超薄高清手机镜头光学系统设计

董永圣，丛京洲，李艳红，付跃刚

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春130022；2.舜宇光学科技（集团）有限公司，宁波 315000）

超薄高清手机镜头光学系统设计

董永圣1，丛京洲2，李艳红1，付跃刚1

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春130022；2.舜宇光学科技（集团）有限公司，宁波 315000）

现代生活中，手机已经成为了人们生活中必不可少的一部分，照相功能作为手机的基本功能也越来越受到消费者的关注。市场上用户已经把手机性能的选择照相指标作为首位；高像素实用型照相手机已经成为广大消费者竞相首选的对象，因此，设计一款高像素轻薄型手机镜头具有重要的现实意义。围绕焦距是3.5mm手机镜头光学系统进行设计，首先介绍了手机镜头的发展趋势，研究目的、意义以及光学镜头设计的参数要求。介绍了手机镜头的相关知识、同时也研究了作为手机镜头的光学系统初始结构的特点及类型等。设计了焦距是3.5mm手机镜头，系统尺寸紧凑4.149mm；传递函数在中频223lp/mm处MTF≥0.4，在高频446lp/mm处MTF≥0.1，场曲小于0.1mm、畸变小于1%。通过对所设计的手机镜头光学系统的公差分析，结果表明公差合理。

手机镜头；光学设计；公差分析；系统优化

手机镜头的研发工作始于20世纪90年代，世界第一款照相手机是由夏普和日本当时第三大移动运营商J-PHONE（现在的日本沃达丰）在2000年合作推出的J-SH04手机。当时这款照相手机只配备了一个11万像素的CMOS数码相机镜头。尽管该手机拍摄的画面质量比较差，但是J-SH04开创了拍照手机的先河［1］。现在手机已经成为了大众生活必不可少的通讯工具，手机镜头也从最初的十几万像素迅速发展到现在的几百万像素，甚至上千万像素的手机镜头也已出现。但是大部分高档手机镜头都被国外一些制造商所垄断，国内生产的高品质镜头非常有限；因此设计一款超薄高像素且工艺合理性价比良好的手机镜头具有一定的实用意义。本文设计了一款焦距3.5mm的超薄手机镜头光学系统；对最后像质进行了像质评价，并且根据具体加工情况做了公差分析。

1 感光器件的选取

不论是照相手机还是数码相机要有高的成像质量，仅有好的光学镜头是不够的，还需高质量与之相匹配的感光器件。因此随着数码相机、手机相机的应用，图像传感器的研究也得到了很好的发展，目前最常用的两种图像传感器是CCD和CMOS［2］。

CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点［3］。目前来看CCD主要使用在灵敏度、分辨率等要求较高的场合，如高端数码相机、军用光学系统、航天相机等。而CMOS则在数码相机、手机镜头中广泛使用。

本文采用OmniVision公司的一款型号为OV8856的800万像素CMOS图像传感器作为设计镜头的配套接收器。这款图像传感器的尺寸为4.5mm（1/4英寸），像元尺寸为1.12μm。OV8856的主要规格指标如表1所示：

表1 OV8856主要规格指标

2 设计指标

800万像素手机镜头具体设计指标如表2所示：

表2 镜头的设计指标

3 设计思路

3.1 初始结构选取依据

本次镜头采用的结构形式为4P，即4片塑料。初始结构参考了视场和光圈与本设计要求相当的数据，其焦距f=3.99mm，后焦距fB=1mm，F=3，像高2Y=4.6mm。所选用的材料是聚碳酸酯TE02和E48R。TE02折射率及阿贝数分别为：2.2747，16.223。E48R的折射率和阿贝数分别是：1.531，56.04。第五片镜为平面镜用保护玻璃，第六片截止滤光片。初始结构结构图与初始传递函数曲线图分别如图1、图2所示。

图1 初始结构图

图2 初始传递函数曲线

3.2 具体像差优化过程

手机镜头的系统结构源于照相物镜的三片式及四片式，由于手机镜头结构的需求，所以将整个系统的光阑前置，最早数码镜头也有将光阑后置的结构［4］；由于光阑的前置导致了系统相对光阑的不对称，使得垂轴像差增大；所以现在设计的手机镜头大部用非球面来校正其像差；非球面的使用更大的一个优点是可以在和球面系统相同像质的情况下大大的提高其设计参数及压缩整个系统的镜片数［5］。由于大批量生产的需要，现在手机镜片均用光学塑料材料来进行设计，塑料材料和光学玻璃相比较，其性能还是有一定差异；首先可用的塑料材料品种有限，其折射率大部分也比较低，由于这些原因对像差的校正就存在着一定的局限性，因此这点也会增加非球面的数量及高次项来校正像差；透过率也会明显比光学玻璃低很多，但透过率可以通过镀膜来解决。

从初始数据来看各种像差都未能满足设计要求，系统长度也比要求的长；首先加入控制传递函数的操作数MTFA、MTFT、MTFS；然后加入控制慧差的组合操作数TRAY、SUMM、CONS、PROD；在控制像差的同时也要控制结构，使得系统的间隔及厚度既能可变，又能保证合理；所以需要控制镜片的中心厚度，边缘厚度，空气间隔等操作数分别是MNCA、MNCG、MNEA、MNET［6］。经过一段时间优化发现场曲及畸变同样不满足设计要求，逐步加入控制场曲的操作数FCGS、FCGT；畸变的操作数DIMX，畸变的操作数可以控制最大视场，当畸变不在最大视场时也可分别控制不同的视场使每个视场的畸变都能满足设计要求；同时将各个面都变成非球面并且逐步将高次项系数变为可变。在逐步优化传递函数的同时也将各个视场不同频率的操作数也加进去；控制各个像差的同时一定注意系统的总长度、焦距值、像面照度均匀度等；经过不断修正优化目标和权重及增加所需要校正像差及指标的操作数，最终得到满足设计要求的结果［7］。

4 设计结果及分析

优化后镜头各个指标满足设计要求，其最后的结构如图3所示。光学总长度为4.149mm，焦距和后工作距离分别为3.5mm和0.57mm，视场为67.3°，像高2.25×2=4.5mm，满足CMOS的对角线4.5mm，主光线最大出射角（CRA）小于32.9°，满足CMOS耦合的条件［8］

图3 最终结果结构图

4.1 光学调制传递函数

MTF（调制传递函数）能全面评价一个光学系统的成像质量，它是在光学设计完成后，不需要进行试制就能比较具体了解光学系统的实际成像能力的重要评价指标［8］。此镜头依据COMS的像元尺寸计算其系统传递函数应为446lp/mm。由图4可以看出，在中频处223lp/mm其MTF值大于0.5，因为中频反应了一个照相物镜对层次的传递能力，中频像质良好，手机照出的照片才能更有层次感；对于照相镜头0.707视场以内的区域是主要成像区域，对于0.707范围以外的视场传递函数值允许一定程度的下降，特别是高频446lp/mm处0.7视场的MTF值均大于0.1，说明该系统在高频处同样具有一定的分辨能力。

4.2 场曲畸变

场曲反应像面的弯曲程度，对像质有很大的影响，COMS的接收面是一个平面，所以场曲校正的比较良好对成像效果起到了很大的作用，图5中可以看出场曲小于0.1mm；照相系统畸变一般要求在2%以内即可，从图5可以看出畸变小于1%，说明系统的畸变达到了很好的校正。

图4 场曲畸变曲线

图5 传递函数曲线

4.3 色差

色差分为位置色差与倍率色差两种，而由于倍率色差是和视场角有直接关系的一种垂轴像差，所以当视场角比较大时更应注重它的校正，从如图6可以看出倍率色差在衍射极限范围内，已经校正出比较理想的效果。

4.4 相对照度

对于手机照相光学系统来说，一般相对照度愈大越好，随着视场的增大，将导致出射主光线的角度也越来越大，这样就会使相对照度下降，一般来说，全视场相对照度大于50%即可。从图7可以读出边缘视场相对照度接近60%，这对于手机镜头是非常良好的指标。

图6 倍率色差曲线

图7 相对照度曲线

4.5 垂轴像差特性曲线及点列图

从图8和图9可以看出垂轴像差在±50μm之内，点列图在全视场RMS（均方根差）小于3.38μm，也达到了比较良好的效果。

图8 垂轴像差特性曲线

图9 点列图曲线

5 公差分析

5.1 公差的设置

镜片的加工工艺水平决定了系统公差的大小，所以在设计阶段要充分考虑到系统的公差大小；如果系统容忍的公差很小，就有可能就超过现代加工工艺所能达到的指标，最终导致试制失败。

非球面塑料镜片可以采用模压成形技术，模压成形技术的光学元件直径2mm～50mm，直径公差±0.01mm，厚度为0.4mm～25mm，厚度公差为±0.01mm，面形精度可达到1.5λ［9］。ZEMAX提供了一个使用简单，但灵活和强大的公差推导和灵敏度分析能力。这个用于分析的公差包括了结构参数的变化，如曲率、厚度、位置、折射率、阿贝常数、非球面稀疏，以及其他更多的参数［10］。

进行公差初始公差给定如下：光圈给定1个圈，厚度公差0.005mm、镜片倾斜角度1分、局部光圈0.1，用后截距作为补偿量设为0.01mm；在用几何传递函数平均值作为评价函数在223lp/mm不同视场进行了公差分析如图10所示：

图10 公差值参数设置

5.2 公差分析结果

图11是以几何传递函数作为评价函数，用灵敏度分析方法进行公差分析的几组数据。图11是空间频率223lp/mm时的各个视场的传递函数数值在有公差时的变化情况：

图11 空间频率为223lp/mm时不同视场的传递函数值

图12是后工作距补偿情况下，90%、50%、10%的产品所能达到的传递函数，从数据中可以看出90%产品在0.7视场内传递函数达到0.14，50%达到0.29，10%达到0.33；产品能达到的合格率还是很高的。

图12 对量产合格率的评估

通过上述分析在后截距0.01像面补偿的情况下在223lp/mm处传递函数的改变值很小，完全能满足使用要求，在446lp/mm因为设计的传递函数值就不是很高；具有一定公差时也会有所下降，但基本保证能够被CMOS所分辨。

6 结论

运用ZEMAX光学软件从对初始镜头的选取进行了一系列优化设计，得到了一款成像质量较高超薄手机镜头。该手机镜头使用的是OmniVision公司生产的的图像传感器OV8856，该图像传感器的像元尺寸是1.12μm×1.12μm。系统设计最终结果镜头整体尺寸仅为4.149mm，0.7视场以内的传递函MTF大于0.4在中频223lp/mm，高频446lp/mm处0.7视场的传递函数值均大于0.1；场曲畸变也均控制在理想范围内，像质比较良好；由于系统尺寸比较短便于手机的轻巧型模组使用，镜头像素达到800万。

［1］王之江.现代光学应用技术手册：下册［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［2］王旭东，叶玉堂.CMOS与CCD图像传感器的比较研究和发展趋势［J］.电子设计工程，2010，18（11）：178-181.

［3］Qiao N.Effect of CCD nonlinearity on spectrum distribution［J］.Optik-International Journal for Light and Electron Optics，2016，127（20）：8607-8612.

［4］刘茂超，张雷，刘沛沛，等.300万像素手机镜头设计［J］.应用光学，2008，29（6）：944-948.

［5］张萍，王诚，宋东璠，等.500万像素手机镜头设计［J］.应用光学，2009，30（6）：934-938.

［6］李广，汪建业，张燕，等.800万像素手机镜头的设计［J］.应用光学，2011，32（3）：420-425.

［7］汪振海.高像质手机镜头设计技术研究-130万手机镜头［D］.南京：南京理工大学，2006.

［8］朱勇建，陈逢军，尹韶辉.基于玻璃非球面的手机镜头设计［J］.中国科技论文在线，2011，6（8）：557-562.

［9］王之江.现代光学用用技术手册：上册［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［10］黄航星，金伟民，鲁丁.一款超薄非球面手机镜头设计［J］.应用光学，2010（3）：365-369.

Optical System Design and Tolerance Analysis of Ultra-thin HD Mobile Phone Lens

DONG Yongsheng1，CONG Jingzhou2，LI Yanhong1，FU Yuegang1
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Sunny Optical Technology（Group）Co.，Ltd，Ningbo 315000）

Mobile phone has become an essential part of our life imperceptibly.The camera as the basic function of mobile phones is also concerned by consumers more and more.High pixels practical camera phones have become the object pursued by the majority of consumers.Therefore，designing a high-pixel mobile phone camera has important practical significance.In this paper，the design of 3.5mm focal length lens optical system launched mobile phone is researched.At first，the development trend of mobile phone camera as well as the purpose and significance of research projects are introduced，the optical lens design parameters are proposed.Then the mobile phone camera-related knowledge and aberration theory and ZEMAX optical design software are introduced.Finally，the initial structure selection and optimization process of the optical system with the focal length-3.5mm are focused on.The design results show that the size of system with 4.149mm is compact.The MTF is more than 0.4at223lp/mm，The MTF is more than 0.1 at446lp/mm.The curvature of field is smaller than 0.2mm，and the distortion is smaller than1%.Through tolerance analysis，the result shows that tolerance are feasible.

camera lens of mobile phone；optical design；error analysis；system optimization

NT29

A

1672-9870（2017）04-0033-05

2016-11-20

董永圣（1989-），男，硕士研究生，E-mail：187034098@qq.com

付跃刚（1972-），男，教授，博士生导师，E-mail：fuyg@cust.edu.cn