小于1%，說明系統(tǒng)的畸變達(dá)到了很好的校正。

圖4 場曲畸變曲線

圖5 傳遞函數(shù)曲線

4.3 色差

色差分為位置色差與倍率色差兩種，而由于倍率色差是和視場角有直接關(guān)系的一種垂軸像差，所以當(dāng)視場角比較大時更應(yīng)注重它的校正，從如圖6可以看出倍率色差在衍射極限范圍內(nèi)，已經(jīng)校正出比較理想的效果。

4.4 相對照度

對于手機(jī)照相光學(xué)系統(tǒng)來說，一般相對照度愈大越好，隨著視場的增大，將導(dǎo)致出射主光線的角度也越來越大，這樣就會使相對照度下降，一般來說，全視場相對照度大于50%即可。從圖7可以讀出邊緣視場相對照度接近60%，這對于手機(jī)鏡頭是非常良好的指標(biāo)。

圖6 倍率色差曲線

圖7 相對照度曲線

4.5 垂軸像差特性曲線及點列圖

從圖8和圖9可以看出垂軸像差在±50μm之內(nèi)，點列圖在全視場RMS（均方根差）小于3.38μm，也達(dá)到了比較良好的效果。

圖8 垂軸像差特性曲線

圖9 點列圖曲線

5 公差分析

5.1 公差的設(shè)置

鏡片的加工工藝水平?jīng)Q定了系統(tǒng)公差的大小，所以在設(shè)計階段要充分考慮到系統(tǒng)的公差大?。蝗绻到y(tǒng)容忍的公差很小，就有可能就超過現(xiàn)代加工工藝所能達(dá)到的指標(biāo)，最終導(dǎo)致試制失敗。

非球面塑料鏡片可以采用模壓成形技術(shù)，模壓成形技術(shù)的光學(xué)元件直徑2mm～50mm，直徑公差±0.01mm，厚度為0.4mm～25mm，厚度公差為±0.01mm，面形精度可達(dá)到1.5λ［9］。ZEMAX提供了一個使用簡單，但靈活和強(qiáng)大的公差推導(dǎo)和靈敏度分析能力。這個用于分析的公差包括了結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，如曲率、厚度、位置、折射率、阿貝常數(shù)、非球面稀疏，以及其他更多的參數(shù)［10］。

進(jìn)行公差初始公差給定如下：光圈給定1個圈，厚度公差0.005mm、鏡片傾斜角度1分、局部光圈0.1，用后截距作為補(bǔ)償量設(shè)為0.01mm；在用幾何傳遞函數(shù)平均值作為評價函數(shù)在223lp/mm不同視場進(jìn)行了公差分析如圖10所示：

圖10 公差值參數(shù)設(shè)置

5.2 公差分析結(jié)果

圖11是以幾何傳遞函數(shù)作為評價函數(shù)，用靈敏度分析方法進(jìn)行公差分析的幾組數(shù)據(jù)。圖11是空間頻率223lp/mm時的各個視場的傳遞函數(shù)數(shù)值在有公差時的變化情況：

圖11 空間頻率為223lp/mm時不同視場的傳遞函數(shù)值

圖12是后工作距補(bǔ)償情況下，90%、50%、10%的產(chǎn)品所能達(dá)到的傳遞函數(shù)，從數(shù)據(jù)中可以看出90%產(chǎn)品在0.7視場內(nèi)傳遞函數(shù)達(dá)到0.14，50%達(dá)到0.29，10%達(dá)到0.33；產(chǎn)品能達(dá)到的合格率還是很高的。

圖12 對量產(chǎn)合格率的評估

通過上述分析在后截距0.01像面補(bǔ)償?shù)那闆r下在223lp/mm處傳遞函數(shù)的改變值很小，完全能滿足使用要求，在446lp/mm因為設(shè)計的傳遞函數(shù)值就不是很高；具有一定公差時也會有所下降，但基本保證能夠被CMOS所分辨。

6 結(jié)論

運用ZEMAX光學(xué)軟件從對初始鏡頭的選取進(jìn)行了一系列優(yōu)化設(shè)計，得到了一款成像質(zhì)量較高超薄手機(jī)鏡頭。該手機(jī)鏡頭使用的是OmniVision公司生產(chǎn)的的圖像傳感器OV8856，該圖像傳感器的像元尺寸是1.12μm×1.12μm。系統(tǒng)設(shè)計最終結(jié)果鏡頭整體尺寸僅為4.149mm，0.7視場以內(nèi)的傳遞函MTF大于0.4在中頻223lp/mm，高頻446lp/mm處0.7視場的傳遞函數(shù)值均大于0.1；場曲畸變也均控制在理想范圍內(nèi)，像質(zhì)比較良好；由于系統(tǒng)尺寸比較短便于手機(jī)的輕巧型模組使用，鏡頭像素達(dá)到800萬。

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Optical System Design and Tolerance Analysis of Ultra-thin HD Mobile Phone Lens

DONG Yongsheng1，CONG Jingzhou2，LI Yanhong1，F(xiàn)U Yuegang1
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Sunny Optical Technology（Group）Co.，Ltd，Ningbo 315000）

Mobile phone has become an essential part of our life imperceptibly.The camera as the basic function of mobile phones is also concerned by consumers more and more.High pixels practical camera phones have become the object pursued by the majority of consumers.Therefore，designing a high-pixel mobile phone camera has important practical significance.In this paper，the design of 3.5mm focal length lens optical system launched mobile phone is researched.At first，the development trend of mobile phone camera as well as the purpose and significance of research projects are introduced，the optical lens design parameters are proposed.Then the mobile phone camera-related knowledge and aberration theory and ZEMAX optical design software are introduced.Finally，the initial structure selection and optimization process of the optical system with the focal length-3.5mm are focused on.The design results show that the size of system with 4.149mm is compact.The MTF is more than 0.4at223lp/mm，The MTF is more than 0.1 at446lp/mm.The curvature of field is smaller than 0.2mm，and the distortion is smaller than1%.Through tolerance analysis，the result shows that tolerance are feasible.

camera lens of mobile phone；optical design；error analysis；system optimization

NT29

A

1672-9870（2017）04-0033-05

2016-11-20

董永圣（1989-），男，碩士研究生，E-mail：187034098@qq.com

付躍剛（1972-），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：fuyg@cust.edu.cn