高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真毕业论文.docx
《高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真毕业论文.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真毕业论文
本科毕业设计（论文）
高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真
中文摘要
英文摘要
高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真
摘要
快速发展的手机照相功能，让我们对照片的清晰度要求越来越高，一些低端的数码相机早已逐步由拥有高分辨率的手机摄像头逐渐取代了，但在目前市场照相手机中高像素拍照手机的占绝大部分，800万像素的手机在市场中高比率占有正式因为这样，对研究高分辨率手机镜头有着重大的意义。
文章中总结了手机镜头的国外发展的基础上，结合了光学非球面以与像差理论，使用ZEMAX软件，进行光学设计得到了一个800万像素的超薄手机镜头。
该镜头由4片光学塑料非球面透镜组成，优化是通过ZEMAX软件的功能，并最终获得一个高像素超薄成像结构，总长仅3.21mm且具有优良性能、成本低廉，满足设计要求的手机镜头。
关键词：
手机镜头；800万像素；塑料非球面；ZEMAX
OPTICALDESIGNANDPERFORMANCESIMULATIONOFHIGHRESOLUTIONMOBILEPHONELENS
ABSTERACT
Therapiddevelopmentofmobilephonecamerafunction,sothatwearemoreandmoredemandingonthephotos,somelow-enddigitalcamerahaslongbeengraduallyreplacedbyahigh-resolutionmobilephonecamera,butinthecurrentmarketcameraphonehighpixelcameraphoneOfthevastmajorityofthe8millionpixelmobilephonemarketinthehighproportionofpossessionoftheformalbecauseofthis,thestudyofhigh-resolutionmobilephonelenshasgreatsignificance.Thearticlesummedupthedevelopmentofmobilephoneathomeandabroadonthebasisofthecombinationofopticalasphericandaberrationtheory,theuseofZEMAXsoftware,opticaldesignhasbeena8millionpixelultra-thinmobilephonelens.ThelensconsistsoffouropticalplasticasphericallensesthatareoptimizedbythefunctionoftheZEMAXsoftwareandeventuallygetahighpixelultra-thinimagingstructurewithatotallengthofonly3.21mmandwithexcellentperformance,lowcosttomeetthedesignrequirementsofthephonelens.
KEYWORDSmobilephonelens;eightmillionpixels;plasticaspheric;ZEMAX
1绪论
1.1引言
在当今社会,手机已成为人们日常生活的必需品。
手机作为最基本的通信手段之一,已经被赋予了更多的实用功能,摄像机的性能已经成为衡量手机综合性能的重要标准。
现在的手机已经拥有高端镜头和入门级数码相机可以媲美摄影成像性能,但随着微型光学镜头和图像处理技术的发展,手机彩信和移动互联网技术的不断涌现,实时记录手机独特的快速共享功能是一大亮点,人们喜欢用手机进行记录美好的瞬间和实时图像,并与朋友和家人共享实时。
因此,为了获得更好的拍摄效果和质量人们也是不断地开发与研究,研制高像素手机镜头已经成为一种趋势。
成像质量高、便携性好的手机摄像头将越来越普与。
随着手机和手机摄像头镜片加工技术的突破,随着光学加工、精密机械和电子电路技术的不断发展与更新,一些低端的数码相机被手机取代,和一些高质量的影像如数码相机也已经被高像素镜头的手机取代。
单反相机,价格更昂贵,且操作复杂,体积和重量让他无法被复制。
相比之下,高像素手机正成为首选。
目前市面上800万像素以下的手机占据了大部分市场,画面质量并不理想,因此设计高质量的成像,简单的手机镜头结构显得尤为迫切和重要。
1.2手机镜头与数码相机镜头比较
现在几乎所有的手机都有摄像头,同时,手机摄像头会迅速改变。
如手机的数码相机功能,它的卖点不是数码相机的功能,是在给定的MMS无线传输、实时共享等特点。
但进入3G[1]时代以来,充分证明手机在人们进行视频通话的功能是非常有前途的,和朋友从简单的语音通话到视频通信,它更能吸引消费者,手机摄像头可以实现数字图像通信是基于数码相机完全无法匹敌的。
移动摄像机镜头和数码相机镜头的特点和结构有许多不同之处,可以从以下几个方面进行比较:
（1）侧重点不同
移动相机镜头专注于如何最好的成像性能可以实现在有限的长度围。
这是微透镜的主要追求,保证图像质量的前提下,缩短光学镜头的最大总长度，数码相机镜头的总长度是没有那么严格,可以把体积和空间做的比较大,它是图像质量的主要追求,如何得到图像的高质量是关注的焦点。
（2）镜片的数目不同
手机相机镜头紧凑,这限制了透镜的数目,他们大多是4片左右。
为了提高数码相机的成像质量,更多的镜头可以不受限制地使用,这更有利于提高图像质量,所以数码相机的镜头一般超过5片。
（3）加工难度不同
手机相机通常使用塑料非球面,近年来,中国的塑料加工技术的非球面零件有很大的进步,但还没有形成一个成熟的、完整的系统[2]。
普通数码相机的使用玻璃球面具有性能稳定、技术成熟、易于加工。
会使用更多的非球形玻璃高端数码相机因为在球面像差的光学设计,彗差,散光和畸变，像差校正、非球面表面往往有更好的效果。
可以有效地改善图像质量,减少光学元件的数量,大大减轻摄像机的重量。
（4）光敏元件不同
目前市场上有两种光敏元件。
一个是CCD器件的电荷耦合器件,价格比较昂贵,但技术成熟,灵敏度高,噪声低,成像效果好。
另一个是CMOS[3]互补金属氧化物半导体，其制造成本相对较低,功耗小,集成度高。
光敏元件通常用来移动照相机镜头。
在数码相机的发展中,光敏元件的面积不能占太多,但在追求更好的成像,更好利用纯彩色屏幕。
感光元件比较大,数码单反的应用基本上是一个光敏元件的APS规格,,在高端机器中,必须使用全帧传感器。
但这是不可想象的,因为它必然会增加产品的体积,近几年来,随着CMOS工艺的发展,ExmorRCMOS[4]的出现,CMOS传感器克服了许多技术瓶颈,手机镜头使用CMOS图像传感器集成度高的多。
因此,照相手机有以下优点:
1.便携性好,随时携带使用;
2.实时共享,高效快捷;
3.质量稳定、重塑画面;
4.体积小、耗电量小、结构紧凑。
1.3拍照手机国外发展状况
手机或相机的起源始于2000年,那时日本的第三大移动运营商J-Phone推出了世界上第一个j-sh04手机置相机,它配备了11万像素CMOS数码相机的镜头,并配有一个大镜子,能够拍摄355x288像素的照片,虽然画面太差,而且无法与主流配置相比,许多消费者感觉需求量不大的,但它是有照相功能手机的一个里程碑,它使手机相机的快速发展,它的出现,手机厂商已逐渐认识到手机镜头存在价值。
在接下来的两年或三年,如手机摄像头像素也如雨后春笋,一场春雨后有所增加,如索尼P900,有了镜头,你可以拍摄640×480像素,最大分辨率为30万[5]。
虽然这些镜片的质量略有改善,而且价格低,开发周期短,但仍远远低于入门级数码相机,后来也更多地用于低端相手机的第二摄像头。
2003五月,夏普公司重新推出的第一个百万像素摄像头的手机j-sh53,,它有一个100万像素的摄像头,最大分辨率为1144*858像素[6]。
除了支持多种分辨率选择和连续的功能,在j-sh04第一代手机质量的变化,无论是拍摄的清晰度、亮度和色彩还原,接近低端数码相机的水平。
接下来的几天中,技术不再是手机摄影像素的瓶颈,同年十月,日本卡西欧运营商KDDI定制的世界上第一个200万像素的摄像头a5403ca手机,该机采用光敏元件在暗光条件下也CCD表现出色,并支持自动对焦和闪光灯拍摄,它的出现,被称为手机行业的影像学变化的革命。
[7]2004年初,富士通生产的f900i拥有128万像素CCD镜头,11万像素CMOS镜头,两个摄像头可用于视频通话。
同年5月,和卡西欧的冲击,推出了世界上300万像素的摄像头,a5406ca第一手机,它配备了320万英寸的大尺寸CCD感光元件的1/1.8有效像素,照片QXGA（2048x1536像素）可以采取,而非球面镜片的小而薄的。
有利于提高图像质量,也降低了系统结构大小。
从世界上第一个手机百万像素的诞生,到第一个300万像素手机摄像头,只有大约一年的时间,手机摄像头在这个时期是塑料镜头结构3片,与像素数、光学非球面逐渐增大。
图1-1为3芯片的手机镜头的周期结构显示,3个镜头和过滤器和玻璃盖,其中非球面光学元件数量已达到4-5个,市场较在45-50度角,光敏元件的尺寸为1/4英寸,最小像素尺寸可为1.75mm×1.75mm,但基本上没有自动对焦或变焦功能[8]。
图1-1早期3片式手机镜头结构
随着技术门槛越来越低,提高像素不再是实现提升摄影水平的唯一手段,光学变焦可以让夏普再创建一个尖锐锋利的手机[9],沃达丰日本发布了全球首款支持2倍光学变焦的200万像素手机v602sh。
该机配备了202万像素的CCD镜头,支持2倍光学变焦和40倍数码变焦功能,最大1600×1200像素照片拍摄。
2004、三星发布M339,一个320万像素的摄像头,同时支持3倍光学变焦,为用户提供出色的拍照体验。
时隔一年,三星还推出了世界上第一个手机M509拥有500万像素的摄像头,这种配置足以与700万像素和800万像素的专业数码相机竞争,同时出自三星,相应的模型是三星M709,三星sph-v8200。
现在,一些国外知名手机iPhone、诺基亚、索爱,三星,摩托罗拉,和相机像素已扩展到800万,1000万,甚至高的像素镜头结构的大多数这些相机的手机,结合3光学塑料和1片光学玻璃。
为了获得更好的效果,非球面的数量逐渐增加,自动对焦,光学变焦,和一些主流相机功能逐渐被纳入成到手机,加闪光灯等硬指标使手机如虎添翼。
在配置和性能虽然取得了显著的成果,但这些高端手机比较昂贵,不适合大众消费,国手机厂商纷纷加快步伐[10],力争推出更多的自主品牌的高像素拍照手机。
1.4手机镜头未来趋势
未来手机镜头与其制造工艺的发展趋势主要有以下几点:
第一:
在手机镜头像素与传感器方面:
像素越高,分辨率越高,这是手机镜头发展的一个必然趋势。
但像素越高不代表成像质量越好,传感器也对手机成像质量的提高,起着非常重要的作用,传感器的尺寸越大,光的性能越好,光子捕获越多,而超薄手机也限制了传感器的尺寸,因此,如何在保持像素不变的情况下,让传感器尺寸变得更小,则是一个非常重要的发展方向。
第二:
在手机镜头尺未来手机必将走向超薄化,手机镜头的尺寸就成了比较重要的研制因素之一,手机镜头使用的镜片数,就是制约手机镜头尺寸的一个关键因素,手机镜片数越多,成像越真实,但同时,镜头的尺寸也会更大,因此,如何保证像素不变的情况下使用到越少的镜片数,是光学设计未来发展的一个重要方向。
第三:
在手机镜头使用光学塑料方面:
光学塑料较光学玻璃劣势的地方就在于折射率普遍不高,今后的光学塑料若是在折射率有进一步的突破,可以很大程度上改变现在光学设计的许多瓶颈点,而且新开发的光学塑料种类越来越多,在光学性能和物理特性都有待改善[11]。
第四:
在手机镜头制造工艺方面。
未来手机镜头的高像素、超薄化趋势,制约其最重要的因素就是光学系统的公差,其公差围势必会比低像素光学系统的要紧,这同样就对模具加工与成型工艺有越来越高的要求,模具结构加工设计以与成型超精密注塑成型工艺如何更好的达到更高精度的公差,对于生产制造来说,是一个关键的发展方向。
2手机照相理论基础
手机照相理论基础包括手机镜头的成像原理和和手机镜头的基本术语。
2.1手机镜头成像原理
手机镜头成像原理,其实和数码相机成像原理。
与传统照相机相比,在光敏元件的光电转换中,反射透镜穿过透镜组的光的透镜组,是使用胶片作为信息记录载体的传统照相机，胶片的感光元件，经过一系列处理后发展和固定并获得胶片。
最后,得到一图片。
手机或数码相机镜头的原则体现在多个单元透镜传输到图像传感器CCD或CMOS[12]光,光信号将刺激光电二极管感光元件产生光信号再转换信号,然后,模拟信号转换成数字信号通过模拟到数字转换器A/D,并得到最终的结果,经过DSP处理压缩成特定的图像格式存储在存储器中,整个过程如图2-1所示。
移动摄像机镜头是一种微型结构的数码相机镜头,可以实现相机功能在有限的空间。
在成像过程中,光学透镜和光敏元件是影响成像质量的最重要因素。
图2-1手机镜头成像过程
2.2手机镜头基本术语
光学系统中有很多专业术语，手机镜头也不例外。
手机镜头基本术语包括焦距、光圈、像素、分辨率、感光元件等等，本文仅介绍相关基本的专业术语名词。
2.2.1焦距
焦距是光学系统测量光聚集或发散能力的量度。
物体的不同部分反射的光通过透镜聚焦在胶片的某一点上,图像具有清晰的轮廓和真实的纹理,被称为焦点。
所述手机镜头为凸透镜,光敏元件为凸透镜组附近的焦点,基本上与透镜中心到光敏元件CCD[13]或CMOS成像平面的距离基本上等于透镜的焦距。
根据焦距长度可分为标准镜头、广角镜头和长焦镜头,即视场角。
标准镜头的角度是50度,这是人们可以看到的头和单眼不动的角度来看,从标准镜头,以观察的风景和感觉,我们通常看到的肉眼对象基本上是一样的。
35mm标准镜头焦距40mm、50mm或55mm;广角镜头,即镜头角度大,适用于大围拍摄距离与现场附近,有时用来故意夸大业绩前景,距离和透视感强。
典型的广角镜头,135mm相机焦距28mm,视角75度角。
常用的“35mm”和“38mm”镜片比28mm焦距略长[14]长焦镜头,俗称“长镜头”。
适用于小景深拍摄远距离场景,便于背景模糊,突出主体。
一个35mm相机的长焦镜头通常分为三个阶段。
以下135mm称为中焦距,如85mm,FOV,28度。
这种镜头通常用来拍摄人,有时称为人像镜头。
135-500称长焦距,如200mm,视场角12度。
500mm说长焦距,视场角小于5度,适用于拍摄很远处的物体,如在森林近距离拍摄野生动物,被拍摄物体较近,长焦距的镜头是很有用的。
在成像过程中手机镜头,传感器的尺寸是不一样的,对不同大小的角的感光元件成像镜头的观点是不同的,所以真正的透镜的焦距，较不同的拍摄围和传感器的尺寸是密切相关的,它通常定义在镜头135胶片相机的拍摄角度的焦距,在不同的感光元件的角度是135,相机的焦距被成像为135,和等效焦距成像。
2.2.2光圈
光圈也被称为有效孔径,是用来控制光线通过镜头进入机身装置它的作用是确定进入镜头的光量,有一个很好的镜头,通常不能随意改变镜头的直径,但我们可以通过孔、圆形或多边形光栅部控制镜头中的可变镜头,镜头光圈为部装置。
我们通常使用f值来表示光圈的大小,其中f=f（透镜焦距）/D（透镜有效孔径的直径）[15]。
它是光学系统中相对孔径（D/f）的倒数。
公式表明孔径f值越小,孔径越大,光输入量越大,成像时屏幕亮度越高。
光圈数序列镜头常用的有:
F1.0,F1.4、F2.0、F2.8、F4.0、F5.6,f8.0、F11、F16、F22、F32,F64,F128,通过镜头到达光和感光元件的光圈数的光的数量的平方成反比,所以相邻两孔数1:
2比例。
例如,从F4.0光圈f5.6调整,光的数量将翻一番,我们说一个大光圈。
对于普通消费者的数码相机,光圈F通常在f2.8-f16。
此外,孔是在确定字段大小深度的最重要因素,孔径越小,现场拍摄现场围较大深度越大,所以应适当调大光圈,有利于宏观,和广泛的增长拍摄,一般使用小光圈。
2.2.3像素
构成图像的最小单位称为像素。
换种方法说,像素数量越高,图像的成像辨识度越高。
数码相机中的像素数有两种常见的表示方式,一种是数组表示法,即产品的长宽,如像素640×480,像素1600×1200。
另一种是代表总数的,如500万像素,800万像素等[16]。
对光电传感器的像素数决定了其成像分辨率。
数码相机有两个像素表示:
最大和有效像素。
采用插法将DSP芯片插得到的最大像素点,通过双线性插值、最近邻插值法在放大后的图像中增加像素以增加图像的放大率。
插值后得到的图像质量不能与实际光敏成像。
最大像素通常是指直接像素的CCD/CMOS传感器,为了增加销量的一些企业,最大像素的数码相机,只有广告,但用户应该意识到这是数码相机的部操作和绘画价值,印刷时的图片,图片的丢失将是显而易见的。
主动像素与最大像素不同,有源像素是真正参与成像的像素值。
最大像素通常包含光敏器件的非成像部分,而有效像素是透镜变焦率的转换。
美能达dimage7为例,CCD像素数为524万,由于CCD部分不参与成像,有效像素仅为490万。
2.2.4分辨率
“分辨率”一词是指单位长度中包含的像素数,通常为像素/英寸（PPI）。
分辨率为1024×768的图像表示每个水平线包含1024个像素,即行数为1024行,行数为768行。
数码相机的分辨率图像信息可以区分的能力,执行和场景的细节力表示,它决定了最终的图像可以显示图片的大小,数码相机的分辨率水平,取决于CCD或CMOS摄像机的数量,像素越多,分辨率越高。
手机镜头的最高分辨率是照相机可以拍摄的最大图像面积。
在一样大小的图片中,分辨率越大,图片面积越大。
通常分辨率由每个方向的像素数如640×480等表示。
手机镜头的最高分辨率等于它的CCD/CMOS像素的最大数目。
像素指数通常用于评价的性能的CCD/CMOS,和分辨率指数被用来评价质量的数码相机拍摄[17]。
CCD和CMOS的分辨率在水平方向上的像素数表示,线性透镜成像分辨率模式,每一个像素的宽度,然后我们说CCD/CMOS,在透镜的水平方向上的分辨率相匹配,所以它也在垂直方向上。
这个定义确保CCD/CMOS可以精确地区分的图像中的最小像素数的细节。
3手机镜头像差理论与优化设计
理想的光学系统可以是近轴区域的理想图像,但其实用价值不大。
因为它只适用于近轴区域非常小的相对孔径和视野成像。
任何一个实际光学系统的成像都需要一定的相对孔径和视野,这正是这两个系统的功能和实用价值密切相关的。
因此在计算光路时,远大于由傍轴区域的限制,物体的尺寸和位置与近轴区域不同,如实际与理想之间的差异为光学像差。
3.1手机镜头像差理论
在所有的光学系统中,像差有两种类型:
一种是波像差，另一种是几何像差。
[18]波像差的基础上,研究光的电磁波理论,如果一个完美的成像光学系统,球面波,任何物体通过光学系统的点在空间就像是一个球面波,事实上,图像空间不是球面波前成像,我们偏离的程度称为球面像在波中的差别。
基于几何光学理论,实际的光被跟踪,并且通过光学系统的对象发出的光偏离高斯图像,称为几何像差。
孔径和视野成像具有一定的实际光学系统,使入射光具有不同的直径和不同的成像位置,并且入射光的成像放大率在不同的领域变化,子午面成像的性质和失弧光束的平面是不同的。
因此,单色光学成像会产生五种不同的几何像差,即球差、彗差、像散（正弦偏差）、场曲率和畸变,称为单色像差。
但事实上,大多数光学系统都是光和多色光源成像,由于介质的色散,不同单色光的折射率是不同的,所以不同的单色光成像的大小和位置是不一样的,不同的成像单色光叫颜色差异[19]。
色差有两种,即位置色差和倍率色差。
（1）球面像差分轴同心光束经光学系统,不再是同心光束,在不同的高度位置上不同程度的近轴成像点相对于光轴入射的光,我们将之称为轴向球差的偏差。
它仅与孔径u（H）有关,且与视野Y无关,所以球面像差可以表示为:
（3-1）
其中,h1表示在入射的高度,第一光入射面表示A1、A2、A3代表主球差系数和二、三阶球差系数,当孔径小时,入射高度小,主要表现为球面像差,球差的增加越来越大,最重要的两个或两个以上的高级像差的光学系统是非常小的,可以忽略不计。
因此,根据公式（3-1）,我们通常补偿的主要球面像差与较高的球面像差,和纠正的边缘带的球差为零:
当H=HM,边缘球错误被校正为0。
（3-2）
当h=hm时，边缘带球差校正为0。
由于球面像差的存在,高斯图像上的像点不是一个点,而是一个圆散斑,可以用公式计算出光斑的半径[20]:
（3-3）
其中，δT'纵轴是球差,弥散斑的半径,L是边缘光像方截距l'与L一样，在轴光线上,u是方孔径角,我们可以看到从正面镜头,图像边缘光拦截比近轴光线为方拦截小,会产生负球差，图像边缘光拦截大于近轴光线,会产生正球面像差。
对于移动透镜的光学设计,我们选择了正透镜和负透镜的适当组合,它们产生的球差可以互相补偿,从而有效地校正球差。
（2）慧差（正弦差）：
同心光束的主光线的对称性,通过光学系统,不再相交于一点,在垂直轴方向与主光不相交的轴外物点宽光束通过光学系统成像损失对称后,称为慧差。
它是光圈H和视野Y的函数,通常表示为:
（3-4）
首先初级慧差,在之二级孔径慧差,视野二级慧差是最后一个。
对于手机镜头,慧差的大小主要取决于这三个决定。
慧差是离轴像差的一种，它破坏了离轴视场的分辨率[21]。
我们通常使用对称结构来纠正慧差,或在特定位置的光阑。
（3）像散：
从轴线的光束将相交子午线和弧。
子午像点与弧像点之间的距离称为象散。
它也是光圈和视野的函数。
如果在光学系统中存在像散,则可以在物体表面形成两个像面,而每个方向上的方向不同。
严重时,离轴点不能清晰可见,出现椭圆扩散点。
通常我们使用组合透镜或设置光阑以消除散光。
（4）场曲：
也称像平面弯曲。
当光学系统具有场曲线时,高斯图像平面上的远轴区域外的图像点将变得模糊,平面物体的图像将成为一个旋转表面。
薄光束的场曲率与光阑无关,只与视场有关。
因此,光场的曲率可以表示为:
（3-5）
其中Y是孔径坐标,第一项是主场曲线,第二项是两级曲线,其余是类比。
根据薄透镜系统一次场曲线的计算公式:
（3-6）
公式里，不变的是J的值,透镜的焦度φ,折射率是n:
（3-7）
由于透镜的折射率变化不大,只需将正透镜和负透镜正焦的绝对值近似相等。
对于手机镜头的光学设计,采用分离的正、负透镜组合来校正场曲线。
（5）畸变：
由于球差的影响,在不同的视野中,经过光学系统的主光的交点不等于图像的理想高度[22],这种差异称为畸变。
它仅仅是视场的函数,表示为:
（3-8）
首先公式里是初级畸变,在之二级畸变,等等。
畸变只改变理想图像表面外轴的成像位置,使图像的形状扭曲,但不会影响图像的清晰度。
通常,我们使用对称结构来纠正失真。
所述手机镜头的光学畸变只需在一定围控制,不产生图像变形。
（6）
升级会员 