手机照相镜头的光学设计教材.docx
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手机照相镜头的光学设计教材
本科毕业设计论文
手机照相镜头的光学设计
摘要
随着市场的发展，可拍照手机逐渐取代普通手机，而手机的小型超薄化也是必然趋势，手机的照相功能的提升和小型超薄化应并进，而二者又是相互制约的，因此尽量减小手机照相镜头的体积并提高其性能成为必然趋势。
本文后半部分运用ZEMAX对所设计的镜头进行了调整和优化，用缩放法对初始模型反复调试和修改，并根据课题要求进行了数据分析，最终得出了符合设计要求的结果。
最终设计结果为：
镜头总长：
10.07mm,后焦距：
1.27mm。
畸变
范围-1.07至U1.76之间。
中心视场MTF@160lp/mm值为0.52。
边缘视场
MTF@120lp/mm值为0.53。
关键字：
可拍照手机镜头小型化ZEMAX优化。
摘要（I）
Abstract（n）
目录
（1）
1绪论
（1）
1.1研究的目的和意义
（1）
1.2可拍照手机和镜头设计的国内外发展
（1）
1.2.1可拍照手机国内外发展状况
（1）
1.2.2现今镜头设计的国内外发展状况
（2）
2手机照相镜头的成像原理介绍（3）
2.1可拍照手机照相原理（3）
2.2感光元件简介（3）
2.3镜头结构分类及选择（3）
2.4手机镜头的性能指标和相关术语（4）
2.4.1镜头类型选择的依据⑺（4）
242数码镜头鉴别率（4）
243光圈范围（4）
2.4.4影响像质的几个因素（5）
3光学系统设计（6）
3.1光学设计软件简介（6）
3.1.1ZEMAXMTF函数（6）
3.1.2缺省的评价函数及优化（6）
3.1.3归一化的视场和光瞳坐标（7）
3.2设计要求及分析（7）
3.3初始结构的选择（8）
3.3.1视场角的确定（10）
3.3.2F数的确定（10）
3.3.3工作波长的选择（10）
3.3.4调制传递函数图如下（11）
3.3.5七种塞得像差分别为（11）
3.3.6场曲和畸变图（12）
3.3.7点列图如下（12）
3.3.8光线特性曲线图（13）
3.4像差的初步校正（13）
3.4.1初步校正后的数据（13）
3.4.2二维光路图如下（15）
3.4.3调制传递函数图如下：
（15）
3.4.4场曲畸变图（16）
3.4.5点列图（17）
3.4.6光线特性曲线图（17）
3.5系统优化（18）
3.5.1优化数据（18）
3.5.2二维光路图（19）
3.5.3点列图（20）
3.5.4场曲畸变示意图（20）
3.5.5MTF分析图（21）
3.5.6光线特性曲线图（23）
3.6公差分析（24）
3.6.1公差分析的一般过程（24）
362公差分析方式介绍（24）
3.6.3此课题所进行的公差分析结果（25）
3.7设计结果（27）
4结论（29）
致谢（30）
参考文献（31）
1绪论
1.1研究的目的和意义
随着手机镜头相关工艺的实践，低端的数码相机已逐步被可拍照手机所取代。
手机正逐步成为集通信、拍照、MP3、MP4等功能一体化的便捷式电子产品。
由于现有的手机厚度较薄，限制了镜头的总长，从而使得手机镜头的性能提高较难。
本课题要求设计一个体积小，高像素的手机镜头，从而减小手机镜头所占空间，进而提高手机的综合性能。
实现小型化和多功能化。
1.2可拍照手机和镜头设计的国内外发展
1.2.1可拍照手机国内外发展状况
从诺基亚7650、松下GD88和NECN8在中国掀起拍照风潮以来，手机拍照在中国已经历了三年的发展，谈到中国市场的可拍照手机，我们就躲不开索爱的T68lie和T628这条线。
T68作为爱立信在中国市场推出的第一款彩屏手机，在当时可拍照手机还没有开始流行的时候，选择了使用外置摄像头来增加拍照功能无疑是一个明智的选择。
而在爱立信和索尼合并之后，又推出了T68lie，且支
持MM功能。
这两款机型可以使用爱立信和索尼爱立信前后推出的多款外置摄像头，虽然基本上没有后期处理功能，拍照的效果也不佳，但毕竟是开先河的第一次，也是可拍照手机在中国市场的探索者。
后来索尼爱立信又推出了T618成为
2003年最成功的可拍照手机，其内置10万像素的摄像头，有强大的数据处理功能。
在T618出世之前，可拍照手机市场几乎是诺基亚的天下。
中国市场上第一款30万像素的可拍照手机7650就是诺基亚的。
和T68不同的是，7650使用的是内置摄像头，这也造就了7650硕大的身形。
而在当时的时代，拥有30万像素的摄像头效果是相当不错的。
在2004年NECN830配置了130万像素的CCD摄像头，有多种拍摄模式选择，内置闪光灯、最多9连拍功能、定时拍摄功能等。
此摄像头还具备了一般可拍摄手机并不具备的微距拍摄功能。
在更高像素的手机出现以后，三菱M900号称200万像素的手机，采用的是富士的SuperCCD这种感光材料拥有比普通手机CCD更敏锐的成像效果。
而三星震撼全球的500万像素手机SCH-S250配备了光学变焦，这款手机实际上是在数码相机的机身上加上了手机的功能。
此外，大唐G20N三菱M900等手机出现
了微距拍摄功能，以及百万像素以上级别手机普遍支持的存储卡功能。
这些都预示着，未来的拍照手机，将会使用更专业的镜头和更好的感光元件以得更好的成像质量。
2004年3月，索尼爱立信在国内推出首款具有130万像素的拍照手机S700。
2004年6月，日本卡西欧公司已推出三款具有320万像素的拍照手机。
2004年10月，三星在韩国汉城推出第一款500万像素拍照手机SCHS250.2005年初，三星公司又在德国汉诺信息通讯展览会上推出了一款700万像素拍照手机
SCH-V770配置了700万像素的CCD,160万色顶级TFT材质屏幕，还具备3倍光学变焦、4倍数码变焦功能。
拍照手机的像素数从初始的10万飞跃到700万，仅仅经过不到3年的时间。
可以预言，随着CMOS和CCD制造技术的不断进步，高像素的拍照手机在不久的将来一定会成为大众化的电子消费产品。
1.2.2现今镜头设计的国内外发展状况
现今的镜头设计是基于镜头的资料库中的成千上万的设计专利的，并且有许
多是公开发表的。
似乎可以从大致的设计构思着手，然后利用高速的计算机系统为你的设计草图进行优化，达到实际想要达到的目标。
但问题是，计算机不能
自动生成一个优秀的镜头设计。
真正的设计其实是源自于人的大脑，就如导航仪器只能在给它指定明确的目标之后才可以找到正确的航线一样。
商业镜头设计系
统当然可以优化镜头设计，但如果设计的出发点本身是不足的，那么是很难更正它的。
在光学设计部门中目前大量使用了计算机，但它也毫不例外地表明了计算
机及其计算机程序本身是无法给出全部答案的。
镜头设计是极具创造力的工作，
它必须基于经验和敏锐的洞察力来了解各种各样光学象差的特性。
任何镜头，不
管是新的还是老的，都可以用镜头描述”这个术语来区分镜片的数量、玻璃的种类、镜片的曲面半径、镜片的厚度、镜片与镜片之间的距离、以及每个镜片的直径等等。
这些都是用来全面描述一个镜头的参数。
当发自于某个物体的光线穿过玻璃表面时，该束光线会被折射，就如物理知识所描述的那样。
光线折射量取
决于玻璃的折射率。
如果镜头设计者能知道光线射入镜头前镜片时的确切入射位置以及入射角度，就可以通过光线理论系统精确地追踪光路。
角度和距离可以通
过三角函数的正弦和余弦算出来。
因此通过简单的平面几何，光线途经的线路就可以被追踪到。
由于任何一个点光源发出的能量都是散射的，并无任何方向行可
言。
只有部分能量通过镜头，假设通过简单的数学来计算通过镜头的能量（那些
被视为一系列的各自独立的光线）可以追踪那些光线的路径。
镜头设计者首先从光轴上的某点开始追踪少量的光线。
这里所假设的是每个物象点都会在胶片平面上形成于之相对应的点，所以发自物体的光线都将被转化为这样的成相点，并且
具有同样的相对位置。
这就是高斯成像（GaussianFictiong对应那些靠近光轴的点，可以有理由相信高斯成象是相当精确的，这就是平行光轴光学（ParaxialOptics）。
尽管计算公式相当简单（至少对有经验的设计者来说），但要求对于这些数字的计算精确到小数点后5~8位［2］。
2手机照相镜头的成像原理介绍
2.1可拍照手机照相原理
拍照手机的照相原理与数码相机的照相原理相似。
传统相机是把光学系统捕捉到的光打在胶卷上，然后可以通过一个化学过程对其进行曝光和冲洗。
而数码相机或摄影手机的光要通过由多个单元镜头和一个镜筒组成的光学系统，不同的
是，现在光是打在由行和列组成的数字传感器阵列上，这一阵列由几百万个微小
像素组成。
当光打在像素阵列上，它要通过彩色滤光片，确保只有蓝、红或绿色光到达每个像素上。
在每个像素上，首先要生成一个模拟信号，该模拟信号通过模数转换器（ADC）转变为数字信号，然后再通过处理系统输出图像［3］。
其实可拍
照手机镜头就是数码照相物镜的一个微型化，是在有限的空间上实现照相功能。
2.2感光元件简介
市面上的拍照手机镜头一般上只有两种：
CMO和CCD无论是CCD还是CMOS它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，CCD/CMO感光元件的核心都是
一个感光二极管（photodiode），该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应。
现在的消费级数码产品使用的影像传感器主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。
CCD/CMO尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好⑷。
2.3镜头结构分类及选择
镜头是指由不同的透镜经系统组合而成的整体。
基本结构包括四个部分：
透
镜、隔圈、镜筒、压圈［5］。
隔圈结构类型比较多，它受前后透镜直径和通光孔径的差别影响较大，也受其它结构要素影响。
镜筒结构大体可以分为两类：
直筒式和台阶式。
压圈的结构形式包括外螺纹压圈和内螺纹压圈，在实际应用中大多采用外螺纹压圈，以镜筒和压圈的结构形式组合就可以把镜头结构分为以下六种形式：
（如图2.4所示）。
图2.4镜头的结构类型
2.4手机镜头的性能指标和相关术语
镜头通常有两个较为重要的指标。
一个是光圈，它是安装在镜头上控制通过镜头到达传感器的光线多少的装置，除了控制通光量，光圈还具有控制景深的功能，即光圈越大，则景深越小。
另一个是焦距，它基本上就是从镜头的中心点到传感器平面上所形成的清晰影像之间的距离，也就是相当于物和像的比例尺。
镜头的焦距决定了该镜头拍摄的物体在传感器上所形成影像的大小。
假设以相同的
距离面对同一物体进行拍摄，那么镜头的焦距越长，则物体所形成的影像就越大，反之越小⑹。
数码产品的镜头由多片镜片组成，材质则分为玻璃与塑料两类。
2.4.1镜头类型选择的依据［7］
1）孔径：
NA=nSinv（数值孔径）
D/f'（相对孔径）
f'=1/D（F数）
n'Sinv=D/2f=1/（2XF数）
2）视场：
角视场或线视场（直径）
3）焦距：
焦点到后主面的距离，一般为镜头轴向中部
242数码镜头鉴别率
数码相机鉴别率定义为在像面处镜头可鉴别的黑白线对数，单位为毫米。
CMOS的分辨率是用像素总数表示的。
在水平方向上镜头对线状分辨率图案的成像，其每个线宽恰好站用一个像素，我们就称在水平方向上选用的CMOS
与镜头在分辨率上是相配的；在垂直方向上也可同样理解之。
这样定义保证了CMOS在最少像素总数下，恰好能分辩清像的细节⑹。
243光圈范围
光圈英文名称为Aperture，光圈是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面的光量的装置，它通常是在镜头内。
我们平时所说的光圈值F2.8、F8、
F16等是光圈“系数”，是相对光圈，并非光圈的物理孔径，与光圈的物理孔径及镜头到感光器件（胶片或CCD或CMOE的距离有关。
表达光圈大小我们是用F值。
光圈F值=镜头的焦距/镜头口径的直径，从以上的公式可知要达到相同的光圈F值，长焦距镜头的口径要比短焦距镜头的口径大。
完整的光圈值系列如下：
F1,F1.4,F2，F2.8，F4，F5.6,F8，F11，
F16，F22，F32，F44，F64。
这里值得一题的是光圈F值愈小，在同一单位
时间内的进光量便愈多，而且上一级的进光量刚是下一级的一倍，例如光圈从F8调整到F5.6，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。
多数非专业数码相机镜头的焦距短、物理口径很小，F8时光圈的物理孔径已经很小了，继续缩小就会发生衍射之类的光学现象，影响成像。
所以一般非专业数码相机的最小光圈都在F8至F11，而专业型数码相机感光器件面积大，镜头距感光器件距离远，光圈值可以很小。
对于消费型数码相机而言，光圈F值常常介于F2.8-F16。
此
外许多数码相机在调整光圈时，可以做1/3级的调整［9］。
2.4.4影响像质的几个因素
1）.像素数拍照手机镜头的像素通常有三种表示方法：
标称像素、有效像
素、插值像素。
插值像素是先把相邻两光学像素的真实数字影像信息取平均值，得到一新的虚拟影像信息，而后将此人为增加的新信息作为新像素插补在原来两个真实像素之间，即通过软件计算对原来数字影像信息进行赋予人为增加之新虚拟信息的插补，以填补由于受影像传感器总像素所限，而在拍摄时可能缺失的信息。
标称像素是手机厂家在广告中所宣称的总光学像素，它指作为影像传感器的
CCD或CMOSff具有的理论总光学像素数，又称总像素。
有效像素是该CCD或CMOS传感器在摄影时真正参与成像工作的光学像素数。
由于受诸多因素的限制与影响，标称像素（即理论总光学像素数）中的全部像素不可能均参与实际成像，故此有效像素一般比标称像素要小。
2）.感光元件（CMO）的尺寸感光元件越大，每个像素的尺寸就越大。
像
素尺寸越大，所能处理的数据量就会增加，从而就能够区别微细光线的颜色和强度。
也就是说就能够生成层次感丰富的照片。
现有CMOS勺尺寸有：
2/3英寸、
1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。
3）■镜头的影响一个好质量的镜头是成像质量好坏的至关重要的一个因素。
镜头的功能是将光线聚集到感光面上，它好比相机的“眼睛”。
镜头越好，聚焦
点越准确，拍出的照片越清晰。
如今拍照手机上衍生出各种多媒体一体，而其内部空间十分有限且相当一部分空间为显示和通讯模板占用，因此手机照相镜头的装配空间受到较大限制，尤其会造成手机厚度较大。
随着可拍照手机的市场需求的不断增长，这一问题急待解决。
虽然可拍照手机的发展历程很短，但其发展速度是相当快的，主要是由于它有如下优点：
1）、可随身携带
2）、可随时使用-无论白天或黑夜
3）、信息传输迅速、快捷高效
4）、画面获取方便、重塑性好
当然它也有如下缺点：
1）、所拍摄影像质量尚较低
2）、售价较贵
3光学系统设计
3.1光学设计软件简介
3.1.1ZEMAXMTF函数
ZEMAX1一个用来模拟、分析和辅助设计光学系统的程序。
ZEMAXM供了十
分强大的优化功能，它有能力去改善那些给出一个合理的起始点和一系列可变量的镜头设计。
可变量可以是曲率，厚度，玻璃，圆锥系数，参数数据，特殊数据,和一些多种结构的数值数据。
ZEMAXS用了有效的阻尼最小二乘法，这个运算法则能够优化由加了权重的目标值组成的评价函数，这些目标值称为“操作数”。
调制传递函数MTF（ModulationTransferFunction）:
实际像与理想像之间
调制度之比相对空间频率的函数，称为调制传递函数。
它可清晰地表示出摄影镜头以怎样的调制度，传递某一空间频率[12]0
摄影镜头把景物的调制度信息，传递到像平面处，变为实际影像的调制度信息，在此传递过程中，该摄影镜头的调制传递函数值为MTFfi=M/M式中M为实际影像的调制度，M为理想像的调制度。
调制传递函数值一般在1至0之间变化，评价函数是一个如何使一个光学系统接近一组指定的目标的数值表示。
ZEMAX使用了一系列操作数，它们分别代表系统不同的约束条件和目标。
操作数所代表的目标有像质、焦距、放大率和其
他很多指标。
3.1.2缺省的评价函数及优化
这些评价函数与列表中的每个操作数的目标值和实际值之差平方的加权和的平方根成比例。
由于评价函数的这种定义，所以0值代表理想状态。
优化算法将使这些函数值尽可能小，所以评价函数应该是理想系统达到的结果的一种表示0
优化类型的选择：
ZEMAM以使用几种不同评价函数类型。
缺省的评价函数通过使用四个基本选择来构建的，它们是：
优化类型，数据类型，参考点，和积分方法。
PTV是波峰到波谷的简称。
在一些不常见的情况，RMS和误差的最大范围同样不重要
RMS是均方根的简称。
到目前为止，这种类型使用最为广泛。
RMS是所有单
个误差平方的平均值的平方根
优化步骤：
优化需要三个步骤：
1）一个可以进行光线追迹的合理光学系统；
2）变量的设定；
3）评价函数的设定。
合理的光学系统是一个比较模糊的概念，它仅仅意味着通过优化算法将一个缺乏考虑的设计方案转化成一个优秀的方案是不可能的
（虽然有一些例外情况）。
变量可在不同编辑界面中进行详细说明，在评价函数编辑界面中可以很容易地改变这些评价函数。
3.1.3归一化的视场和光瞳坐标
归一化的视场和光瞳坐标常常用在ZEMAX勺程序和文件中，一共有四个
Hy，Px和Py。
H和Hy值是归一化的视场坐标；Px和Py值是归一化的光瞳坐标。
归一化的视场和光瞳坐标代表了一个单位圆的点。
视场的半径尺寸（或当视场用物高这个术语来表示时，其物体的高度）用来衡量归一化视场坐标，而入瞳半径则用来衡量归一化的光瞳半径。
例如，假设最大物高是10mm经常遇到的
情况为：
分别在0,7和10mm处定义了3个视场。
坐标（H<=0,Hy=1）指的是一条从物体上边缘点发出的光线即（x=0mm,y=10mm坐标（HX=-1，Hy=C）指的是一条从物平面（x=-10mm,y=0mm处发出的光线。
光瞳坐标也用同样的方式。
使用归一化坐标的优点是一组特定的光线有着相同的坐标，它不随着物体或
入瞳的大小为质的改变而改变。
注意，归一化坐标总是在-1和1之间，而且有H2+H2w1,Px2+R2w1[13]。
3.2设计要求及分析
具体设计过程是在了解光学设计基本思想的基础上，结合题目要求选用合适的原始模型进行调整。
通过学习ZEMAX软件完成数据的优化和调整，最终设计出结构简单且带有转折光路的手机照相镜头。
主要内容包括：
（1）光学设计基本原理的学习。
（2）基于手机照相镜头相应要求的镜头组设计。
（3）ZEMAX的应用及对镜头的优化调整。
以下为主要设计指标：
物距：
1000mm
FNO:
4
畸变q：
v2%
像高：
>5.9mm
视场角：
〉60°
中心视场MTF@160LP/m>0.3
0.7视场MTF@120LP/m>0.2
对要求进行分析：
物距即最近拍摄距离。
相对孔径与F数互为倒数，F数即
光圈数，可以决定系统光通量，像面照度与F数成反比，F数越大，通过系统的光线越少，像面照度越低，反之通过系统的光线越多，像面照度也越大；畸变仅由主光线决定，会引起像的变形，但并不影响像的清晰度；对于一般光学系统只要眼睛感觉不出像的明显变形（q-4%就行⑴。
而对手机镜头来说要控制在2沖内；像高的大小是由感光元件的对角线尺寸决定；手机镜头与照相物镜类似属于大相对孔径和大视场的光学系统；MTF的线对计算公式也就是截止频率或极限分辨率[2]。
截止频率=1/2a[a为感光元件（CCD或CMO）像素尺寸的大小，单位：
卩m]
本课题所要做的工作就是设计出能够满足以上技术要求的手机照相镜头。
3.3初始结构的选择
初始结构的选择很重要，只有初试结构选取合适，后续工作才有意义。
常无法一次选定最合适的结构，被选定的结构需经一定的校正后确定是否可用。
在实
际选取过程中，是一个随机挑选的过程，原则是选取一个结构简单，性能接近的
照相镜头。
本课题所选初始结构参数如下：
表3.1手机照相镜头初始数据
Had-ius
TliicJiness
Seiii-Diameter
Infinity
500,000000
Z88
6.496150
4.A1SE4S
1,S0f£7.4
3.317733
9.105055
1.24097S
3.719613
10.613&SS
3.376610
4.LS1SS9
5.
3.214595
££.134055
7.326S50
1.52,57.1
3.3S61S7
36.095^40
5.35376丄
B
10.939941
Infinity
—
L4.051Z19
第1面：
锥度：
k=0.373514
非球面系数：
Ai=-2.331589E-004,A2=1.254983E-006,
A3=-1.053806E-007,A4=-9.95360E-009。
第2面：
锥度：
k=3.065972
非球面系数：
A4=-7.054476E-004,A6=-5.582690E-007,
A8=2.676362E-007,A10=-4.420895E-008
第3面：
锥度：
k=-1.501935非球面系数：
A4=-8.974880E-004,A6=-1.262693E-006,
A8=-1.959680E-007,A10=-4.084736E-008
第4面：
锥度：
k=-1.213018非球面系数：
A4=-2.869360E-004,A6=-9.771874E-008,
A8=-1.298983E-007,A10=2.661842E-009
第5面：
锥度：
k=-40.039110非球面系数：
A4=-1.530080E-004,A6=-1.670461E-007,
A8=2.323546E-009,A10=5.852221E-011
第6面：
锥度：
k=1.427486
非球面系数：
A4=-2.329689E-004,A6=-9.305402E-007,
A8=-1.709606E-009,A10=3.353155E-012
图3.1初始结构二维光路图
从该初始二维光路图可看到光线的聚焦性并不好，尤其是边缘视场处，因此需要后期的像差初步校正和优化。
且总长超过25mm不适于应用在手机上。
因此还要通过后期调整和优化尽量减小其长度。
该结构中三片透镜所用材料依次为丙烯酸树脂，聚碳酸酯POLYCAR和非晶
型聚烯烃ZEONE，丙烯酸树脂具有良好的耐腐蚀性，耐光性和耐水性，硬度适中，耐冲击性好。
聚碳酸酯冲击韧性好、机械强度高、尺寸稳定性好、不易变形；有优良的耐热耐寒性，可在60-130°C长期使用；吸水性低、耐磨和耐化学腐蚀性能
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