超廣角非球面手機鏡頭設計

陶郅

摘? ?要：目前市場上手機鏡頭的功能呈現多元化，為滿足市場上對超廣角手機鏡頭的需求，使用光學仿真軟件，基于塑料非球面，設計了一款1/3.06英寸，1300萬像素的超廣角非球面手機鏡頭。該設計的焦距為2.13mm，F數為2.4，視場角為110.6°，全視場在250lp/mm的調制傳遞函數（MTF）大于0.24，畸變小于2.6%，相對照度大于46%，成像質量良好。經過公差分析，滿足生產要求。

關鍵詞：光學設計? 非球面? 超廣角? 手機鏡頭

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（c）-0081-02

2003年夏普公司研發了第一款百萬像素的拍照手機。2006年，三星公司推出了一款擁有1000萬像素攝像頭的手機[1]。隨著芯片集成度不斷提高，在相同尺寸的CMOS上，獲得了越來越高的分辨率。同時，傳統光學的加工技術水平的不斷提高，光學鏡頭的性能實現了大幅度的上升。此外，人們使用手機拍照的場景越來越復雜，對鏡頭的性能提出了更高的要求。特別是近幾年，各大主流手機廠商都推出的擁有廣角、甚至超廣角拍照功能的手機。綜上所述，文章基于非球面鏡片設計了一款超廣角手機鏡頭。

1? 光學設計

1.1 材料的選擇

光學塑料是一種透明的非晶體有機高分子聚合物，由單分子聚合而成[2]。塑料零件具有以下優點：（1）透光性好;（2）質量輕，耐沖擊強度高;（3）成本低，利于大量生產;（4）能夠滿足特殊的設計要求，如非球面透鏡[3]。

1.2 設計指標

本文使用Omnivision公司的一款1/3.06英寸的CMOS，其型號為OV13885。

CMOS的重要技術參數如表1所示。

根據目前市場上超廣角手機鏡頭的需求，設計要求如表2所示。

1.3 初始結構選擇

由于使用PW法計算光學系統的初始結構計算量大且效率低，所以本文使用縮放法，以美國專利US9557530B2[4]中的結構為基礎，使用光學仿真軟件ZEMAX建立初始光學系統，并確定相應的波長范圍、視場角及光圈大小。

1.4 優化過程

在初始結構的基礎上變更光學系統的特性。通過增加鏡片，改變孔徑光闌位置，控制光線的CRA角，調整非球面矢高，限制最后一片鏡片的后焦距離等，優化光學系統的成像質量。同時，控制入射到第一片鏡片前的入射光線的角度，實現鏡頭視場角的放大優化。其后，通過仿真軟件控制鏡頭的場曲、畸變、相對照度等光學參數。最后通過調整各個視場的權重，達到不同視場的成像質量和像差的平衡。

1.5 設計結果

如圖1所示為該手機鏡頭的2D外形結構。該設計第1、3、5片鏡片采用牌號為APL5514ML的塑料鏡片，第2、4、7片使用日本大阪燃氣化學公司的OKP1，第6片鏡片的材料為日本三井公司的APL5014DP。

2? 設計結果分析

設計結果主要圍繞系統的光學性能和幾何結構進行評價。

成像質量是評價一個光學系統優劣的重要標準，主要采用調制傳遞函數（MTF）來評估。如圖2所示是該手機鏡頭的MTF曲線圖。從圖中可以看出全視場在250lp/mm處，MTF大于0.24，全市場在150lp/mm處MTF大于0.5。

畸變和場曲也是評價光學性能的重要指標之一。場曲會導致光學系統的最佳成像點不能與CMOS的感光面重合，引起圖像的模糊。場曲主要分為子午場曲和弧矢場曲，圖3中的左圖就是該系統的場曲曲線，可以看出場曲小于50μm。

畸變不影響鏡頭成像的質量，但是它會導致圖像變形，典型的形態就是擴展和壓縮，所以畸變越小，說明光學系統的性能越好。由圖3中的右圖可以看出，該光學系統的畸變小于2.6%。

此外，還需要評價光學系統的相對照度，即中心視場和邊緣視場的照度的比例。手機鏡頭的相對照度越高，后期需要做的圖像調整就越少。如圖4所示，該光學系統的相對照度大于46%。

3? 制造裝配公差分析

一個光學系統設計完成后，除了要有優良的成像質量外，也要具有滿足現有加工水平的公差。如果系統的公差過緊，則導致最終的加工裝調成本提高，甚至導致加工裝調失敗[5]。使用光學仿真軟件ZEMAX，分別把光學系統中的曲率半徑、鏡片厚度、鏡片間隔、玻璃折射率、玻璃色散、面偏心和傾斜、元件偏心和傾斜作為公差變量，使用敏感度分析和蒙特卡洛法分析。結果顯示在一般加工工藝的公差條件下，該手機鏡頭使用自然組合裝配，80%以上的樣本在250lp/mm處的MTF大于等于0.17。

4? 結語

當前主流市場上的手機對廣角攝像頭，甚至超廣角攝像頭的需求越來越大。因此，本文以某美國手機鏡頭專利中的設計作為初始結構，使用光學仿真軟件進行優化，設計了一款1300萬像素的超廣角非球面手機鏡頭。該鏡頭在實現大視場角的同時，保證了邊緣成像質量和小畸變。通過結構分析、光學性能分析、和公差分析，該鏡頭性能達到市場需求，并且符合實際加工制造要求。此外，后續將繼續研究，優化設計出視場角更大，相對孔徑更大的手機鏡頭。

參考文獻

[1] 王思聰，王起飛，陳曉西，等.基于曲面傳感器的大孔徑1300萬像素手機鏡頭設計[J].應用光學，2018，39（6）：902-907.

[2] 王之江，顧培森.應用光學技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3] 沈滿德，李程，任歡歡，等.輕小型折射_衍射混合自由曲面塑料微光夜視儀物鏡設計[J].紅外與激光工程，2014，43（1）：160-165.

[4] Chen W Y，photographing optical lens assembly，image capturing unit and mobile device.

[5] 李航，顏昌翔.800萬像素手機廣角鏡頭設計[J].中國光學2014，3（7）：456-461.