高分辨率手機(jī)鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)與性能仿真

1、高分辨率手機(jī)鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)與性能仿真,指導(dǎo)教師：運(yùn)高謙,提綱,引言手機(jī)鏡頭成像原理8百萬(wàn)像素手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)結(jié)果手機(jī)鏡頭評(píng)價(jià),引言,當(dāng)今社會(huì)，手機(jī)已成為必不可少的生活用品，原本作為通訊工具的手機(jī)也被賦予了更多的實(shí)用性功能，拍照性能也成為衡量手機(jī)綜合性能的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，獲得更好的拍攝效果和畫質(zhì)是人們現(xiàn)在迫切需求的，高像素手機(jī)鏡頭的發(fā)展也逐漸成為必然，成像質(zhì)量高、便攜性好的照相手機(jī)將越來越受到人們的青睞。,手機(jī)鏡頭成

2、像原理,成像原理同數(shù)碼相機(jī)的成像原理一樣。手機(jī)鏡頭有一個(gè)透鏡組，經(jīng)過物體反射的光線經(jīng)過透鏡組后，在感光元件上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。物體反射的光線通過多個(gè)單元鏡頭傳遞到圖像傳感器CMOS或CCD上，感光元件上的光電二極管會(huì)受到光信號(hào)刺激產(chǎn)生電信號(hào)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D把產(chǎn)生的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)過DSP處理壓縮成特定的圖片格式保存在存儲(chǔ)器中。,手機(jī)鏡頭的成像原理圖,8百萬(wàn)像素手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),隨著手機(jī)的普及以及應(yīng)用的

3、增多，人們對(duì)手機(jī)像素的要求也越來越高，對(duì)高像素鏡頭的研究也更加深入。隨著手機(jī)像素的提高，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中使用的鏡片數(shù)也不斷增加。本次主要針對(duì)結(jié)構(gòu)為4片的八百萬(wàn)像素手機(jī)鏡頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。,鏡頭所匹配的芯片：,索尼公司HI84芯片，像素單元大小為1.12μm*1.12μm，其有效陣列尺寸3283*2471，成像區(qū)域大小為3678.3μm*2767.68μm。,鏡頭主要設(shè)計(jì)指標(biāo) ：,設(shè)計(jì)結(jié)果,運(yùn)用zemax軟件，將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入，利用非球面塑料

4、E48R和POLYCARB，以及平板玻璃BK7三種，得到結(jié)構(gòu)圖：,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)表：,非球面系數(shù)表：,該光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)為 3.21mm，焦距為 2.43mm，視場(chǎng)角為 61°，在設(shè)計(jì)指標(biāo)要求內(nèi)。,手機(jī)鏡頭評(píng)價(jià)方式一般有以下幾點(diǎn)：,1、橫向像差圖橫向像差圖是關(guān)于光闌坐標(biāo)函數(shù)的像差曲線圖，該曲線的意義是光線與像方交點(diǎn)的坐標(biāo)和主光線與像面交點(diǎn)的坐標(biāo)之間的差值，該圖形可以很好地反映出實(shí)際光線匯聚的情況，從下圖中可知，優(yōu)化后刻度值為 0

5、.0125mm。,橫向像差圖:,2、點(diǎn)列圖點(diǎn)列圖反應(yīng)的是整個(gè)系統(tǒng)成像的幾何結(jié)構(gòu)，其中更具有代表意義的是 RMS 光斑，它是徑向尺寸的均方根，如下圖所示，現(xiàn)中心視場(chǎng)的 RMS 直徑僅為0.000875mm，小于像素單元的大小，邊緣視場(chǎng)也相應(yīng)減小，可見系統(tǒng)的像差得到了很好的優(yōu)化。,點(diǎn)列圖：,3、調(diào)制傳遞函數(shù)MTF表示各種不同頻率的正弦強(qiáng)度分布函數(shù)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像后，其對(duì)比度（即振幅）的衰減程度。對(duì)于攝像系統(tǒng)來說其閾值為0.1。并且對(duì)于手

6、機(jī)鏡頭來說，主要成像區(qū)域還是集中在0.707視場(chǎng)以內(nèi)，對(duì)于0.707以外的視場(chǎng)允許一定范圍的下降。本文使用的芯片對(duì)應(yīng)的奈奎斯特頻率為1/(2pixel)=447lp/mm。在1/2奈奎斯特頻率223lp/mm處，所有視場(chǎng)均大于0.3在3/4奈奎斯特頻率298lp/mm處，所有視場(chǎng)均大于0.2滿足該系統(tǒng)的MTF閾值。,在1/2奈奎斯特頻率下的 MTF 曲線圖：,在3/4奈奎斯特頻率下的 MTF 曲線圖:,4、場(chǎng)曲和畸變，球差圖場(chǎng)

7、曲反應(yīng)了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)像面彎曲的情況，畸變所示邊緣視場(chǎng)畸變?yōu)?.5%，在設(shè)計(jì)指標(biāo)要求內(nèi)。球差刻度范圍-0.013mm~0.009mm實(shí)際大小在0.025mm以內(nèi),場(chǎng)曲、畸變圖：,球差圖：,5、相對(duì)照度相對(duì)照度是以系統(tǒng)像面上最亮的點(diǎn)進(jìn)行歸一化得到的，其定義是像面單位面積下的照度大小，在相對(duì)照度圖中它是關(guān)于系統(tǒng)中 y 視場(chǎng)的函數(shù)。影響相對(duì)照度大小的因素有很多，包括 f 數(shù)、漸暈因子和像差等。該鏡頭的相對(duì)照度，最外視場(chǎng)相對(duì)照度在60%以