镜头光学性能评测技术

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1、07-Aug-2011 镜头光学性能的评测技术镜头光学性能的评测技术镜头光学性能的评测技术镜头光学性能的评测技术 研发部 作成：宋红霞 2011年11月27日 舜宇浙江光学研发部 07-Aug-2011 ?提纲提纲 舜宇浙江光学研发部 07-Aug-2011 ?概述概述 手机相机模组是近几年发展起来的科技产品，是光学设计、薄膜技术、微机 构、模具、组装校验、电路监控、取像电路IC、影像感应器、储存记忆器等多方 面的结合体，当然光学设计（光学元件、镜头）是相机模组系统的先行者。这里 主要从镜头品质方面考虑来评测手机相机模组的品质主要从镜头品质方面考虑来评测手机相机模组的品质。 2002年的CIF

2、10万像素，2003到2004上半年的VGA 30万像素为主流，2004 年下半年的SXGA130万像素为主流，2005到2007年高像素200、300万像素，如今 更高像素像素普年推出像素更高像素500/800万像素普及，2009年Samsung推出1200万像素，而 OmniVision 将画素尺寸缩小到 0.9 微米 。随着高像素模组的普及人们要求的提高，对相机 的成像质量要求越来越高，为此，需要对手机模组像质进行严格的评价，对模组 的设计和产品的出货检验提供技术支持和保障。的设计和产品的出货检验提供技术支持和保障。 根据行业最常规的检测项目和我司现有条件，主要从分辨率、相对亮度、色 彩

3、还原、畸变、杂光、鬼影等最影响模组品质方面作一些介绍。当然，模组高度 等尺寸模组镜头的一些参数焦距后焦FNO数镜头的光谱透过率（有时等尺寸，模组镜头的些参数，焦距、后焦、FNO数、镜头的光谱透过率（有时 包括滤色片）是否与设计符合，也是评测的项目。 舜宇浙江光学研发部 07-Aug-2011 ?手机相机模组的构成手机相机模组的构成 手机相机模组有镜头传感器后端图像处理器软板四个主要组成部分手机相机模组有镜头、传感器、后端图像处理器、软板四个主要组成部分。 因此，手机相机模组的品质评价也相应与这四个部分有关 舜宇浙江光学研发部 手机相机模组的主要构成 07-Aug-2011 ?镜头（Lens)镜

4、头（Lens) 镜头是相机模组的主要零部件之一，镜头模块包括镜片、框架、连接线、滤光膜与 相关外围组件目前L厂商竞争的关键在于如何减小镜片尺寸（镜头）成型工相关外围组件，目前，Lens厂商竞争的关键在于：如何减小镜片尺寸（镜头），成型工 艺等。镜片（镜头）跟后端的传感器成像有很大的关联，因此，各厂商的镜片（镜头） 各种规格也随着传感器的种类不同有不一样的设计，业界对“镜片（镜头）尺寸”的定 义也随着传感器图像大小（pixel size）而定。义也随着传感器图像大小（p ）而定。 镜片材质又以塑料和玻璃之分，塑料材质成本低，重量轻，但是像质比玻璃差。而 且在极度精小尺寸下，塑料成型的工艺也有一定

5、问题，玻璃镜片虽然成本高，重量重， 但有良好的成像效果，而且尺寸精细度（镜片直径与厚度）可达更高要求。但有良好的成像效果，而且尺寸精细度（镜片直径与厚度）可达更高要求。 ?传感器（Sensor)传感器（Sensor) 目前用在手机相机模组中的传感器可分为光电耦合组件（Charge Couple Device，简称传gp CCD），与互补金属氧化物影像传感器（CMOS Image Sensor,CIS）两种技术。两者都是利用 感光二极管（photodiode）进行光电转换，其差别在于数字数据的传输方式不同，CCD传感 器是通过电荷，而CMOS是通过类似内存电路的方式传输数据。 在一般情况下，CC

6、D和CIS 相比具有更优秀的图象质量，但是相比较CIS ，其制作成本 偏高，耗电较大，因此在手机相机模组中COMS是首选。CMOS相机模组具有标准独立的接口， 其构成的组建包括塑料镜座（Holder）、镜片组（LENS）、IR Filter（红外线滤膜）、传 感器芯片（SIC）外设电子组件（i hlli）载板（ 舜宇浙江光学研发部 感器芯片（Sensor IC）、外设电子组件（peripheral electronics components）、载板（ Substrate）、软板（Flexible printed Circuit） 07-Aug-2011 ?后端图像处理芯片（Bankend I

7、C)后端图像处理芯片（Bankend IC) 后端图象处理IC叫法很不统目前向着采用中央处理器进行图像信号处理后端图象处理IC叫法很不统一，目前向着采用中央处理器进行图像信号处理 的方向发展，同时可以进一步减少相机手机的体积。通常包括以下功能区块：数 字讯号处理器（format convert）、影像调整（gamma correction）、白平衡与 色彩调整（auto white balance X_= -1.75 Tan; X = 0 0.4 0.5 0.6 0.7 Contrast Tan; X_= 0 Tan; X_= 1.75 Sag; X_= -1.75 0 0.1 0.2 0.3

8、 0306090120150180210240270300 Sag; X_= 0 Sag; X_= 1.75 舜宇浙江光学研发部 0306090120150180210240270300 Spatial Frequency lp/mm 07-Aug-2011 上图是光学模拟与镜头业界商务中所常用的MTF调制转换函数的图例，横坐标 代表每毫米解析若干黑白线对的空间频率，纵坐标为像面上黑白线对（对比度）为 01的MTF值，其MTF值与方向有关，图中T代表Y轴方向，S代表X轴方向。 舜宇浙江光学研发部 07-Aug-2011 ?鉴别率MTF标板图片鉴别率MTF标板图片 MTF=0.05MTF=0.2

9、MTF=0.1 MTF=0 3 MTF 0 4MTF 0 5 舜宇浙江光学研发部 MTF 0.3 MTF=0.4MTF=0.5 07-Aug-2011 ?Image Master HRImage Master HR HR 检测原理HR 检测原理：光线从前 端入射至Chart,经过平 行光管入射至成像系统 （l)投射到CCD（物 有限共轭距 （lens)投射到CCD（物 镜）上，模拟一个正常 光线入射成像的过程， 就是我们通常所说的正 无限共轭距 就是我们通常所说的正 投影的一个检测方式。 这个设备有个弊端：有 限共轭系统测量行程只限共轭系统测量行程只 有80cm，因此对Lens的 测量像面受到

10、了限制； 无限共轭系统的最大张 CCD (sensor) 无限共轭系统的最大张 角是90，实际是 86 舜宇浙江光学研发部 07-Aug-2011 ?Image Master HR 功能介绍：Image Master HR 功能介绍： 在轴和离轴的MTF、LSF、PSF EFL （1-50mm) ThhF/F(离焦）ThroughFocus/Freq. (离焦） Optical Distortion 横向色差和纵向色差横向色差和纵向色差 场曲、像散 FOV(View of angle)视场角 CRA(Chief Ray Angle)主光线入射角 Relative Illumination相对照

11、度 Trioptics HR 可测试物距在有限和无限距离时的镜头MTF曲线，适用于测量 EFL在0-50mm范围内的各类镜头，可测量的项目比较多，因此测量速度比较慢，一 般适用于研发阶段的测量分析 测量精度比较高。 舜宇浙江光学研发部 般适用于研发阶段的测量分析,测量精度比较高。 07-Aug-2011 ?MTF vs FieldMTF vs Field 0 9 1 MTF vs Field 70lp/mm 145lp/mm Tan. 15; Freq.= 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 ntrast Tan. 15; Freq. 70 Tan. 30; Freq.= 145 0 0.

12、1 0.2 0.3 0.4 Con Sag. 15; Freq.= 70 Sag. 30; Freq.= 145 舜宇浙江光学研发部 -1.75-1.25-0.75-0.250.250.751.251.75 Image Field Position mm 07-Aug-2011 ?MTF vs DefocusMTF vs Defocus 0 9 1 MTF vs Defocus-Field ( Tan/Sag 143 lp/mm ) S -1.39995 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 S 0.00023 S 1.40015 0 0.1 0.2 0.3 0.4 T -1.39995 T

13、 0.00023 T 1.40015 舜宇浙江光学研发部 0 -0.1-0.0500.050.1 Defocusmm 07-Aug-2011 ?Distortion Distortion 1.60 Distortion 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 ion % Dst. 1 -0 40 -0.20 0.00 0.20 0.40 Distorti 舜宇浙江光学研发部 -0.40 -1.75-1.25-0.75-0.250.250.751.251.75 Image Height mm 07-Aug-2011 ?Relative IlluminationRelative Illu

14、mination 90 100 Relative Illumination ILL. 1 40 50 60 70 80 e Illumination 0 10 20 30 40 Relative 舜宇浙江光学研发部 00.1750.350.5250.70.8751.051.2251.41.5751.75 Field Position mm 07-Aug-2011 ?CRA的概念：CRA的概念： 要定义镜头主光线角，首先须定义主光线。主光线在光学上的定义为一个通过 入瞳中心的离轴光线，而主光线与感光器(sensor)法线方向的夹角即为镜头主光线角 (如图所示)。以手机镜头而言，镜头主光线角在 2

15、5 度左右。早期的镜头使用底片作 为感测器光束直接打在感光颗粒上无任何遮挡現在手机所使用的 CMOS 感测器除为感测器，光束直接打在感光颗粒上无任何遮挡，現在手机所使用的 CMOS 感测器除 了感光区域外，还包含电路，因此在亮度不足或偏暗的情況下，其影像感测效果就会 不佳，解決的方式是在每一光电二极体前装置微透镜，以提高光学效能，因此手机镜 头的主光线角必须与Sensor的主光线角匹配，否则会有白平衡色差问题。 舜宇浙江光学研发部 07-Aug-2011 ?CRA：CRA： 25.00 Chief Ray Angle 15.00 20.00 RA deg CRA 1 0.00 5.00 10.

16、00 CR 舜宇浙江光学研发部 00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.21.31.41.51.61.7 Field Position mm 07-Aug-2011 ?Field Curvature：Field Curvature： All field(S Alight B.Lens 解像力相关，有时候分辨率不良也会导致色偏出现； C.和镜片镀膜工艺相关 与A匹配程度A偏大会出现色偏现象D.与CRA匹配程度,CRA偏大会出现色偏现象 E.色彩饱和度是与CCD关联，CCD白平衡做的好坏影响色温，会导致清晰度不足，出现 色偏 舜宇浙江光学研发部 07-Aug-2011 Sensor 的光谱响应曲线 舜宇浙江光学研发部 07-Aug-2011 白平衡造成的色彩差异 不同色温下光源所呈 现的颜色： 自动白平衡自动白平衡 偏黄 白炽灯 手动白平衡 舜宇浙江光学研发部 07-Aug-2011 ?景深的概念与计算：景深的概念与计算： 焦点（focus)： 与光轴平行的