基于ZEMAX軟件手機攝像鏡頭的設計研究

唐盼磊，王建東

電子科技大學物理電子學院，四川成都 610000

1 關于ZEMAX軟件和手機攝像頭

1.1 認識ZEMAX軟件

ZEMAX是用光線追跡的方法模擬折射、反射和衍射的序列及非序列光學系統的透鏡設計程序。ZEMAX用“面”的概念模擬序列光線追跡，用“組件”或“物體”的概念模擬非序列光線追跡[1-3]。

1.2 認識手機攝像頭

手機攝像頭的原理：

在手機的CPU上通過集成攝像頭驅動和視頻處理系統等，一般的手機CPU和攝像頭數據信號有八個到十個，這要根據攝像頭自身的特點和手機CPU的型號來確定，當拍照或攝像狀態被啟用時，且保證了相應的電壓，然后由CPU送出的復位信號實現攝像頭的復位操作，數據的傳送就開始進行了，攝像頭同時也進入工作狀態。

2 基于ZEMAX軟件手機攝像鏡頭的設計過程

2.1 初始結構的選擇和設計

手機攝像頭物鏡屬于大視場大孔徑系統，因此大大增加了需要校正的像差，結構也比較復雜，所以初級像差求解的方法不能滿足手機攝像頭物鏡設計對初始結構的確定，而是要求一個接近于設計要求的系統作為原始系統，我們可從手冊、資料或專利文獻中找出。在選擇初始結構時，對相近的焦距找到要求不高，一般在相對孔徑和視場角達到要求時，我們就可以將此初始結構進行整體縮放得到要求的焦距值[7-10]。

圖像傳感器或攝入底片的空間范圍由有效焦距和照相物鏡的視場角決定，公式y=-ftanw用來計算鏡頭所成的半像高y，其中f指示為有效焦距，w指示為視場角。為防止CMOS裝調偏離光軸而形成暗角，半像高y應稍大于圖像傳感器CCD或CMOS的有效成像面對角線半徑。

2.2 輸入參數到ZEMAX軟件

將系統中第六面設為光闌面，厚度設為marginal ray height，移動光標到STO光闌面（中間一個面）的“無窮（Infinity）”之上，按INSERT鍵。這將會在那一行插入一個新的面，并將STO光闌面往下移。新的面被標為第2面。再按按INSERT鍵兩次。移動光標到IMA像平面，按INSERT鍵兩次。然后將大小分別為4mm、5mm、6mm的LDE曲率半徑參數以及大小分別為26mm、27mm、28mm的鏡片厚度參數依次輸入到ZEMAX軟件中。

2.3 在ZEMAX軟件中進行優化

（如圖1所示）利用ZEMAX得到初始結構的MTF曲線，可看出成像質量比較差, 因此需要校正像差。

圖1 利用ZEMAX得到初始結構的MTF曲線圖

首先使用Default Merit Function建立缺省評價函數進行優化，然后在Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coefficients中查看，找出對賽得和數影響大的面，將這些面的曲率半徑設為變量，優先優化。到這一步后發現已經基本符合設計要求，再根據2D圖適當調整曲率半徑和厚度，每次調整后再次優化實時關注MTF圖的曲線變化，最后使各個參數都在可接受范圍之內，其中最后得到的可用的曲率半徑為6mm和厚度為28mm。

3 結論

本文所描述的手機鏡頭的設計是采用一款奈奎斯特頻率較好的500萬像素CMOS傳感器

進行的。設計的同時，利用ZEMAX軟件使用合適的優化函數和權重對像差對其進行校正, 漸而逐步消除了基本像差和高級像差，像差平衡也同時在進行著，有效焦距為5mm的手機攝像頭就這樣被獲得了，而且將各個市場畸變有效地控制在1%以內。經測試，設計出的手機攝像頭不僅滿足了MTF曲線的理想狀態，而且也有比較好的像質，迎合了市場的需求。

[1]曹紅曲.基于ZEMAX軟件的三組元變焦系統凸輪曲線設計程序[J].光學與光電技術，2011，9(3)：31-34.

[2]雷平順，薛力芳，何軍，等.ZEMAX在多模光纖準直器設計中的應用[J].激光與光電子學進展，2011，48(1)：58-61.

[3]孟曉辰，郝群，朱秋東，等.基于Zemax的部分補償透鏡的優化設計[J].光學學報，201131(6)：215-221.

[4]李維善，陳琛，張禹，等.基于ZEMAX軟件的DLP微型投影鏡頭的設計[J].應用光學，2011，32(6)：1121-1125.

[5]范應娟，張艷軍.基于Zemax的He-Ne激光光束聚焦物鏡的設計[J].應用光學，2010，31(6)：1032-1035.

[6]莊振鋒.手機取像鏡頭設計[J].漳州職業技術學院學報，2010，12(1)：11-13.

[7]宋東璠，張萍，王誠，等.基于ZEMAX的手機攝像鏡頭設計[J].應用光學，2010，31(1)：34-38.

[8]吳洋，唐彬，霍合勇，等.ZEMAX模擬中子相襯成像研究[J].核技術，2007，30(4)：290-293.

[9]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.

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