2023年12月18日发(作者：徐梓颖)

基于ZEMAX的1300万像素手机镜头

高兴宇;陈朋波

【摘 要】为了满足市场对高像素手机镜头的需求,结合光学设计和非球面理论,利用ZEMAX光学设计软件,设计了一款1300万像素的手机镜头.该手机镜头由4片非球面塑料镜片、1片滤光镜和1片保护玻璃组成,镜头光圈值为2.8,视场角为76.,有效焦距为4.4 mm,后焦距为0.58 mm,镜头总长为5.6 mm.中心视场处的MTF值大于0.5,且畸变小于1.8％,成像效果良好,满足使用要求.

【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》

【年(卷),期】2016(036)004

【总页数】5页(P284-288)

【关键词】光学设计;手机镜头;非球面;ZEMAX

【作 者】高兴宇;陈朋波

【作者单位】桂林电子科技大学机电工程学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学机电工程学院,广西桂林541004

【正文语种】中 文

【中图分类】TN942.2

自2000年日本夏普公司推出全球首款照相手机以来，拍照成为手机必不可少的一个功能。2003年索尼爱立信公司研发设计了首款拍照手机T618，并推广到中国，虽然手机镜头仅有10万像素，但是开创了中国拍照手机的历史，意味着中国从此进入手机拍照时代。2006年，朱日宏等[1]设计了一款光圈值3.2、视场角55°、

160万像素的镜头，此镜头的系统总长为5 mm。2008年，刘茂超等[2]设计了一款光圈值2.85、视场角62°、300万像素的镜头，此镜头的系统总长为5.26 mm。2009年，李文静等[3]设计了一款光圈值2.8、视场角65°、500万像素的手机镜头，此镜头的系统总长为5.8 mm。2011年，李广等[4]设计了一款光圈值2.45、视场角68°、800万像素的手机镜头，该镜头总长为7 mm。在图像传感器CMOS未发展前，要把高像素的手机镜头集成在手机中是非常困难的，而且镜头的长度一般大于1 cm。而现在随着CMOS的发展，其尺寸不断减小，像元尺寸从最初5 μm发展到现在1.1 μm，从而实现了手机镜头总长度远小于以前的镜头总长，有利于手机结构轻薄化的发展。随着手机各项功能的不断升级优化，人们对手机成像效果和手机外观的要求也日益增高，所以，设计生产高成像质量、低成本且更紧凑的手机镜头成为发展热点。因此，本设计在选用合理初始镜头结构的基础上，设计一款1300万像素的手机镜头。

1.1 图像传感器CMOS的选取

近年来，随着CMOS工艺的日益完善和成熟，CMOS的成像质量越来越高，其在灵敏度、分辨率、感光度等性能方面有很大的改善和提高。由于CMOS具有质量轻、体积小、价格低、功耗低、集成度高、读写速度高等优点，市场上绝大多数的手机镜头都采用CMOS作为图形处理器。CMOS的生产厂家主要有Omnivision、索尼、三星、Panavision等。

本研究采用Omnivision[5]公司型号为OV16880的CMOS传感器，其规格尺寸为8.3 mm，最小像元仅为1.12 μm×1.12 μm，有效像素为4224×3136，像面大小为4730 μm×3512 μm(对角线5.89 mm)。该CMOS芯片可用于支持拍摄高清视频画面，最高解析度为1300万像素。因此，适合安装在手机镜头上作为其图形处理器。

镜片在实际加工、装配等过程中会产生一定的误差，使系统周边成像产生缺陷。为

了防止该情况出现，设计的半像高需大于实际计算的半像高，实际计算的半像高为2.945 mm，本设计取2.98 mm。由于COMS解析度在一定程度上决定了镜头的分辨能力，即COMS像元尺寸决定了成像的分辨率。因此，COMS可以作为镜头设计的参考依据。根据所选COMS的规格参数和其采样原理，镜头分辨率为：

其中p为像元大小。求得镜头最大分辨率为446 lp/mm。因此，在光学设计软件中需要设计镜头的MTF曲线截止分辨率大于446 lp/mm。

1.2 镜头设计的主要指标

根据与镜头相匹配的CMOS图像传感器的参数和实际需求，手机镜头的设计参数如表1所示。

2.1 镜头初始结构选取

设计一个成像质量好的光学镜头，首先应该选取一个合适的初始结构，若初始结构选择不合理，即使光学设计经验非常丰富，也很难达到理想效果，因此，初始结构选取合理与否直接影响最终的设计结果。初始结构[6]的选取有多种方法，一般常用的有2种，第1种是使用PW方法求解得到初始结构，此种方法计算量非常大，要求设计者具备丰富的光学像差理论知识，而且要具备多年设计经验；第2种是通过查找相关文献和失效专利，从中选取合理的结构作为设计的初始结构，然后根据设计要求对所选取的初始结构进行缩放，在符合设计指标的情形下，进行最终的优化分析。本设计采用第2种方法进行设计优化。在ZEMAX软件中输入所选取的初始结构,如图1所示。初始结构的传递函数如图2所示。根据图2初始结构的MTF曲线可知，该镜头的成像质量非常差，在全视场下，分辨率为178 lp/mm的MTF值已经为0，所以该结构有很大的优化空间。

2.2 透镜材料的选择

为了缩短镜头长度，手机镜头的各个镜片采用非球面设计，可以利用最少的镜片获取更高的成像像素。而在镜片材质方面，考虑到安全性和节约性，大多采用塑料材

质。光学塑料是一种透明的非晶体有机高聚物，由单分子聚合而成。与玻璃材料相比，塑料材质的透镜具有透射性好、可塑性强、加工成本低等优点。使用非球面透镜可以有效控制镜头的各种像差，降低光学元件数量，增大光学系统的视场角。非球面透镜[7]的非球面系数对镜头性能有非常大的影响，因此在进行优化设计时，要控制非球面系数的变化。为满足手机镜头广角拍摄的要求，镜片结构采用正负正负[8]的组合方式，结构形式为4P(P表示塑料透镜)。第1块透镜采用型号为APL5514ML的塑料材质，此材料具有优秀的透光率、流动性、低双折射，而且价格比较低廉；第2块镜头采用OKP4HT的塑料材质，此材料为塑料材质中的高折一族，具有高折射率和较好的成型效果;第3、4块透镜采用型号为480R的塑料材质，此材料具有低双折射、低吸水率、耐高温、不易附静电、外观容易保持的特点。第5块为K9滤光片，主要滤掉700～1000 nm的近红外光[8]。

2.3 优化过程

根据系统设计要求的焦距，首先缩放[9]光学系统的初始结构，按照焦距的大小将其缩放为4.5 mm。缩放时要注意3点：1)凹透镜中心过薄；2)边界条件的变化；3)不允许出现凸透镜边缘过薄。

考虑到实际加工水平，在进行结构优化过程中必须考虑透镜的厚度，将透镜的边缘厚度和中心厚度添加到优化函数中，其优化目标值须大于0.3 mm。将各个透镜的半径、厚度、空气间隔、偶次非球面系数和二次曲面系数均设置为变量。使用默认评价函数，并且添加准确的操作数进行优化限制，可以提高优化效率。添加的优化操作数为：

1)添加TOTR操作数控制系统的总长为5.6 mm；

2)添加DIMX操作数控制畸变的大小，将畸变限制在2%范围内；

3)添加TRAC操作数控制成像的弥散斑大小；

4)为了使镜头和CMOS更好地耦合，需添加RAED操作数控制系统主光线的出射

角，使其出射角小于35°；

5)MTF曲线为成像质量优劣的重要评价标准，因此，需添加操作数MTFT、MTFS对MTF进行优化。

手机镜头经过优化后的结构如图3所示，视场角为76°，系统总长为5.6 mm，有效焦距为4.4 mm，后焦距为0.56 mm，所有透镜的中心和边缘厚度均大于0.3

mm，符合实际加工要求。

成像质量经过优化后得到较大的改善。在成像光学系统中，MTF是全面评价光学系统成像质量的函数，是一个重要的评价指标。图4为不同视场下经过优化后的MTF曲线，其横坐标表示的空间频率越大，则每毫米分辨的线对数越多，分辨细节的能力越强[10]。也就是说MTF值越大，曲线越平稳，则光学系统的成像质量越好，图像越清晰。一般情况下，0.7视场下的MTF曲线决定了系统成像质量的好坏。因此，在进行系统优化时，需将视场下的MTF设置为优化函数进行控制，而边缘视场的MTF曲线则可以有一定的下降范围。从图4可看出，当分辨率为224 lp/mm时，中心视场MTF值大于0.5，分辨率为446 lp/mm时，中心视场MTF值大于0.15。由此可以看出，在分辨率为224 lp/mm时，除边缘视场外，其他视场的MTF值均大于0.25。在0.7视场下，MTF值在分辨率为224 lp/mm的弧矢方向均大于0.4，子午方向大于0.27；在分辨率为446 lp/mm的弧矢方向大于0.09，子午方向大于0.03。虽然存在一定的像散，但由于所占比例很小,并不影响画面的整体效果，表明该手机镜头成像质量较好，符合成像要求。图5为点列图，由图5可知[11]，像面上的弥散斑均方根很小，主要分布在艾利斑6.02

μm区域内，接近于衍射极限，满足成像设计要求。由于最大像高对应的视场角大于76°,因此,场曲和畸变不能太大。图6(a)为手机镜头的场曲大小，镜头的子午场曲(T曲线)和弧矢场曲(S曲线)均小于0.15 mm。图6(b)为镜头畸变的大小，镜头的畸变控制在2%范围内，看不出成像的变形(畸变<3%)，基本满足系统设计要求。

图7为镜头的相对照度曲线，反映了手机镜头成像画面的亮度。一般镜头要求边缘视场的相对照度大于0.5，由于本镜头为广角镜头，视场角达76°，因此，对于边缘视场的相对照度值要求可适当降低。从图7可看出，边缘视场的相对照度值为0.48，满足镜头的照度要求。

一款设计良好的镜头能否进行生产加工，除了要有出色的成像质量外，还必须满足现有加工能力。若系统公差[12]过紧会导致加工成本提高，甚至使得加工装调无法满足最终的像质要求，因此，有必要进行公差分析。利用ZEMAX软件对镜头进行公差分析，把系统的MTF值作为公差敏感度，用灵敏度分析及蒙特卡罗分析进行公差分析，最终的非球面镜片的厚度公差为±0.01 mm；红外滤光片的厚度公差为±0.03 mm；各表面曲率半径公差为0.01 mm；各表面的偏心公差为±0.01 mm；倾斜公差为±0.3°；透镜材质的折射率公差为±0.002；阿贝常数公差为±0.5；满足现有的加工能力。

在合适的初始结构基础上，利用光学软件ZEMAX对初始结构进行合理优化，得到一款成像质量高、效果较好的1300万像素手机广角镜头。该镜头由4片非球面塑料透镜组成，系统总长为5.6 mm，视场角为76°，光圈值为2.8。各项像差得到较好地矫正，其中最大畸变小于1.8%，0.7视场处的MTF值大于0.4。该设计镜头成像效果良好，满足市场的实际需求。后续研究将进一步对手机镜头的结构进行优化，达到更高的成像质量。

2023年12月18日发(作者：徐梓颖)

基于ZEMAX的1300万像素手机镜头

高兴宇;陈朋波

【摘 要】为了满足市场对高像素手机镜头的需求,结合光学设计和非球面理论,利用ZEMAX光学设计软件,设计了一款1300万像素的手机镜头.该手机镜头由4片非球面塑料镜片、1片滤光镜和1片保护玻璃组成,镜头光圈值为2.8,视场角为76.,有效焦距为4.4 mm,后焦距为0.58 mm,镜头总长为5.6 mm.中心视场处的MTF值大于0.5,且畸变小于1.8％,成像效果良好,满足使用要求.

【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》

【年(卷),期】2016(036)004

【总页数】5页(P284-288)

【关键词】光学设计;手机镜头;非球面;ZEMAX

【作 者】高兴宇;陈朋波

【作者单位】桂林电子科技大学机电工程学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学机电工程学院,广西桂林541004

【正文语种】中 文

【中图分类】TN942.2

自2000年日本夏普公司推出全球首款照相手机以来，拍照成为手机必不可少的一个功能。2003年索尼爱立信公司研发设计了首款拍照手机T618，并推广到中国，虽然手机镜头仅有10万像素，但是开创了中国拍照手机的历史，意味着中国从此进入手机拍照时代。2006年，朱日宏等[1]设计了一款光圈值3.2、视场角55°、

160万像素的镜头，此镜头的系统总长为5 mm。2008年，刘茂超等[2]设计了一款光圈值2.85、视场角62°、300万像素的镜头，此镜头的系统总长为5.26 mm。2009年，李文静等[3]设计了一款光圈值2.8、视场角65°、500万像素的手机镜头，此镜头的系统总长为5.8 mm。2011年，李广等[4]设计了一款光圈值2.45、视场角68°、800万像素的手机镜头，该镜头总长为7 mm。在图像传感器CMOS未发展前，要把高像素的手机镜头集成在手机中是非常困难的，而且镜头的长度一般大于1 cm。而现在随着CMOS的发展，其尺寸不断减小，像元尺寸从最初5 μm发展到现在1.1 μm，从而实现了手机镜头总长度远小于以前的镜头总长，有利于手机结构轻薄化的发展。随着手机各项功能的不断升级优化，人们对手机成像效果和手机外观的要求也日益增高，所以，设计生产高成像质量、低成本且更紧凑的手机镜头成为发展热点。因此，本设计在选用合理初始镜头结构的基础上，设计一款1300万像素的手机镜头。

1.1 图像传感器CMOS的选取

近年来，随着CMOS工艺的日益完善和成熟，CMOS的成像质量越来越高，其在灵敏度、分辨率、感光度等性能方面有很大的改善和提高。由于CMOS具有质量轻、体积小、价格低、功耗低、集成度高、读写速度高等优点，市场上绝大多数的手机镜头都采用CMOS作为图形处理器。CMOS的生产厂家主要有Omnivision、索尼、三星、Panavision等。

本研究采用Omnivision[5]公司型号为OV16880的CMOS传感器，其规格尺寸为8.3 mm，最小像元仅为1.12 μm×1.12 μm，有效像素为4224×3136，像面大小为4730 μm×3512 μm(对角线5.89 mm)。该CMOS芯片可用于支持拍摄高清视频画面，最高解析度为1300万像素。因此，适合安装在手机镜头上作为其图形处理器。

镜片在实际加工、装配等过程中会产生一定的误差，使系统周边成像产生缺陷。为

了防止该情况出现，设计的半像高需大于实际计算的半像高，实际计算的半像高为2.945 mm，本设计取2.98 mm。由于COMS解析度在一定程度上决定了镜头的分辨能力，即COMS像元尺寸决定了成像的分辨率。因此，COMS可以作为镜头设计的参考依据。根据所选COMS的规格参数和其采样原理，镜头分辨率为：

其中p为像元大小。求得镜头最大分辨率为446 lp/mm。因此，在光学设计软件中需要设计镜头的MTF曲线截止分辨率大于446 lp/mm。

1.2 镜头设计的主要指标

根据与镜头相匹配的CMOS图像传感器的参数和实际需求，手机镜头的设计参数如表1所示。

2.1 镜头初始结构选取

设计一个成像质量好的光学镜头，首先应该选取一个合适的初始结构，若初始结构选择不合理，即使光学设计经验非常丰富，也很难达到理想效果，因此，初始结构选取合理与否直接影响最终的设计结果。初始结构[6]的选取有多种方法，一般常用的有2种，第1种是使用PW方法求解得到初始结构，此种方法计算量非常大，要求设计者具备丰富的光学像差理论知识，而且要具备多年设计经验；第2种是通过查找相关文献和失效专利，从中选取合理的结构作为设计的初始结构，然后根据设计要求对所选取的初始结构进行缩放，在符合设计指标的情形下，进行最终的优化分析。本设计采用第2种方法进行设计优化。在ZEMAX软件中输入所选取的初始结构,如图1所示。初始结构的传递函数如图2所示。根据图2初始结构的MTF曲线可知，该镜头的成像质量非常差，在全视场下，分辨率为178 lp/mm的MTF值已经为0，所以该结构有很大的优化空间。

2.2 透镜材料的选择

为了缩短镜头长度，手机镜头的各个镜片采用非球面设计，可以利用最少的镜片获取更高的成像像素。而在镜片材质方面，考虑到安全性和节约性，大多采用塑料材

质。光学塑料是一种透明的非晶体有机高聚物，由单分子聚合而成。与玻璃材料相比，塑料材质的透镜具有透射性好、可塑性强、加工成本低等优点。使用非球面透镜可以有效控制镜头的各种像差，降低光学元件数量，增大光学系统的视场角。非球面透镜[7]的非球面系数对镜头性能有非常大的影响，因此在进行优化设计时，要控制非球面系数的变化。为满足手机镜头广角拍摄的要求，镜片结构采用正负正负[8]的组合方式，结构形式为4P(P表示塑料透镜)。第1块透镜采用型号为APL5514ML的塑料材质，此材料具有优秀的透光率、流动性、低双折射，而且价格比较低廉；第2块镜头采用OKP4HT的塑料材质，此材料为塑料材质中的高折一族，具有高折射率和较好的成型效果;第3、4块透镜采用型号为480R的塑料材质，此材料具有低双折射、低吸水率、耐高温、不易附静电、外观容易保持的特点。第5块为K9滤光片，主要滤掉700～1000 nm的近红外光[8]。

2.3 优化过程

根据系统设计要求的焦距，首先缩放[9]光学系统的初始结构，按照焦距的大小将其缩放为4.5 mm。缩放时要注意3点：1)凹透镜中心过薄；2)边界条件的变化；3)不允许出现凸透镜边缘过薄。

考虑到实际加工水平，在进行结构优化过程中必须考虑透镜的厚度，将透镜的边缘厚度和中心厚度添加到优化函数中，其优化目标值须大于0.3 mm。将各个透镜的半径、厚度、空气间隔、偶次非球面系数和二次曲面系数均设置为变量。使用默认评价函数，并且添加准确的操作数进行优化限制，可以提高优化效率。添加的优化操作数为：

1)添加TOTR操作数控制系统的总长为5.6 mm；

2)添加DIMX操作数控制畸变的大小，将畸变限制在2%范围内；

3)添加TRAC操作数控制成像的弥散斑大小；

4)为了使镜头和CMOS更好地耦合，需添加RAED操作数控制系统主光线的出射

角，使其出射角小于35°；

5)MTF曲线为成像质量优劣的重要评价标准，因此，需添加操作数MTFT、MTFS对MTF进行优化。

手机镜头经过优化后的结构如图3所示，视场角为76°，系统总长为5.6 mm，有效焦距为4.4 mm，后焦距为0.56 mm，所有透镜的中心和边缘厚度均大于0.3

mm，符合实际加工要求。

成像质量经过优化后得到较大的改善。在成像光学系统中，MTF是全面评价光学系统成像质量的函数，是一个重要的评价指标。图4为不同视场下经过优化后的MTF曲线，其横坐标表示的空间频率越大，则每毫米分辨的线对数越多，分辨细节的能力越强[10]。也就是说MTF值越大，曲线越平稳，则光学系统的成像质量越好，图像越清晰。一般情况下，0.7视场下的MTF曲线决定了系统成像质量的好坏。因此，在进行系统优化时，需将视场下的MTF设置为优化函数进行控制，而边缘视场的MTF曲线则可以有一定的下降范围。从图4可看出，当分辨率为224 lp/mm时，中心视场MTF值大于0.5，分辨率为446 lp/mm时，中心视场MTF值大于0.15。由此可以看出，在分辨率为224 lp/mm时，除边缘视场外，其他视场的MTF值均大于0.25。在0.7视场下，MTF值在分辨率为224 lp/mm的弧矢方向均大于0.4，子午方向大于0.27；在分辨率为446 lp/mm的弧矢方向大于0.09，子午方向大于0.03。虽然存在一定的像散，但由于所占比例很小,并不影响画面的整体效果，表明该手机镜头成像质量较好，符合成像要求。图5为点列图，由图5可知[11]，像面上的弥散斑均方根很小，主要分布在艾利斑6.02

μm区域内，接近于衍射极限，满足成像设计要求。由于最大像高对应的视场角大于76°,因此,场曲和畸变不能太大。图6(a)为手机镜头的场曲大小，镜头的子午场曲(T曲线)和弧矢场曲(S曲线)均小于0.15 mm。图6(b)为镜头畸变的大小，镜头的畸变控制在2%范围内，看不出成像的变形(畸变<3%)，基本满足系统设计要求。

图7为镜头的相对照度曲线，反映了手机镜头成像画面的亮度。一般镜头要求边缘视场的相对照度大于0.5，由于本镜头为广角镜头，视场角达76°，因此，对于边缘视场的相对照度值要求可适当降低。从图7可看出，边缘视场的相对照度值为0.48，满足镜头的照度要求。

一款设计良好的镜头能否进行生产加工，除了要有出色的成像质量外，还必须满足现有加工能力。若系统公差[12]过紧会导致加工成本提高，甚至使得加工装调无法满足最终的像质要求，因此，有必要进行公差分析。利用ZEMAX软件对镜头进行公差分析，把系统的MTF值作为公差敏感度，用灵敏度分析及蒙特卡罗分析进行公差分析，最终的非球面镜片的厚度公差为±0.01 mm；红外滤光片的厚度公差为±0.03 mm；各表面曲率半径公差为0.01 mm；各表面的偏心公差为±0.01 mm；倾斜公差为±0.3°；透镜材质的折射率公差为±0.002；阿贝常数公差为±0.5；满足现有的加工能力。

在合适的初始结构基础上，利用光学软件ZEMAX对初始结构进行合理优化，得到一款成像质量高、效果较好的1300万像素手机广角镜头。该镜头由4片非球面塑料透镜组成，系统总长为5.6 mm，视场角为76°，光圈值为2.8。各项像差得到较好地矫正，其中最大畸变小于1.8%，0.7视场处的MTF值大于0.4。该设计镜头成像效果良好，满足市场的实际需求。后续研究将进一步对手机镜头的结构进行优化，达到更高的成像质量。