黃耀林, 王 敏, 郭王凱

(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 福州 350007)

引 言

隨著智能手機(jī)的快速發(fā)展,人們?cè)谧非蟾呦袼亍⒏呦褓|(zhì)的拍照效果的同時(shí)對(duì)手機(jī)鏡頭的要求也不斷提高。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),手機(jī)鏡頭的像素?cái)?shù)從11萬(wàn)、30萬(wàn)逐漸發(fā)展到300萬(wàn)、500萬(wàn)、800萬(wàn),甚至達(dá)到千萬(wàn),隨著手機(jī)功能不斷增加和越來(lái)越趨于輕薄化,攜帶方便、功能齊全的智能手機(jī)大有取代低端數(shù)碼相機(jī)的趨勢(shì)。非球面加工工藝和COMS加工技術(shù)的發(fā)展,為研究高像素、輕薄化的手機(jī)鏡頭創(chuàng)造了條件。近年來(lái)主要的手機(jī)鏡頭有:薛雷濤等[1]設(shè)計(jì)的一款800萬(wàn)像素的手機(jī)鏡頭,其F數(shù)為2.1,視場(chǎng)角為81°;尹志東等[2]設(shè)計(jì)的一款1 300萬(wàn)像素的手機(jī)鏡頭,其F數(shù)為2.2,視場(chǎng)角為78°;于艇等[3]設(shè)計(jì)的折衍混合式的1 300萬(wàn)像素的手機(jī)鏡頭。鑒于此,本文設(shè)計(jì)了一款由6片塑料非球面鏡片組成的手機(jī)鏡頭,其F數(shù)為2,總像素?cái)?shù)達(dá)到1 600萬(wàn),相比國(guó)內(nèi)已公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn),該鏡頭像素?cái)?shù)最高,總長(zhǎng)為5 mm,保證了智能手機(jī)的小型化特點(diǎn)。

表1 CMOS規(guī)格Tab.1 Parameters of CMOS

注:1 in=25.4 mm

1 圖像傳感器的選擇

目前CCD與CMOS是成像領(lǐng)域使用的主流圖像傳感器件。隨著科技的發(fā)展,集成電路技術(shù)和工藝水平得到進(jìn)一步提高,CMOS的性能日漸成熟。由于CMOS 具有價(jià)格低、集成化程度高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低、讀出速率高等優(yōu)點(diǎn)[4],廣泛應(yīng)用于可拍照手機(jī)。本設(shè)計(jì)選用Omnivision公司生產(chǎn)的OV16880型號(hào)的CMOS,其規(guī)格如表1所示。

2 光學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 材料的選取

光學(xué)塑料具有透光性好、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)[5],考慮到生產(chǎn)成本以及智能手機(jī)輕薄化的特點(diǎn),手機(jī)鏡頭通常采用光學(xué)塑料作為透鏡材料。本設(shè)計(jì)的第1、3、5片透鏡采用APL5514材料,折射率為1.544 102,阿貝數(shù)為56.114 3。第2、4片透鏡采用OKP4材料,折射率為1.607 265,阿貝數(shù)為26.646 7。第6片透鏡采用E48R材料,折射率為1.531 160,阿貝數(shù)為56.043 8。

與球面相比,非球面有以下明顯的優(yōu)勢(shì):可以有效校正場(chǎng)曲、像散、球差等7種像差,從而提高成像質(zhì)量;可以有效減少鏡片片數(shù),減小系統(tǒng)質(zhì)量,從而節(jié)約成本。

2.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

鏡頭的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.2 Design specification

2.3 初始結(jié)構(gòu)的選擇

傳統(tǒng)的球面透鏡從中心到邊緣只有一個(gè)恒定的曲率,為了保證成像質(zhì)量,通常采用多個(gè)透鏡組合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)來(lái)校正像差[6],而非球面的曲率從透鏡中心到邊緣連續(xù)變化,使用較少片數(shù)的非球面透鏡就能夠很好地校正7種像差。所以手機(jī)鏡頭研究的重點(diǎn)在于非球面的設(shè)計(jì),采用偶次非球面對(duì)鏡片面型進(jìn)行描述,可表示為[7]

(1)

式中:c為非球面頂點(diǎn)處的曲率;k為二次圓錐系數(shù);r為非球面上任一點(diǎn)到光軸的距離;α為系數(shù)。

初始結(jié)構(gòu)通常采用計(jì)算法或者查找專利獲取。由于系統(tǒng)全部采用非球面透鏡,使用計(jì)算法獲取初始結(jié)構(gòu)非常困難,本文通過(guò)選取合理的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。市場(chǎng)上主流的1 600萬(wàn)像素手機(jī)鏡頭通常采用光闌前置的6片非球面塑料透鏡,本設(shè)計(jì)選用的初始結(jié)構(gòu)來(lái)源于美國(guó)專利9316811[8],F數(shù)為2.35,視場(chǎng)角為72°,結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1 初始結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Preliminary structure

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo),利用Zemax軟件對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

(1) 將各個(gè)透鏡的半徑、conic、鏡片厚度、空氣間隔、偶次非球面系數(shù)設(shè)為變量。采用像高設(shè)置0、0.3、0.5、0.7、0.85和1視場(chǎng),波長(zhǎng)選擇可見(jiàn)光,合理分配波長(zhǎng)和視場(chǎng)的權(quán)重。建立默認(rèn)評(píng)價(jià)函數(shù),采用RMS+SpotRadius+Centroid,Rings和Arms采用6環(huán)6臂。

(2) 初步優(yōu)化,使用TOTR操作數(shù)控制總長(zhǎng),MNEG和MNCG操作數(shù)控制鏡片厚度,MNEA和MNCA操作數(shù)控制空氣間隔。為了避免鏡片太薄不利于實(shí)際加工,通?？刂歧R片的中心厚度大于0.35 mm,邊緣厚度大于0.3 mm。初步優(yōu)化時(shí)將總長(zhǎng)限制相應(yīng)放寬,進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)再逐步縮短總長(zhǎng)。優(yōu)化過(guò)程中若某個(gè)鏡片厚度或空氣間隔變化過(guò)于敏感,可將相應(yīng)鏡片的厚度及空氣間隔固定,優(yōu)化幾圈待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后再逐一放開(kāi)。若某一面的conic趨于無(wú)限大,可使用COVA操作數(shù)進(jìn)行限制。

(3) 進(jìn)一步優(yōu)化,視場(chǎng)角和CRA用操作數(shù)RAID進(jìn)行限制,鏡頭后截距用復(fù)合操作數(shù)FTGT、TTHI、SUMM和OPGT控制,添加復(fù)合操作數(shù)DISG和OPGT、OPLT限定畸變,操作數(shù)FCGS和FCGT控制場(chǎng)曲,并給定各操作數(shù)適當(dāng)?shù)臋?quán)重。優(yōu)化過(guò)程中反復(fù)進(jìn)行監(jiān)控和修改,增減權(quán)重、增減操作數(shù),并逐步把F數(shù)降低到2,進(jìn)行全局搜索。

(4) 優(yōu)化后期,待MTF及點(diǎn)列圖基本符合要求后,添加MTFT、MTFS操作數(shù)使MTF進(jìn)一步提高,添加RSCE操作數(shù)使點(diǎn)列圖彌散斑半徑符合要求。進(jìn)行錘形優(yōu)化,在保證設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下,獲得最佳成像質(zhì)量的鏡頭,并進(jìn)行公差分析。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果

經(jīng)過(guò)優(yōu)化,獲得一款結(jié)構(gòu)合理的手機(jī)鏡頭,其F數(shù)為2,視場(chǎng)角為78°,焦距為3.8 mm,后截距為0.7 mm,主光線角小于34.2°,滿足CMOS的耦合條件。優(yōu)化后的鏡頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。 MTF曲線是評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要指標(biāo),MTF值越高,成像質(zhì)量越好。圖3所示為該系統(tǒng)的MTF曲線圖,在250 lp/mm處,全視場(chǎng)的MTF>0.3。圖4所示為相對(duì)照度曲線圖,可以看出相對(duì)照度>40%,符合廣角手機(jī)鏡頭的成像要求。圖5所示為系統(tǒng)的點(diǎn)列圖,通常手機(jī)鏡頭的彌散斑的半徑不能超過(guò)(1.5～1.2)/NL,在這里NL=500 lp/mm,即彌散斑半徑最大不能超過(guò)3 μm,從圖中可以看出,全視場(chǎng)RMS彌散斑半徑<3 μm,符合要求。圖6所示為系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變圖,場(chǎng)曲<0.1 mm,畸變<2%。

圖2 優(yōu)化后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure after optimization

圖3 MTF曲線Fig.3 MTF curves

圖4 相對(duì)照度Fig.4 Relative illumination

圖5 點(diǎn)列圖Fig.5 Spot diagram

圖6 場(chǎng)曲和畸變Fig.6 Field curvature and distortion

4 公差分析

鏡頭內(nèi)部各個(gè)元件對(duì)公差的敏感度是設(shè)計(jì)完成的鏡頭能否投入生產(chǎn)和最終能否裝調(diào)成功的一個(gè)重要因素,如果公差太敏感,對(duì)后期生產(chǎn)、裝調(diào)都帶來(lái)困難,因此有必要對(duì)設(shè)計(jì)好的鏡頭做公差分析。

基于目前非球面的加工工藝,在進(jìn)行公差分析時(shí),將鏡片的厚度以及鏡片間隔的公差設(shè)置為2.5 μm,表面傾斜公差設(shè)置為0.1°,元件偏心公差設(shè)置為2.5 μm。利用Zemax軟件的公差分析功能,用靈敏度分析和蒙特卡羅分析250 lp/mm處鏡頭的公差敏感度。靈敏度分析和蒙特卡羅分析如表3、表4所示。敏感的公差項(xiàng)在生產(chǎn)加工過(guò)程中需嚴(yán)格把控。根據(jù)蒙特卡羅分析,90%以上的樣本MTF>0.205 546 53,公差分析結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的鏡頭加工工藝性良好。

基于非球面成型實(shí)際加工需要,塑料鏡片在成型工藝和模具制造上都有一定的要求,要保證鏡片的中心厚度>0.35 mm邊緣厚度盡量要在0.3 mm以上,否則太薄的鏡片注塑機(jī)不易將塑膠注入到模具中[2]。本文在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),用MNEG和MNCG操作數(shù)嚴(yán)格控制鏡片厚度,使得鏡片的中心厚度>0.35 mm,邊緣厚度>0.3 mm,所以本文設(shè)計(jì)的非球面是可將塑膠注入到模具中,完成鏡片成型。

表3 最敏感的公差分析結(jié)果Tab.3 Result ofthe most sensitive tolerance

表4 蒙特卡羅公差分析結(jié)果Tab.4 Result of Monte Carlo tolerance analysis

5 結(jié) 論

根據(jù)市場(chǎng)上主流的手機(jī)鏡頭發(fā)展趨勢(shì),利用Zemax軟件設(shè)計(jì)了一款1 600萬(wàn)像素的手機(jī)鏡頭。該鏡頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,加工工藝性良好,符合手機(jī)鏡頭高像素、輕薄化的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)對(duì)該鏡頭的公差分析,給出了生產(chǎn)中必須嚴(yán)格把控的公差項(xiàng),使所設(shè)計(jì)的鏡頭可用于批量生產(chǎn)。

[1] 薛雷濤,林峰.800萬(wàn)像素超薄廣角手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2015,52(10):102204.

[2] 尹志東,向陽(yáng),高健,等.1 300萬(wàn)像素手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2014,51(1):012202.

[3] 于艇,遲名辰,李艷紅,等.1 300萬(wàn)像素折衍混合式手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,38(6):5-11.

[4] 石東新,傅新宇,張遠(yuǎn).CMOS與CCD性能及高清應(yīng)用比較[J].通信技術(shù),2010,43(12):174-176.

[5] 王之江,顧培森.實(shí)用光學(xué)技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:631-632.

[6] 陳曦,史江一,楊禮,等.500萬(wàn)像素手機(jī)攝像頭優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技論文,2015,10(5):617-620.

[7] 李曉彤,岑兆豐.幾何光學(xué)·像差·光學(xué)設(shè)計(jì)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2014:246.

[8] CHEN W Y.Photographing lens assembly,image capturing device and mobile terminal:US,9316811[P].2016-04-19.