2024年5月26日发(作者：却清心)
第28卷第l期
2012年1月
苏州大学学报(自然科学版】
FSOOCH0w
U
CE
ED
JOURNAL
O
NIVERSrrY(NATURAL
sCIEN
m0N)
V01．28No．1
Jan．2012
内置式高像素折衍混合式手机镜头的设计
王小羊1”，沈为民1
(1．苏州大学现代光学与技术研究所，江苏苏州215000；2泰州师范高等专科学校，江苏泰州225300)
摘要：研究折／衍混合式手机镜头光学系统设计，将衍射元件用于手机镜头可简化结构、减轻重量、提高性价
比和成像质量．优化设计的镜头由三片光学塑料非球面透镜和一片红外滤光片组成，第一片透镜的后表面为
二元衍射面，镜头的F数为2．85，总长为5．512mm，全视场角为60。，其成像质量好，在奈奎斯特频率处
(285lp／mm)调制传递函数(MTF)值在0．7和0．5视场内分别高于O．3和O．5，相对畸变小于1％．
关键词：手机镜头；光学设计；折／衍混合；像差校正
中图分类号：文献标识码：A文章编号：1000—2073(2012)Ol—0064—08
obile
phone
lens
Optical
design
ofbuilt-in
higlI
mega
pixelhyb—d
m
eiminl
WangXiaoyan91”，Shen
W
(1
w
uniVer8iIy，Suzhou
215006，chin8
Mode陆0mic3
Tech肿lo盯Instltute
ofS00chD
2．T8油0u
Teach嚆College，T撕zhou
225300，chi矾)
Abstract：Optical
des培n
of
a
mobile
phone
c锄eras
lenswith
e
hybrid
re矗act!ive-di日hctiV
structure
is
investigated；n蛐s
paper．Diffhelion
sudlacewithinsuehlens
isof
grea￡use
for
its
s虹ucture
simplin—
cation，it8
weight
reduction，and
its
ped'onn衄ce—t0一cost
ratioand
imaging
quality
improVement．The
a
optimized
lens
composes
0fthree
pieces
of
asphericplastic
lensesand
piece
ofiIlfhredfilter．And
thebacksurfaceof
the
6rst
piece
is
binary
diffhetionsuIface．1ts
F—number，optic8l
andfull
imaging
285
0．5．
t0￡a1
len寥}l，
Field
of
View(FOV)is
2．85，5．512
mm，and
60
degrees，阳spectively．Ithas
excelIent
quality
and
itsModulation
Transfer
Function(MTF)Values
are
at
the
Nyquistspatialf记quency
lp／mm
of
focal
．7andO．5FOV
planearray新thin
itsO
one
．3
and
respectiVelyhig量ler
thanO
ItsrelatiVedistortionislessthan
percent．
era
lens；optical
design；ref}actiV
ords：mobile
phone
cam
e-diffhctiVe
Key
w
rec60n
hybrid；abemtion
co卜
0
引言
可拍照手机镜头的像素不断提高，从最初的lO万像素到目前的1200万像素，早期的手机镜头大多采用
球面玻璃透镜，存在着使用的镜片多，视场角小，体积大，重量重等不足．如专利[1]手机镜头共使用4片球面
玻璃镜片，其焦距和F数分别为10mm和4．8，半视场角仅为16．30，而总长达13mm．为了克服这些问题，当
前许多手机镜头采用非球面透镜，如文献[2]设计的500万像素手机镜头，采用4片全塑料非球面透镜，镜头
的F数为2．85，视场角为60。，镜头总长为6．14mm．该镜头采用的是传统的全折射光学系统，全折射光学系
统的像差难以校正，并且镜片数目较多，因此结构不是很紧凑、性价比不高．
相比较折射光学元件，衍射光学元件具有体积小、重量轻、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特、
收稿日期：201l—07一08
作者简介：王小羊(1979一)，男，江苏姜堰人，硕士，主要研究向为光学设计
第1期
王小羊，等：内置式高像素折衍混合式手机镜头的设计
产生传统光学不可能形成的位相等优越性．混合光学成像系统用常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦功
能，利用衍射光学器件表面的浮雕相位结构校正像差，可以很好地改善成像系统的结构和成像性能"“1．
目前在有些光学系统中采用折／衍混合型光学系统，比如文献[4]介绍的就采用了这样的系统．在手机镜
头中还没有引入这样的系统，本文在这方面进行了尝试．将衍射元件用于手机镜头的设计，可使镜头重量更
轻、结构更紧凑、性价比更低、成像质量相当，甚至更好，开展折／衍混合手机镜头设计具有重要实用价值．
本文以目前市场上主流的500万像素镜头进行了设计，镜头采用的是3片全塑料折／衍混合系统，借助
zEMAx设计软件，并给出了设计的结果．
1镜头的技术指标要求
镜头所选用cMOS满足的主要规格指标如表l所示．镜头须满足的主要技术指标如表2所示
表lCMOS的主要规格
波段
总长
相对孔径
全视场角
相对照度
MTF值
主光线出射角
可见光
(7mm
D可=l／2．85
2∞260。
>50％
O．7视场处>O，3，0．5视场处>0．5
(25。
2设计思想
本文设计的镜片全部采用非球面塑料．采用塑料材料可使制造成本降低；采用非球面，可有效控制像差，
非球面镜边缘较薄，中央处光线和边缘处光线可以聚焦到同一位置，可有效减小球差，提高系统的相对孑L径，
扩大视场角，并可通过调整非球面系数来提高光学性能和降低镜片数量．此外，将衍射光学元件引入手机镜头
中，能够减少折射透镜的片数，减轻镜头的重量和长度；由于衍射光学元件具有独特的负向色散特性，不仅为
校正系统色差提供了条件，还分担了光焦度，有利于减小单色像差；此外衍射光学元件可通过波带片的位置、
槽宽与槽深及槽形结构的改变产生任意波面，增加了光学设计过程中的自由度，有利于像差的校正．
2．1初始结构的选取
镜头初始结构选取美国专利2∞1作为雏形，如图l所示．Ll、也、L3、L4分别为4片透镜，S为
m，后焦距为O．4
光阑，F为滤光片，51a为像面．初始镜头的F数为2．88，焦距为4．7
m
mm．
66
_—————————————————————————————————————————一
5la
苏州大学学报(自然科学版)
第28卷
图1初始绩构不惹圈
2．2优化设计过程
为了进一步减小镜头长度，将图1中的第二片塑料透镜去掉，把4片塑料透镜减为3片，并且为减小畸
变，将视场光阑移到第一片塑料透镜之后．在第一片透镜的后表面加入二元衍射面，用于校正色差及单色像
差．在zEMAx中选择衍射面型为Binary
2，在优化函数中加入色差和有效焦距函数，将透镜的结构参数和衍
射面的二次相位系数A1设为变量进行整体优化，实现消色差并保持总的光焦度基本不变逐步将衍射面的
非球面相位系数A2、A3、A4和其它元件的结构参数设为变量进行优化，在优化函数中加大对单色像差的校正
权重实现对单色像差的优化．针支于场曲、畸变和MTF进行再次优化，直到得到满足设计指标的镜头
2．3优化结果
最终优化好的镜头结构如图2所示．镜头采用了3片全塑料非球面镜片以及1片红外滤光片的设计方
案，第l片透镜的后表面为二元衍射面，光阑位于第一和第二片镜片之间．第一、三片的材料为E48R，第二片
mm．视场角为30。，F数为2
的材料为POLYCARB，第四片为K9材质的滤光片，滤掉近红外光，厚度为0．3
m．该镜头的各面曲率半径、中心厚度、材料等具体结构参数如表
85，焦距为4．9
mm，光学系统总长为5．512
m
3所示，各个非球面的conic系数及高次项系数如表4所示
钭鬻
锛一功弋
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，一’匡夕7：J
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L
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图2三片全塑料折／衍混合手机镜头的结构示意图
表3镜头基本数据
表面序号
半径／mm
1．780
6．353
厚瘦I／mm
1．100
O．290
1．000
1．100
材料
E48R
第一片透镜前表面
第一片透镜后表面
光阑
第二片透镜前表面
I曲nitv
一3．856
第1期
王小羊，等：内置式高像素折衍混合式手机镜头的设计
(续表)
表4非球面数据
2．3．1像质评价
图3为优化后镜头的MTF曲线．从图中可以看出，在奈奎斯特频率285lp／mm处，其中心视场的MTF值
为0．39，各视场MTF值均大于o．25．奈奎斯特频率1／2处，即142．51p／mm处的MTF值均大于0．58，奈奎斯
特频率l／3处，即95lp／mm处的MTF值均大于0．71．可见该镜头有较好的成像质量，达到了设计的预期
目标．
1O
9
8
．7
6
山
妄
5
4
．3
．2
0
0．0014250
空间频率np．mm
图3MTF曲线
m了．因为手
对于手机镜头，场曲小于O．1即可(只针对手机镜头而言，对于别的镜头可能就不是0．1
m
机镜头对像质要求不是太高，一般场曲小于O．1mm就认为是满足使用要求了，而且在其它关于手机镜头的
m．畸变一般要求在2％以内，从
文章中也是以小于0．1mm来规定的)，从图4(a)可以看出，场曲小于0．06
m
图4(b)可以看出，畸变小于1％满足指标要求．
苏州大学学报(自然科学版)
第28卷
FIELD
CURV—盯URE
TT
SSS
T
+Y
I
j
一
≯
[
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一
一
一
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1
弦
_
_0．10O00
丽胃———百冒———■而
畸变，％
(b)畸变图
场曲／mm
(a)场曲图
圈4畸变和场曲圈
图5为像面上的点列图．从图可以看出，艾里斑直径为4．2斗m，各视场的RMs半径均小于艾里斑半径
2．1恤m，各个像差得到了较好的校正．
遂
．
卜
点列图
}FlELD：12吣l]f姒。2
霉’
RMSRAOIUS：
GEDRAOIUS：
AIRYOIAM：
0．786
1．839
4
205
O830
2055
34455
0．81709481．04l
268337534．467
REFERENCE：CENTROIO
2
2ZMX
CONFIGURATIONl0Fl
图5点列圈
图6为像面相对照度曲线，可见所有视场的相对照度都在0．64以上，满足指标要求．
第l期
王小羊，等：内置式高像素折衍混合式手机镜头的设计
蜊
臣
霞
圣
Y视场／mm
图6相对照度图
图7为纵向色差图，图8为横向色差图．从图7中可以看出，纵向色差约为8．282
0斗m，小于衍射极限
20．217斗m．从图8中可以看出，横向色差小于O．7斗m，小于艾里斑半径．
0．6563
O6393
O．6222
06052’
c
05882
2
立o．57l
蜊O
5542
O．5372
O5202
O5031
O．486l
焦点位移，um
图7纵向色差图
MAXIMUMFIELD：2．8690MILLIMETERS
AIRY
AIRY
__
／＼
_r
-_
{
7
产
F
V
一5．00OOO
5．00
横向色差／um
图8横向色差图
苏州大学学报(自然科学版)
第28卷
2．3．2衍射面参量的讨论
设计镜头的二元衍射面位于第一片透镜后表面，其相位系数为A1=一60．107
A3=7．693
494，A4=一2．361
738，A2=一0．572088，
198．zEMAx软件中的归一化半径为0．814mm，衍射面的半径为6．353
mm，所
以衍射面的归一化半径为7．805．
图9给出了该镜头的二元衍射面特征参数曲线．其中曲线A表示—_二元面上的相位随径向坐标的变化，用周
期数(periods)表示；曲线B表示二元面的线频率随实际径向坐标的变化，以周期／毫米(periods／mm)来表示．由
曲线B町知，随着径向坐标的增加，二元面的线频率逐渐增大．在镜头的边缘部分，线频率最大为19
lp／H瑚，对应
最小周期线宽为52．63¨m．考虑衍射效率，当刻蚀台阶数为8时，理论上衍射效率可达到95％，此时对应的最小
台阶宽度为6．58斗m．根据上述参数利用超精密光学加工技术在车床上切削成型，得到所需模具，利用注射成型
就可以批量牛产含有二元衍射面的塑料透镜．现有的制作工艺能够满足该二元衍射面的加工制作．
20．OO
E
曼
≥
它
．坌
1000
e
鼍
骚
螺
若
000
lJ【JiJU4，
U粥
径向坐标，mm
图9二元衍射面的相位图
2．3．3公差制定
下面结合光学没计手册哺1关于光学零件的加工要求和公差制定的方法，利用zEMAx软件对设计出的拍
照手机镜头进行初始公差分配．
(1)半径公差(TRAD)：根据各表面的曲率半径确定，各表面均设为0．02
者严格要求．
(3)表面偏心公差(TsDx、TSDY)：允许的公差为O．02
(4)表面倾斜公差(TSTx、TsTY)：允许的公差为1’．
(5)元件偏心公差(TEDx、TEDY)：允许的公差为O．02
(6)元件倾斜公差(TETx、TETY)：允许的公差为1’．
mm．
mm．
mm．
(2)所有元件的厚度(1T11HI)和空气间隔允许的公差为0．02mm．在分配后可根据实际情况进行放松或
(7)折射率公差(TIND)和阿贝数公差(TABB)：由于是可见光波段，变化很小(与波段无关，由材料的加
工工艺确定)，分别采用缺省值0．001和1．
(8)conic系数(Tc0N)：设为O．001．
(9)高次非球面系数(TPAR)：取△A=10～，△B=10'。’，△C=10～，△D=10。10，△E=10。12．
(10)将后焦距设为调整参数，调整量为0．1
mm．
初步分配完公差后，使用平均衍射MTF值的变化来表示公差敏感度．由公差分析列表可以看出：表面4
和5的误差值较大．将表面5的厚度公差变为o．0lmm，表面1的半径公差改为0．01mm，并将表面1和4在
x、y向的偏心变为0．005mm；将第一、二片透镜(Sl一2、s4-5)的x、y向的元件偏心分别改为0．005
表面2的高次非球面系改为△A=10～，△B=10～，△c=10～，△D=10一，表面4的高次非球面系
mm；
改为
△A=10-1，△B=10_。，△c=10一，△D=10_11，表面6的高次非球面系改为△A=10一，△B=10-10，△C=
第1期王小羊，等：内置式高像素折衍混合式手机镜头的设计
10-12，△D=10_14，△E=10_10，则可计算出8个表面的失高变化分别为1．0斗m，O．4斗m，2．5斗m，7．1斗m，
7．9斗m，4．9斗m．然后继续分析新生成公差的分配情况．
zEMAx的公差分析功能还可以应用蒙特卡罗法对全部公差进行评估．
蒙特卡罗样分析的结果表明，90％的镜头在285
lp／mm处的MTF大于0．163，50％的镜头在285
工艺要求的．
3
lp／mm
处的MTF大于0．221，后焦距的补偿量约为0．04mm，且随机面型误差合理，因此这组公差是满足成像质量和
结论
本文给出了一款内置式500万像素拍照手机镜头的设计实例，将衍射元件用于手机镜头的设计，采用折／
衍混合光学系统，即镜头采用了3片全塑料非球面镜片以及1片红外滤光片的设计方案，并且第1片透镜的
后表面为二元衍射面．设计得到镜头的F数为2．85，镜头总长为5．512mm，视场角为60。，畸变小于l％，成
像质量良好．
参考文献：
[1]Yamakawa
H．Ima舀ng
Lens
system：P]．us，5493449．1996．
f2]张萍，王诚，李小俊．500万像素手机镜头设计[J]．应用光学，2009，30(6)：934—938．
[3]韩莹，王肇析，杨新军．8～12仙m波段折／衍混合反摄远系统消热差设计[Jj．光子学报，2007，36(1)：77—80．
[4]闫佩佩，樊学武．用于可见光波段的折／衍混合复消色差长焦物镜设计[J]．激光与光电子学进展，20lo，47，09220t，doi：
10．3788／LOP47．092201．
[5]chen
chunshan，Tang
H
c．0pticalsystem
for
Taking
Image[P]．us，20080l伽1926．2008．
[6]李士贤．光学设计手册[M]．北京：北京理工大学出版社，1996．
(责任编辑：维格)
2024年5月26日发(作者：却清心)
第28卷第l期
2012年1月
苏州大学学报(自然科学版】
FSOOCH0w
U
CE
ED
JOURNAL
O
NIVERSrrY(NATURAL
sCIEN
m0N)
V01．28No．1
Jan．2012
内置式高像素折衍混合式手机镜头的设计
王小羊1”，沈为民1
(1．苏州大学现代光学与技术研究所，江苏苏州215000；2泰州师范高等专科学校，江苏泰州225300)
摘要：研究折／衍混合式手机镜头光学系统设计，将衍射元件用于手机镜头可简化结构、减轻重量、提高性价
比和成像质量．优化设计的镜头由三片光学塑料非球面透镜和一片红外滤光片组成，第一片透镜的后表面为
二元衍射面，镜头的F数为2．85，总长为5．512mm，全视场角为60。，其成像质量好，在奈奎斯特频率处
(285lp／mm)调制传递函数(MTF)值在0．7和0．5视场内分别高于O．3和O．5，相对畸变小于1％．
关键词：手机镜头；光学设计；折／衍混合；像差校正
中图分类号：文献标识码：A文章编号：1000—2073(2012)Ol—0064—08
obile
phone
lens
Optical
design
ofbuilt-in
higlI
mega
pixelhyb—d
m
eiminl
WangXiaoyan91”，Shen
W
(1
w
uniVer8iIy，Suzhou
215006，chin8
Mode陆0mic3
Tech肿lo盯Instltute
ofS00chD
2．T8油0u
Teach嚆College，T撕zhou
225300，chi矾)
Abstract：Optical
des培n
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a
mobile
phone
c锄eras
lenswith
e
hybrid
re矗act!ive-di日hctiV
structure
is
investigated；n蛐s
paper．Diffhelion
sudlacewithinsuehlens
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grea￡use
for
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s虹ucture
simplin—
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reduction，and
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quality
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piece
is
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diffhetionsuIface．1ts
F—number，optic8l
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imaging
285
0．5．
t0￡a1
len寥}l，
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View(FOV)is
2．85，5．512
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degrees，阳spectively．Ithas
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quality
and
itsModulation
Transfer
Function(MTF)Values
are
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Nyquistspatialf记quency
lp／mm
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．7andO．5FOV
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．3
and
respectiVelyhig量ler
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ItsrelatiVedistortionislessthan
percent．
era
lens；optical
design；ref}actiV
ords：mobile
phone
cam
e-diffhctiVe
Key
w
rec60n
hybrid；abemtion
co卜
0
引言
可拍照手机镜头的像素不断提高，从最初的lO万像素到目前的1200万像素，早期的手机镜头大多采用
球面玻璃透镜，存在着使用的镜片多，视场角小，体积大，重量重等不足．如专利[1]手机镜头共使用4片球面
玻璃镜片，其焦距和F数分别为10mm和4．8，半视场角仅为16．30，而总长达13mm．为了克服这些问题，当
前许多手机镜头采用非球面透镜，如文献[2]设计的500万像素手机镜头，采用4片全塑料非球面透镜，镜头
的F数为2．85，视场角为60。，镜头总长为6．14mm．该镜头采用的是传统的全折射光学系统，全折射光学系
统的像差难以校正，并且镜片数目较多，因此结构不是很紧凑、性价比不高．
相比较折射光学元件，衍射光学元件具有体积小、重量轻、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特、
收稿日期：201l—07一08
作者简介：王小羊(1979一)，男，江苏姜堰人，硕士，主要研究向为光学设计
第1期
王小羊，等：内置式高像素折衍混合式手机镜头的设计
产生传统光学不可能形成的位相等优越性．混合光学成像系统用常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦功
能，利用衍射光学器件表面的浮雕相位结构校正像差，可以很好地改善成像系统的结构和成像性能"“1．
目前在有些光学系统中采用折／衍混合型光学系统，比如文献[4]介绍的就采用了这样的系统．在手机镜
头中还没有引入这样的系统，本文在这方面进行了尝试．将衍射元件用于手机镜头的设计，可使镜头重量更
轻、结构更紧凑、性价比更低、成像质量相当，甚至更好，开展折／衍混合手机镜头设计具有重要实用价值．
本文以目前市场上主流的500万像素镜头进行了设计，镜头采用的是3片全塑料折／衍混合系统，借助
zEMAx设计软件，并给出了设计的结果．
1镜头的技术指标要求
镜头所选用cMOS满足的主要规格指标如表l所示．镜头须满足的主要技术指标如表2所示
表lCMOS的主要规格
波段
总长
相对孔径
全视场角
相对照度
MTF值
主光线出射角
可见光
(7mm
D可=l／2．85
2∞260。
>50％
O．7视场处>O，3，0．5视场处>0．5
(25。
2设计思想
本文设计的镜片全部采用非球面塑料．采用塑料材料可使制造成本降低；采用非球面，可有效控制像差，
非球面镜边缘较薄，中央处光线和边缘处光线可以聚焦到同一位置，可有效减小球差，提高系统的相对孑L径，
扩大视场角，并可通过调整非球面系数来提高光学性能和降低镜片数量．此外，将衍射光学元件引入手机镜头
中，能够减少折射透镜的片数，减轻镜头的重量和长度；由于衍射光学元件具有独特的负向色散特性，不仅为
校正系统色差提供了条件，还分担了光焦度，有利于减小单色像差；此外衍射光学元件可通过波带片的位置、
槽宽与槽深及槽形结构的改变产生任意波面，增加了光学设计过程中的自由度，有利于像差的校正．
2．1初始结构的选取
镜头初始结构选取美国专利2∞1作为雏形，如图l所示．Ll、也、L3、L4分别为4片透镜，S为
m，后焦距为O．4
光阑，F为滤光片，51a为像面．初始镜头的F数为2．88，焦距为4．7
m
mm．
66
_—————————————————————————————————————————一
5la
苏州大学学报(自然科学版)
第28卷
图1初始绩构不惹圈
2．2优化设计过程
为了进一步减小镜头长度，将图1中的第二片塑料透镜去掉，把4片塑料透镜减为3片，并且为减小畸
变，将视场光阑移到第一片塑料透镜之后．在第一片透镜的后表面加入二元衍射面，用于校正色差及单色像
差．在zEMAx中选择衍射面型为Binary
2，在优化函数中加入色差和有效焦距函数，将透镜的结构参数和衍
射面的二次相位系数A1设为变量进行整体优化，实现消色差并保持总的光焦度基本不变逐步将衍射面的
非球面相位系数A2、A3、A4和其它元件的结构参数设为变量进行优化，在优化函数中加大对单色像差的校正
权重实现对单色像差的优化．针支于场曲、畸变和MTF进行再次优化，直到得到满足设计指标的镜头
2．3优化结果
最终优化好的镜头结构如图2所示．镜头采用了3片全塑料非球面镜片以及1片红外滤光片的设计方
案，第l片透镜的后表面为二元衍射面，光阑位于第一和第二片镜片之间．第一、三片的材料为E48R，第二片
mm．视场角为30。，F数为2
的材料为POLYCARB，第四片为K9材质的滤光片，滤掉近红外光，厚度为0．3
m．该镜头的各面曲率半径、中心厚度、材料等具体结构参数如表
85，焦距为4．9
mm，光学系统总长为5．512
m
3所示，各个非球面的conic系数及高次项系数如表4所示
钭鬻
锛一功弋
辽J
，一’匡夕7：J
厂：=Z豸
≯
岁
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L
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＼
图2三片全塑料折／衍混合手机镜头的结构示意图
表3镜头基本数据
表面序号
半径／mm
1．780
6．353
厚瘦I／mm
1．100
O．290
1．000
1．100
材料
E48R
第一片透镜前表面
第一片透镜后表面
光阑
第二片透镜前表面
I曲nitv
一3．856
第1期
王小羊，等：内置式高像素折衍混合式手机镜头的设计
(续表)
表4非球面数据
2．3．1像质评价
图3为优化后镜头的MTF曲线．从图中可以看出，在奈奎斯特频率285lp／mm处，其中心视场的MTF值
为0．39，各视场MTF值均大于o．25．奈奎斯特频率1／2处，即142．51p／mm处的MTF值均大于0．58，奈奎斯
特频率l／3处，即95lp／mm处的MTF值均大于0．71．可见该镜头有较好的成像质量，达到了设计的预期
目标．
1O
9
8
．7
6
山
妄
5
4
．3
．2
0
0．0014250
空间频率np．mm
图3MTF曲线
m了．因为手
对于手机镜头，场曲小于O．1即可(只针对手机镜头而言，对于别的镜头可能就不是0．1
m
机镜头对像质要求不是太高，一般场曲小于O．1mm就认为是满足使用要求了，而且在其它关于手机镜头的
m．畸变一般要求在2％以内，从
文章中也是以小于0．1mm来规定的)，从图4(a)可以看出，场曲小于0．06
m
图4(b)可以看出，畸变小于1％满足指标要求．
苏州大学学报(自然科学版)
第28卷
FIELD
CURV—盯URE
TT
SSS
T
+Y
I
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一
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_0．10O00
丽胃———百冒———■而
畸变，％
(b)畸变图
场曲／mm
(a)场曲图
圈4畸变和场曲圈
图5为像面上的点列图．从图可以看出，艾里斑直径为4．2斗m，各视场的RMs半径均小于艾里斑半径
2．1恤m，各个像差得到了较好的校正．
遂
．
卜
点列图
}FlELD：12吣l]f姒。2
霉’
RMSRAOIUS：
GEDRAOIUS：
AIRYOIAM：
0．786
1．839
4
205
O830
2055
34455
0．81709481．04l
268337534．467
REFERENCE：CENTROIO
2
2ZMX
CONFIGURATIONl0Fl
图5点列圈
图6为像面相对照度曲线，可见所有视场的相对照度都在0．64以上，满足指标要求．
第l期
王小羊，等：内置式高像素折衍混合式手机镜头的设计
蜊
臣
霞
圣
Y视场／mm
图6相对照度图
图7为纵向色差图，图8为横向色差图．从图7中可以看出，纵向色差约为8．282
0斗m，小于衍射极限
20．217斗m．从图8中可以看出，横向色差小于O．7斗m，小于艾里斑半径．
0．6563
O6393
O．6222
06052’
c
05882
2
立o．57l
蜊O
5542
O．5372
O5202
O5031
O．486l
焦点位移，um
图7纵向色差图
MAXIMUMFIELD：2．8690MILLIMETERS
AIRY
AIRY
__
／＼
_r
-_
{
7
产
F
V
一5．00OOO
5．00
横向色差／um
图8横向色差图
苏州大学学报(自然科学版)
第28卷
2．3．2衍射面参量的讨论
设计镜头的二元衍射面位于第一片透镜后表面，其相位系数为A1=一60．107
A3=7．693
494，A4=一2．361
738，A2=一0．572088，
198．zEMAx软件中的归一化半径为0．814mm，衍射面的半径为6．353
mm，所
以衍射面的归一化半径为7．805．
图9给出了该镜头的二元衍射面特征参数曲线．其中曲线A表示—_二元面上的相位随径向坐标的变化，用周
期数(periods)表示；曲线B表示二元面的线频率随实际径向坐标的变化，以周期／毫米(periods／mm)来表示．由
曲线B町知，随着径向坐标的增加，二元面的线频率逐渐增大．在镜头的边缘部分，线频率最大为19
lp／H瑚，对应
最小周期线宽为52．63¨m．考虑衍射效率，当刻蚀台阶数为8时，理论上衍射效率可达到95％，此时对应的最小
台阶宽度为6．58斗m．根据上述参数利用超精密光学加工技术在车床上切削成型，得到所需模具，利用注射成型
就可以批量牛产含有二元衍射面的塑料透镜．现有的制作工艺能够满足该二元衍射面的加工制作．
20．OO
E
曼
≥
它
．坌
1000
e
鼍
骚
螺
若
000
lJ【JiJU4，
U粥
径向坐标，mm
图9二元衍射面的相位图
2．3．3公差制定
下面结合光学没计手册哺1关于光学零件的加工要求和公差制定的方法，利用zEMAx软件对设计出的拍
照手机镜头进行初始公差分配．
(1)半径公差(TRAD)：根据各表面的曲率半径确定，各表面均设为0．02
者严格要求．
(3)表面偏心公差(TsDx、TSDY)：允许的公差为O．02
(4)表面倾斜公差(TSTx、TsTY)：允许的公差为1’．
(5)元件偏心公差(TEDx、TEDY)：允许的公差为O．02
(6)元件倾斜公差(TETx、TETY)：允许的公差为1’．
mm．
mm．
mm．
(2)所有元件的厚度(1T11HI)和空气间隔允许的公差为0．02mm．在分配后可根据实际情况进行放松或
(7)折射率公差(TIND)和阿贝数公差(TABB)：由于是可见光波段，变化很小(与波段无关，由材料的加
工工艺确定)，分别采用缺省值0．001和1．
(8)conic系数(Tc0N)：设为O．001．
(9)高次非球面系数(TPAR)：取△A=10～，△B=10'。’，△C=10～，△D=10。10，△E=10。12．
(10)将后焦距设为调整参数，调整量为0．1
mm．
初步分配完公差后，使用平均衍射MTF值的变化来表示公差敏感度．由公差分析列表可以看出：表面4
和5的误差值较大．将表面5的厚度公差变为o．0lmm，表面1的半径公差改为0．01mm，并将表面1和4在
x、y向的偏心变为0．005mm；将第一、二片透镜(Sl一2、s4-5)的x、y向的元件偏心分别改为0．005
表面2的高次非球面系改为△A=10～，△B=10～，△c=10～，△D=10一，表面4的高次非球面系
mm；
改为
△A=10-1，△B=10_。，△c=10一，△D=10_11，表面6的高次非球面系改为△A=10一，△B=10-10，△C=
第1期王小羊，等：内置式高像素折衍混合式手机镜头的设计
10-12，△D=10_14，△E=10_10，则可计算出8个表面的失高变化分别为1．0斗m，O．4斗m，2．5斗m，7．1斗m，
7．9斗m，4．9斗m．然后继续分析新生成公差的分配情况．
zEMAx的公差分析功能还可以应用蒙特卡罗法对全部公差进行评估．
蒙特卡罗样分析的结果表明，90％的镜头在285
lp／mm处的MTF大于0．163，50％的镜头在285
工艺要求的．
3
lp／mm
处的MTF大于0．221，后焦距的补偿量约为0．04mm，且随机面型误差合理，因此这组公差是满足成像质量和
结论
本文给出了一款内置式500万像素拍照手机镜头的设计实例，将衍射元件用于手机镜头的设计，采用折／
衍混合光学系统，即镜头采用了3片全塑料非球面镜片以及1片红外滤光片的设计方案，并且第1片透镜的
后表面为二元衍射面．设计得到镜头的F数为2．85，镜头总长为5．512mm，视场角为60。，畸变小于l％，成
像质量良好．
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(责任编辑：维格)