1650万像素的手机镜头设计

Yuke Ma, V. N. Borovytsky

摘要：

设计了一款1650万像素的手机镜头。该镜头由3个塑料非球面透镜、一个玻璃球面透镜和一个红外玻璃滤光片组成。使用的是豪威科技的像素大小为1.12微米的CMOS OV16850作为图像传感器。该镜头的有效焦距为4.483 mm, F数为2.50，视场为76.2度，总长度为5.873 mm，最大失真小于2.0%。全场相对照度最小值大于39.8%。

关键词：手机摄像头，1650万像素传感器，Zemax

学科领域:移动计算系统，光通信

1. 介绍

2014年10月7日，豪威科技(纳斯达克:OVTI)宣布推出1650万像素的数字图像传感器OV16850。设计一个1600万像素的小尺寸相机镜头不是一件简单的任务。在已发表的论文中，宋等人(2010) 研究了一种由4个塑料非球面镜片构成的500万像素手机镜头。最近,彭(2013) 通过使用1个玻璃和3个塑料非球面镜片(1G3P)光学系统来完成一个800万像素的手机镜头。尹等人(2014)选择了5块塑料非球面透镜(SP)结构配置，研究了一种1300万像素的手机镜头。

本文根据我们所知，首次采用1P1G2P镜头配置，详细设计了1650万像素的手机镜头。

传感器OV16850具有以下规格：像素大小为1.12微米，分辨率为5408像素x 3044像素，对角线长度为6.95毫米或像高，主光线角为33.4度。传感器的奈奎斯特采样频率可以通过1000 /(2 x 1.12)= 446 lp / mm来计算。因此镜头的有限分辨率应优于446 1p / mm。 6.95毫米的像高和76.2度镜头的视场确定了4.432毫米的焦距。我们将镜头的有效焦距设置为小于4.5毫米，因此手机摄像头的总光学长度可以限制在5.90毫米。

一个1650万像素的手机相机镜头的规格参数如表1所示。

2.设计方法

2.1.光学材料

本设计采用了Zeonex公司的光学树脂E48R。该光学树脂具有高透明度、低荧光、低双折射、低吸水率、低成本、高耐热性、易于批量生产成型等优点。由于镜头具有较大的视场，并且其高阶光学像差(例如高阶球差，像散，彗差，高阶色差等)相当大，为了获得更稳定和清晰的图像, 将透镜的一个元素设置为非球面玻璃透镜，第二个元素的材料是SF56A，光学折射率为1.785，色散系数为26.08，选择透镜的第一，第三和第四元素 为E48R，其光学折射率为1.531，相应的色散系数为56.0，第五个元素是红外滤光片(IR)，最后一个是保护玻璃BK9。

2.2 设计程序

Zemax用于模拟镜头光学系统。考虑到低价格和大量生产，通过试错法为设计选择了镜头的初始配置1P1G2P。该透镜有6个元件，第一个至第四个元件分别是非球面透镜，第五个元件是IR滤光片，第六个是传感器的玻璃盖。单元1-4的所有表面均设置为非球面轮廓，第五和第六个元素为平面。每个表面的厚度和半径从1到8设置为可变。所有的表面圆锥常数以及非球面系数都设置为可变的。

2.3 优化过程

优化过程包括三个步骤：1)使用操作数EFFL定义镜头的有效焦距，使用操作数TOTR限制镜头系统的总光学长度，使用操作数RAID限制CRA，使用操作数REAY定义图像高度； 2)优化函数还包括操作数MNCA，MXCA和MNEA，以定义空气厚度和空气边界约束，同时操作数MNCG、MXCG和MNEG也可用于玻璃；3)最初，操作数LONA用于控制球面像差，LACL用于控制该焦点系统的侧向色差，TRAY和SUMM用于控制慧差，而操作数DIMX用于控制每个视场的失真； 4)使用TRAY，DIFF，RAGC，ACOS和TANG操作数控制切向曲率； 5)使用操作数TRAY，DIFF，RAGC，ACOS，TANG，CONS和PROD控制矢状曲率； 6)操作数TRAC用于控制整个波长的每个视场的光斑大小。

步骤2初始优化后，在优值函数中添加了高阶控制操作数，即：1)使用操作数TRAY，RAGC， ACOS，TANG，DIVI和DIFF控制轴向和纵向色差； 2)使用操作数TRAY，RAGC。 ACOS，TANG，DIVI CONS，PROD和DIFF可控制高阶球差； 3)使用TRAY，DIVI和DIFF控制高阶色差球面像差； 4)使用FCGT，FCGS，DIFF和SUMM控制像散。

步骤3在每次优化完成后观察赛德系数，观察布局以显示合理的配置。最后。 1)MTFS、 MTFT被添加到优化函数中以提高镜头分辨率； 2)同时用操作数OPDX代替TRAC：3)优化函数权重随时可以更改，以优化一些影响较大的项目，以获得合理的镜头配置。

表1 1650万像素的手机镜头规格参数。

3. 结果

优化后的镜头配置如图1所示，相应的镜头数据列于表2和表3中。镜头的总长为5.873毫米，有效焦距为4.483毫米，后焦距为0.207毫米镜头的视场为76.2度，像高为6.97毫米，略大于CMOS传感器的尺寸，这意味着将CMOS传感器轻松安装到镜头模块上。 主光线角小于33.4度；可以使用光学元件和COMS之间的良好耦合。

点列图，MTF，曲率和畸变，横向色差，色焦点偏移和相对照明可用于评估透镜设计。光点尺寸的均方根半径应小于像素尺寸的三倍(Yu [8])，对于本设计，它为3.36微米。所有场的均方根点如图2所示。

视场1-6(从0.000到0.787视场)的RMS点半径分别为2.545 um，2.761 um，2.662 m，2.856 m，2.337 m和2.091 um，远小于比CMOS传感器的成像需求，与此同时，场7的光斑尺寸半径(FOV 0.92)为5.641 um，而场8的光斑尺寸半径(FOV 1.0)为4.985 um，非常接近此需求。整个视场都可以非常清晰地成像。

表2  镜头配置数据

表3 各对应表面的非球面系数

图1. 1650万像素手机相机镜头的布局

MTF是评估镜头成像特性的综合标准。在此设计中，在223lp / mm处的中心场的MTF值为53.4％，对于视场0.8区域在446 1p/mm处的MTF值为21.4％，在矢状面中223 1p/mm处的MTF值大于37.6％，并且大于32.6 切向平面中的％，在4461p/ mm时，矢状面的MTF值大于14％，切向平面的MTF值大于2％。MTF曲线如图3所示。镜片的曲率和畸变如图4所示。如图4所示，透镜的场曲低。它在0.05以内，远远小于成像所需的0.1，并且畸变小于2％。满足设计需求。

图3. 1650万像素手机镜头的MTF曲线

图4. 1650万像素手机镜头的场曲和畸变

这款1650万像素的手机相机镜头的横向色差和焦移都显示出了接近衍射极限的设计。它们分别如图5和图6所示。在图5中，最大视场的横向色差在艾里斑内，这意味着衍射限制设计。图6还表明，透镜的色焦位移在衍射极限内，需要检查透镜的相对照度;如图7所示。从图7中可以看出，相对照度的最小值为40%。自动增益控制电路和自动平衡控制电路均能保持图像的均匀亮度。结果表明，本设计的1650万像素像素的手机摄像镜头能够满足设计需求。

图5. 1650万像素手机相机镜头的横向色差

图6. 1650万像素手机镜头的色相焦点偏移图7. 1650万像素手机镜头的相对照度

最后，进行了公差分析，结果表明半径和厚度偏差为5 um，偏心偏差为10μm，倾斜角度为0.2度。由表2还可以看出，塑料件的最小厚度为0.354mm，这意味着精密注塑成型的塑料透镜元件的大规模生产是可以预期的。为了便于生产，将用于此设计的玻璃元件设置为标准球形表面。总而言之，此1650万像素的手机摄像头镜头是实用的设计。

4. 结论

通过使用Zemax设计了一个1650万像素的手机镜头。该镜头由3个塑料非球面透镜，一个玻璃球面透镜和一个红外玻璃滤镜组成。来自豪威科技的像素尺寸为1.12微米的OV16850被用作图像传感器。镜头的有效焦距为4.483毫米，F值为2.50，视场为76.2度，总长度为5.873毫米。这是针对1650万像素手机摄像头镜头的实用设计。

 参考文献

[1] Geary, J.M. (2002) Introduction to Lens Design with Practical Zemax Example. Willmann-Bell Inc., Richmond.

http://www.ovt.com

[2] Zhang, P., et al. (2009) Design of a 5 Megapixel Mobile Phone Camera Lens. Journal of Applied Optics, 30, 934-938.

[3] Song, D.F., et al. (2010) Design of Lens for 5 Mega-Pixel Mobile Phone Cameras. Journal of Applied Optics, 31, 34-38.

[4] Peng, X.F. Design of High Pixel Mobile Phone Camera Lens. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 6, 1160-1165.

[5] Yin, Z.D., et al. (2014) Optical Design of a 13 Megapixel Mobile Phone Camera Lens. Laser & Optoelectronics Progress, 51, 163-168.

[6] World’s Foremost Optical Polymer for Precision-Molded Optics. http://www.zeonex.com/optics.aspx

[7] http://www.zemax.com

[8] Yu, D.Y. (1999) Engineering Optics. China Mechanical Press, Beijing.

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