博士基于ZEMAX的手机镜头设计
手机是人们日常生活中必不可少的一种工具，不仅方便了人与人之间的沟通，而且手机的功能也越来越多了。本文是一篇博士毕业论文范文，主要论述了基于ZEMAX的手机镜头设计。
【摘 要】利用ZEMAX光学设计软件，设计一款手机镜头，该镜头由4片非球面塑料透镜和一片玻璃滤光片组成，镜头总长度为3.26mm，光圈值F为2.08，视场角为60°，焦距为2.10 mm，后焦距为0.33 mm。该镜头在192lp/ mm 处的MTF值大于0.6，像差在0-0.07mm内，畸变小于0.5%。
【关键词】手机镜头,光学设计,ZEMAX
【Abstract】A mobile phone lens assembly composed of 4 plastic aspheric lenses and an IR filter was designed by use of ZEMAX ( optical engineering software). The F-number and FOV( field-of-view )of the camera are 2.08 and 60° respectively. The effective focal length and back focal length are 2.10 mm and 0.33 mm respectively. The total lens length is 3.26mm. The MTF value is more than 0.6 in the center fields of view at 192lp/ mm . Distortion is less than 0.5%.
【Key words】Lens of mobile phone; Optical design; ZEMAX
0 引言
自从手机具备拍照功能以来，人们就在提高手机像素，减小相机体积等提高手机拍照水平领域不断探索，尤其是智能手机出现以后，人们对手机照相的要求更是越来越高。随着手机镜头制造技术的迅猛发展，手机像素日益增高，低像素的手机镜头已被高像素镜头所取代，而且体积也越来越小[1]。高端像素的要求作为手机众多功能中最重要的一环已经被日常化，但是市场上的镜头像素到发展到目前为止脚步有所放缓，这就需要在画质上继续有所突破，才能占有一定的市场份额，提高产品的竞争力，所以本次设计基于目前市场800万像素镜头的标准的基础上，扩大镜头的视场角、优化镜头整体的长度，在保证相对照度稳定的基础上，积极改善800万像素镜头的像质质量，积极配合生产工艺的要求，设计一款良品率较高的可行性产品。
1 设计思路
1.1 设计规格
现在市场上，手机镜头的视场在60°左右，F/#约为2.8，由于手机的小型化体积使得镜头总长有一定限制，一般要小于1cm[2]。具体参数如表1 所示。
1.2 初始结构选取
一个好的镜头离不开一个合适的初始结构，如果初始结构选择不当，再经验丰富的设计者也完成不了设计任务。初始结构的选择有好多种，可以通过设计者的经验利用高斯光学原理创造一个初始结构，但这种方法计算繁琐并且对设计者的像差理论知识和经验要求较高，除此之外也可以通过查阅手册或者查询相关专利来获取初始结构，这种方法比较简单方便，而且能达到理想的设计需求[3]。
根据所要设计镜头的视场、光圈、镜片数目及材质选取美国一个专利的雏形结构，并对其部分参数进行修改，得到一个基本符合要求的初始结构[4]。该初始镜头的光圈值为F=2.85，视场2k=60°，由5片镜片组成，前四个透镜都是由塑料材质制成的非球面透镜，第五片镜片是一片玻璃材质的红外滤光片。第一个透镜材料是N-LAK34，具有正折射率，入射面和出射面均为凸面;第二个透镜采用聚碳酸酯(POLYCARB)，折射率为负值，入射面和出射面均是凹面;第三片透镜材料选择ZEONEX公司的E48R，折射率为正值，物方一侧的镜面是凹面，像方一侧的曲面是凸面;第四片透镜选用聚碳酸酯(POLYCARB)，具有负折射率，入射面为凸面，出射面为凹面。第五片透镜是滤光片，采用玻璃BK7。光阑位于第一片透镜和第二个透镜之间。
1.3 优化
(1)把所有透镜的曲率半径，厚度，间隔，非球面系数设置为可变量，在Zemax 中加入焦距，系统结构长度限制条件，各个初级像差，主光线出射角和Zemax 默认的优化函数等限制参数，进行初步优化。
用操作数EFFL控制手机镜头的有效焦距，用操作数TOTR将整个镜头的长度控制在5mm之内;同时用LONA和SPHA控制轴向球差，用COMA、TRAY操作数等控制系统慧差，用ASTI控制指定面的像散贡献值，用FCG T和FCGS分别控制指定视场的子午场曲和弧失场曲，用DIST和DIMX控制系统的光学畸变，LACL、REAY操作数来控制系统色差，用RELI控制相对照度;用 MNCA、MNEA、MXCA、MNCG 、MNEG、MXCG等控制最小空气厚度、最小玻璃厚度等[5]。
(2)通过改变各个参数的权重并加入高级像差参数可得到更好的像质，减少高级像差，如果高级像差不能矫正，则可以尝试换其他的玻璃来优化，也可以通过手动微调来反复优化，这样有可能得到更优质的结构。
(3)最后把一些像差的权重设置为0，最好只加入结构限制的参数和默认的优化函数进行优化，也可以通过加入MTFS、MTFT 参数等使MTF(调制传递函数)进一步提高，最终达到各个像差平衡。
2 设计结果
优化后镜头结构如图1所示。F/#是2.077，光学总长度为3.258mm，焦距为2.098mm，视场为60°，后焦距0.327mm。
2.1 点列图
由一点发出的许多光线经过光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成一个散布在一定范围的弥散图形，而且点的分布能近似地代表点像的能量分布，因此点列图中点的密集程度可以衡量系统成像质量的优劣。从图2的点列图中可以看出本手机镜头模型的弥散斑较小，基本满足设计要求。 2.2 横向特性曲线
系统的横向特性曲线可以很好的描述系统的整体像差情况，如图3所示。
图3中的10个曲线图分别表示5个不同视场下的光线像差，每个视场下分别对应X (子午)和Y(弧失)方向的情况，其中，每个曲线图的横轴表示归一化的光瞳坐标PX和PY，纵轴表示光线像差的X或Y分量的大小，可以看出，前5个视场 的像差很小，全视场时在边缘口径处出现少量的高阶像差，但控制在50μm之内。
2.3 光学调制传递函数
MTF(调制传递函数)是一个能全面评估光学系统成像质量的函数，它计算所有视场位置的衍射调制传递函数值，反映了光学系统对物体不同频率部分的传递能力。摄影镜头在景物信息的传递过程中，一般存在着明显的失真现象。用不同摄影镜头在相同情况下，对同一空间频率的景物成像时，由于各镜头对像差校正的程度不同，因而不同镜头的MTF值的大小一般并不相同。对镜头像差校正得愈好者，则其MTF值愈高。反之MTF值愈低，则说明该摄影镜头在信息传递过程中的失真将愈大，景物中陡直的矩形波将变为平缓的正弦波，且振幅明显减小。MTF能反映除畸变外的所有其它像差。
理想像的MTF曲线形状，是一条MTF值为1的水平直线，即在各种空间频率处MTF值均为1。摄影镜头在传递信息的过程中，高频部位的损失要远比低频部位的损失大些，这将导致所摄影像的细部明锐度出现较大的损失。
由图4可以看出，中心视场下在192lp/ mm 处，MTF值大于0.6，在480lp/ mm处的MTF 值都大于0.25，满足照相系统的MTF阈值。
2.4 场曲和畸变
图5是手机镜头的场曲和畸变曲线，该镜头像差不超出范围0-0.07mm，畸变范围为-2.5%―0.5%。场曲是反映镜头成像质量的又一个衡量标准，它反映整个像面的弯曲情况。
对于手机镜头，场曲要求在0.lmm内。从图5可以看出这个镜头的场曲小于0.07mm完全满足要求。手机镜头的畸变一般要求在5%以内，从图5可以看出这个镜头畸变小于1%。
2.5 色差和球差
图6是该手机镜头的垂轴色差，由图可知色差小于2μm，在极限范围内，基本达到约束高级像差的要求。
3 结论
通过ZEMAX光学软件对初始镜头优化设计，得到了一款成像质量较高的手机镜头。由于该镜头采用了非球面设计，成像质量高，且整体尺寸短，便于在手机上集成。该镜头焦距为2.098mm，后焦距0.327mm，光学总长度为3.258mm，光圈值为2.08，视场为60°，畸变小于1%。综合来说，此镜头体积小，成像质量较高，满足实际生产要求。
【参考文献】
[1]刘宵婵.变焦手机镜头的设计[D].吉林长市：长春理工大学，2009.
[2]李广，汪建业，张燕.800 万像素手机镜头的设计[J].应用光学，2011，32(3)：420-424.
[3]张萍，王诚，宋东�[，李小俊.500万像素手机镜头设计[J].应用光学，2009，30(6)： 934-938.
[4]尹志东.800万像素手机镜头的光学设计与制造[D].吉林长春：长春理工大学，2014.
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