超薄高清手機鏡頭光學系統設計

董永圣，叢京洲，李艷紅，付躍剛

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

超薄高清手機鏡頭光學系統設計

董永圣1，叢京洲2，李艷紅1，付躍剛1

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

現代生活中，手機已經成為了人們生活中必不可少的一部分，照相功能作為手機的基本功能也越來越受到消費者的關注。市場上用戶已經把手機性能的選擇照相指標作為首位；高像素實用型照相手機已經成為廣大消費者競相首選的對象，因此，設計一款高像素輕薄型手機鏡頭具有重要的現實意義。圍繞焦距是3.5mm手機鏡頭光學系統進行設計，首先介紹了手機鏡頭的發展趨勢，研究目的、意義以及光學鏡頭設計的參數要求。介紹了手機鏡頭的相關知識、同時也研究了作為手機鏡頭的光學系統初始結構的特點及類型等。設計了焦距是3.5mm手機鏡頭，系統尺寸緊湊4.149mm；傳遞函數在中頻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%。通過對所設計的手機鏡頭光學系統的公差分析，結果表明公差合理。

手機鏡頭；光學設計；公差分析；系統優化

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

1 感光器件的選取

不論是照相手機還是數碼相機要有高的成像質量，僅有好的光學鏡頭是不夠的，還需高質量與之相匹配的感光器件。因此隨著數碼相機、手機相機的應用，圖像傳感器的研究也得到了很好的發展，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，如高端數碼相機、軍用光學系統、航天相機等。而CMOS則在數碼相機、手機鏡頭中廣泛使用。

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的主要規格指標如表1所示：

表1 OV8856主要規格指標

2 設計指標

800萬像素手機鏡頭具體設計指標如表2所示：

表2 鏡頭的設計指標

3 設計思路

3.1 初始結構選取依據

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

圖1 初始結構圖

圖2 初始傳遞函數曲線

3.2 具體像差優化過程

手機鏡頭的系統結構源于照相物鏡的三片式及四片式，由于手機鏡頭結構的需求，所以將整個系統的光闌前置，最早數碼鏡頭也有將光闌后置的結構［4］；由于光闌的前置導致了系統相對光闌的不對稱，使得垂軸像差增大；所以現在設計的手機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點是可以在和球面系統相同像質的情況下大大的提高其設計參數及壓縮整個系統的鏡片數［5］。由于大批量生產的需要，現在手機鏡片均用光學塑料材料來進行設計，塑料材料和光學玻璃相比較，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，由于這些原因對像差的校正就存在著一定的局限性，因此這點也會增加非球面的數量及高次項來校正像差；透過率也會明顯比光學玻璃低很多，但透過率可以通過鍍膜來解決。

從初始數據來看各種像差都未能滿足設計要求，系統長度也比要求的長；首先加入控制傳遞函數的操作數MTFA、MTFT、MTFS；然后加入控制慧差的組合操作數TRAY、SUMM、CONS、PROD；在控制像差的同時也要控制結構，使得系統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，空氣間隔等操作數分別是MNCA、MNCG、MNEA、MNET［6］。經過一段時間優化發現場曲及畸變同樣不滿足設計要求，逐步加入控制場曲的操作數FCGS、FCGT；畸變的操作數DIMX，畸變的操作數可以控制最大視場，當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變為可變。在逐步優化傳遞函數的同時也將各個視場不同頻率的操作數也加進去；控制各個像差的同時一定注意系統的總長度、焦距值、像面照度均勻度等；經過不斷修正優化目標和權重及增加所需要校正像差及指標的操作數，最終得到滿足設計要求的結果［7］。

4 設計結果及分析

優化后鏡頭各個指標滿足設計要求，其最后的結構如圖3所示。光學總長度為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 最終結果結構圖

4.1 光學調制傳遞函數

MTF（調制傳遞函數）能全面評價一個光學系統的成像質量，它是在光學設計完成后，不需要進行試制就能比較具體了解光學系統的實際成像能力的重要評價指標［8］。此鏡頭依據COMS的像元尺寸計算其系統傳遞函數應為446lp/mm。由圖4可以看出，在中頻處223lp/mm其MTF值大于0.5，因為中頻反應了一個照相物鏡對層次的傳遞能力，中頻像質良好，手機照出的照片才能更有層次感；對于照相鏡頭0.707視場以內的區域是主要成像區域，對于0.707范圍以外的視場傳遞函數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

場曲反應像面的彎曲程度，對像質有很大的影響，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；照相系統畸變一般要求在2%以內即可，從圖5可以看出畸變小于1%，說明系統的畸變達到了很好的校正。

圖4 場曲畸變曲線

圖5 傳遞函數曲線

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系的一種垂軸像差，所以當視場角比較大時更應注重它的校正，從如圖6可以看出倍率色差在衍射極限范圍內，已經校正出比較理想的效果。

4.4 相對照度

對于手機照相光學系統來說，一般相對照度愈大越好，隨著視場的增大，將導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%，這對于手機鏡頭是非常良好的指標。

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，點列圖在全視場RMS（均方根差）小于3.38μm，也達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 公差的設置

鏡片的加工工藝水平決定了系統公差的大小，所以在設計階段要充分考慮到系統的公差大小；如果系統容忍的公差很小，就有可能就超過現代加工工藝所能達到的指標，最終導致試制失敗。

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

進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，用后截距作為補償量設為0.01mm；在用幾何傳遞函數平均值作為評價函數在223lp/mm不同視場進行了公差分析如圖10所示：

圖10 公差值參數設置

5.2 公差分析結果

圖11是以幾何傳遞函數作為評價函數，用靈敏度分析方法進行公差分析的幾組數據。圖11是空間頻率223lp/mm時的各個視場的傳遞函數數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值

圖12是后工作距補償情況下，90%、50%、10%的產品所能達到的傳遞函數，從數據中可以看出90%產品在0.7視場內傳遞函數達到0.14，50%達到0.29，10%達到0.33；產品能達到的合格率還是很高的。

圖12 對量產合格率的評估

通過上述分析在后截距0.01像面補償的情況下在223lp/mm處傳遞函數的改變值很小，完全能滿足使用要求，在446lp/mm因為設計的傳遞函數值就不是很高；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 結論

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

［1］王之江.現代光學應用技術手冊：下冊［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［2］王旭東，葉玉堂.CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發展趨勢［J］.電子設計工程，2010，18（11）：178-181.

［3］Qiao N.Effect of CCD nonlinearity on spectrum distribution［J］.Optik-International Journal for Light and Electron Optics，2016，127（20）：8607-8612.

［4］劉茂超，張雷，劉沛沛，等.300萬像素手機鏡頭設計［J］.應用光學，2008，29（6）：944-948.

［5］張萍，王誠，宋東璠，等.500萬像素手機鏡頭設計［J］.應用光學，2009，30（6）：934-938.

［6］李廣，汪建業，張燕，等.800萬像素手機鏡頭的設計［J］.應用光學，2011，32（3）：420-425.

［7］汪振海.高像質手機鏡頭設計技術研究-130萬手機鏡頭［D］.南京：南京理工大學，2006.

［8］朱勇建，陳逢軍，尹韶輝.基于玻璃非球面的手機鏡頭設計［J］.中國科技論文在線，2011，6（8）：557-562.

［9］王之江.現代光學用用技術手冊：上冊［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［10］黃航星，金偉民，魯丁.一款超薄非球面手機鏡頭設計［J］.應用光學，2010（3）：365-369.

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

DONG Yongsheng1，CONG Jingzhou2，LI Yanhong1，FU 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，博士生導師，E-mail：fuyg@cust.edu.cn