手机照相镜头的光学设计

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1、手机照相镜头的光学设计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：10.07m m,后焦距：1.27m m。畸变 范围-1.07到1。76之间.中心视场MTF1601p/mm值为0.52.边缘视场MTF 120lp/

2、mm 值为 0.53。关键字：可拍照手机镜头小型化 ZEMAX 优化。目录摘要(I)Abstract(II)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)24。1镜头类型选择的依据7 (4)2.4.2数码镜头鉴别率(4)2。4。 3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

3、(6)3。1光学设计软件简介(6)3.1.1 ZEMAX MTF 函数 (6)3。12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)332 F数的确定 (10)3。 3。 3工作波长的选择 (10)334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

4、： (15)3.4。4场曲畸变图 (16)3。4.5 点列图(17)346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)3.5.5 MTF 分析图(21)35。 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)36。 2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)37设计结果(27)4结论(29)致谢30)31)参考文献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

5、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NEC N8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

6、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MMS 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

7、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NECN83 0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，米用的是富 士的Super CCD，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

8、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SCHS 250.2005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

9、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

10、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、镜片及镜片之间的距离、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

11、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(Gaussian

12、Fiction).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(Paraxial Optics)。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58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及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

13、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:CMOS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/CMOS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，而电流的强度则及光照的强度对应。现在的消费级数码产品使用的影像传感 器主

14、要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2。7英寸、1/3.2英寸四种。CCD/CMOS尺寸 越大，感光面积越大，成像效果越好4。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。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

15、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6。数码产品的镜头由多片镜片组成，材质则分为玻璃及塑料两类。2。4.1镜头类型选择的依据71）孔径:NA=n. Sin v （数值孔径）D/f.（相对孔径）f. =1/D （F 数）n. Sinv= D/2f=1/（2X F 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2.4.2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 及镜头在分辨率上是相配的； 在垂