單中心超廣角手機鏡頭設計

謝無敵

（浙江舜宇光學有限公司，浙江 寧波 315400）

由于科學技術的持續進步，使得手機鏡頭設計水平得以較好地強化，在圖像傳感器制造水平方面亦獲得了極大的成長，手機像素從過去的11萬提升到現在的1 000萬（普遍使用），舉例來講，華為P40手機采用了徠卡攝像頭，在像素方面達到了4 000萬，并且支持超大廣角等攝影模式[1]。從現在的手機鏡頭來看，正朝著更加多元以及更加高質的方向發展，而這些優質手機鏡頭的出現使得手機性價比得以極大提升，并促使手機品牌競爭力得以深層次強化[2]。同心光學系統，通常亦被叫做對稱系統，其對應的物點均處在稱軸部位，和曲面傳感器實現有關的匹配，僅需展開對球差等的矯正，主要用在大視場等光學系統。在當前，手機鏡頭光學系統全視場角的區間通常處于65°～80°這個范圍，而在系統總長方面則是處于4.5～6.5 mm這個區間，以此藉由非球面設計推行，這種情況下，整體支出便會大大增加[3]。由此，如若能夠促使成像視場角的前提下，降低對非球面應用，可以極大地促使生產投入的有效降低。而在文章進行論證的過程中，能夠有效地連接成像的有關原則以及特點，構建出兩個光學系統，具體研究分析如下。

1 光學設計分析

1.1 同心光學系統結構特點

以同心透鏡來看，往往藉由兩個光學折射面球心重合的凹、凸透鏡，這樣便能夠呈現出相當程度的負光焦度，并由此起到對應的發散功能，進而影響光線發揮。該系統存在單心性，并且還有高度對稱性，鑒于這些特點，其在具體的使用時會具有大視場方面[4]。通過控制同心光學系統最內層2個對稱半球透鏡的曲率半徑，絕對值等于厚度，再膠合，這樣便可以和球透鏡實現對應的整體構建效果。

1.2 傳感器的選擇

由于科技的持續發展，使得在圖像傳感器方面的技術隨之提升，而加之曲面傳感器也開始進入市場，并獲得了較好的應用，能夠在手機鏡頭等方面獲得相應的使用，還可以用在汽車等領域[5]。借助曲面傳感器的使用，傳統的平面傳感器逐漸被代替，由此能夠促使光學系統在展開設計作業時相應的難度會大大降低，這樣便會不再過度依賴非球面透鏡等的使用，減少生產支出，從而處理大視場光學系統場曲等缺陷，亦能夠對邊緣暗角進行高效消除，促使邊緣像質得以強化[6]。在此次分析中，主要借助像元展開，而其對應的規格通常是1.25×1.25 μm，這樣便可以達成對應的單中心超廣角手機鏡頭光學系統。

1.3 設計參數

對常見的手機鏡頭相關的成像視場數值予以關注，其具體的數據通常會在65°～80°，而這個數值亦即意味著所進行的成像存在著一定局限[7]。此次研究中，最終形成的手機鏡頭相對較好，各個方面的數據都能夠呈現出一定的優勢，這就使得在像素數據方面表現出一定的性能，對應的像素數值達到了1 300萬，而具體的參數見表1。

表1 手機鏡頭設計

1.4 初始結構

在展開結構方面的研究作業時，特別要對選型工作予以足夠的關注，通常的做法為藉由計算法等展開，在本文中用了相關的查資料法，這樣便能夠較好地得到初始結構，詳細的參數見表2。

表2 單中心全景成像儀結構參數

在將相關的參數輸入結束后，對物距進行調整，改為無窮遠，而在系統孔徑方面則是設置近軸工作F數，對應的初始數據是2.0，在視場角方面，對應的數值具體構建為120°，而在可見光中心，相關的波長存在著一定優勢，具體對應的數值為486、587、656 nm，通過這些設置，便可以得到對應的初始結構，詳細情況通過圖1能夠獲得。

圖1 所設計的手機鏡頭初始結構

1.5 結構優化

借助ZEMAX軟件展開相應的優化，將對應的各項數據輸入之后，整體的情況便會發生改變，由此獲得初始結構，隨后應該將側重點放在手機鏡頭方面，重點關注對應的設計標準，展開相應的優化作業，具體如下。首先，是對系統參數展開對應的調整，有必要的話則可以展開初始結構調整。其次，則是借助操作數CVVA等實現同心結構的有效把控[8]。第三，把透鏡曲率半徑等當成變量，且應該將其把控有效的區間，這樣，在同心透鏡方面，對應的厚度則是應該把控在合理的區間里。接著，則是關注單步優化情況，還有，必須展開關于設計指標方面的分析，并由此達成操作數的優化作業，而評價函數與操作數、權重的關系為：

2 設計結果與分析

2.1 設計結果

傳統濾光手機鏡頭在組成方面通常為4片同心透鏡，并且會增設曲面濾光片構成，而在鏡頭結構參數方面的實際情況能夠從圖2（a）看出；新型濾光鏡頭在組成方面通常為4片同心透鏡，并且在第二透鏡后會加置紅外截止膜，詳細的鏡頭結構參數則是能夠通過圖2（b）看出。整體來看，兩個手機鏡頭存在的具體情況為，在系統焦距方面全部是0.264 cm，而在系統F數方面則全部是1.8，而通過分析能夠看出，它們的全視場角處于一致，對應的數值為130°，它們在系統總長方面同樣處于一致，對應的數值為0.41 cm，能夠符合相應的光學系統設計規范[9]。藉由相關的資料能夠看出，傳統手機鏡頭后置曲面濾光片通常是同心厚透鏡，導致在進行生產加工時難度出現了相應的提升，而在此次研究中，則是借助在半球透鏡的平面上鍍紅外截止膜方式，從而促使加工性得以較好提升，并大大減弱系統的復雜性。

圖2 手機鏡頭結構圖

2.2 結果分析

MTF是將空間點進行光學傅里葉變換、表征光學系統對不同空間頻率的正弦光柵的傳遞和反映能力的函數，由此可以對光學系統像質展開相應的研究，且能夠賦予較為客觀的整體性評價。對奈奎斯特頻率進行分析，具體的數值是400 lp/mm時，相對應的MTF則是在數值上為0.7，而以這個數值來看的話，則是處于相對不錯的狀態下，這是由于在攝像鏡頭方面，相關的數值規范是0.7視場以內，這樣便可以實現清晰分辨。而在軸外視場方面，相關的分辨率則是能夠被允許出現相當程度的減小。

3 結束語

在本文里，結合同心透鏡相關原理特征，并且緊密聯系曲面傳感器的成長走向，借助ZEMAX軟件，從而構建出2個單中心超廣角手機鏡頭。借助透鏡半徑等的有效改善，從而促使系統復雜性實現相應的減少。此次的研究重點考量了單中心超廣角光學系統的制造可行性，且極大地促使制造難度時間減弱，而且在光學系統方面，也存在著相當不錯的成像品質，能夠滿足生產方面的規范條件，這樣便使得系統的可制造性得以提升。