手機(jī)是人們?nèi)粘Ｉ�活中必不可少的一種工具，不僅方便了人與人之間的溝通，而且手機(jī)的功能也越來越多了。本文是一篇博士畢業(yè)論文范文，主要論述了基于ZEMAX的手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)。
　　【摘 要】利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)一款手機(jī)鏡頭，該鏡頭由4片非球面塑料透鏡和一片玻璃濾光片組成，鏡頭總長(zhǎng)度為3.26mm，光圈值F為2.08，視場(chǎng)角為60°，焦距為2.10 mm，后焦距為0.33 mm。該鏡頭在192lp/ mm 處的MTF值大于0.6，像差在0-0.07mm內(nèi)，畸變小于0.5%。

　　【關(guān)鍵詞】手機(jī)鏡頭,光學(xué)設(shè)計(jì),ZEMAX

　　【Abstract】A mobile phone lens assembly composed of 4 plastic aspheric lenses and an IR filter was designed by use of ZEMAX ( optical engineering software). The F-number and FOV( field-of-view )of the camera are 2.08 and 60° respectively. The effective focal length and back focal length are 2.10 mm and 0.33 mm respectively. The total lens length is 3.26mm. The MTF value is more than 0.6 in the center fields of view at 192lp/ mm . Distortion is less than 0.5%.

　　【Key words】Lens of mobile phone; Optical design; ZEMAX

　　0 引言

　　自從手機(jī)具備拍照功能以來，人們就在提高手機(jī)像素，減小相機(jī)體積等提高手機(jī)拍照水平領(lǐng)域不斷探索，尤其是智能手機(jī)出現(xiàn)以后，人們對(duì)手機(jī)照相的要求更是越來越高。隨著手機(jī)鏡頭制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，手機(jī)像素日益增高，低像素的手機(jī)鏡頭已被高像素鏡頭所取代，而且體積也越來越小[1]。高端像素的要求作為手機(jī)眾多功能中最重要的一環(huán)已經(jīng)被日�；�，但是市場(chǎng)上的鏡頭像素到發(fā)展到目前為止腳步有所放緩，這就需要在畫質(zhì)上繼續(xù)有所突破，才能占有一定的市場(chǎng)份額，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，所以本次設(shè)計(jì)基于目前市場(chǎng)800萬像素鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大鏡頭的視場(chǎng)角、優(yōu)化鏡頭整體的長(zhǎng)度，在保證相對(duì)照度穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，積極改善800萬像素鏡頭的像質(zhì)質(zhì)量，積極配合生產(chǎn)工藝的要求，設(shè)計(jì)一款良品率較高的可行性產(chǎn)品。

　　1 設(shè)計(jì)思路

　　1.1 設(shè)計(jì)規(guī)格

　　現(xiàn)在市場(chǎng)上，手機(jī)鏡頭的視場(chǎng)在60°左右，F(xiàn)/#約為2.8，由于手機(jī)的小型化體積使得鏡頭總長(zhǎng)有一定限制，一般要小于1cm[2]。具體參數(shù)如表1 所示。

　　1.2 初始結(jié)構(gòu)選取

　　一個(gè)好的鏡頭離不開一個(gè)合適的初始結(jié)構(gòu)，如果初始結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)，再經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)者也完成不了設(shè)計(jì)任務(wù)。初始結(jié)構(gòu)的選擇有好多種，可以通過設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)利用高斯光學(xué)原理創(chuàng)造一個(gè)初始結(jié)構(gòu)，但這種方法計(jì)算繁瑣并且對(duì)設(shè)計(jì)者的像差理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)要求較高，除此之外也可以通過查閱手冊(cè)或者查詢相關(guān)專利來獲取初始結(jié)構(gòu)，這種方法比較簡(jiǎn)單方便，而且能達(dá)到理想的設(shè)計(jì)需求[3]。

　　根據(jù)所要設(shè)計(jì)鏡頭的視場(chǎng)、光圈、鏡片數(shù)目及材質(zhì)選取美國(guó)一個(gè)專利的雛形結(jié)構(gòu)，并對(duì)其部分參數(shù)進(jìn)行修改，得到一個(gè)基本符合要求的初始結(jié)構(gòu)[4]。該初始鏡頭的光圈值為F=2.85，視場(chǎng)2k=60°，由5片鏡片組成，前四個(gè)透鏡都是由塑料材質(zhì)制成的非球面透鏡，第五片鏡片是一片玻璃材質(zhì)的紅外濾光片。第一個(gè)透鏡材料是N-LAK34，具有正折射率，入射面和出射面均為凸面;第二個(gè)透鏡采用聚碳酸酯(POLYCARB)，折射率為負(fù)值，入射面和出射面均是凹面;第三片透鏡材料選擇ZEONEX公司的E48R，折射率為正值，物方一側(cè)的鏡面是凹面，像方一側(cè)的曲面是凸面;第四片透鏡選用聚碳酸酯(POLYCARB)，具有負(fù)折射率，入射面為凸面，出射面為凹面。第五片透鏡是濾光片，采用玻璃BK7。光闌位于第一片透鏡和第二個(gè)透鏡之間。

　　1.3 優(yōu)化

　　(1)把所有透鏡的曲率半徑，厚度，間隔，非球面系數(shù)設(shè)置為可變量，在Zemax 中加入焦距，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度限制條件，各個(gè)初級(jí)像差，主光線出射角和Zemax 默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)等限制參數(shù)，進(jìn)行初步優(yōu)化。

　　用操作數(shù)EFFL控制手機(jī)鏡頭的有效焦距，用操作數(shù)TOTR將整個(gè)鏡頭的長(zhǎng)度控制在5mm之內(nèi);同時(shí)用LONA和SPHA控制軸向球差，用COMA、TRAY操作數(shù)等控制系統(tǒng)慧差，用ASTI控制指定面的像散貢獻(xiàn)值，用FCG T和FCGS分別控制指定視場(chǎng)的子午場(chǎng)曲和弧失場(chǎng)曲，用DIST和DIMX控制系統(tǒng)的光學(xué)畸變，LACL、REAY操作數(shù)來控制系統(tǒng)色差，用RELI控制相對(duì)照度;用 MNCA、MNEA、MXCA、MNCG 、MNEG、MXCG等控制最小空氣厚度、最小玻璃厚度等[5]。

　　(2)通過改變各個(gè)參數(shù)的權(quán)重并加入高級(jí)像差參數(shù)可得到更好的像質(zhì)，減少高級(jí)像差，如果高級(jí)像差不能矯正，則可以嘗試換其他的玻璃來優(yōu)化，也可以通過手動(dòng)微調(diào)來反復(fù)優(yōu)化，這樣有可能得到更優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

　　(3)最后把一些像差的權(quán)重設(shè)置為0，最好只加入結(jié)構(gòu)限制的參數(shù)和默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也可以通過加入MTFS、MTFT 參數(shù)等使MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))進(jìn)一步提高，最終達(dá)到各個(gè)像差平衡。

　　2 設(shè)計(jì)結(jié)果

　　優(yōu)化后鏡頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。F/#是2.077，光學(xué)總長(zhǎng)度為3.258mm，焦距為2.098mm，視場(chǎng)為60°，后焦距0.327mm。

　　2.1 點(diǎn)列圖

　　由一點(diǎn)發(fā)出的許多光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，因像差使其與像面的交點(diǎn)不再集中于同一點(diǎn)，而形成一個(gè)散布在一定范圍的彌散圖形，而且點(diǎn)的分布能近似地代表點(diǎn)像的能量分布，因此點(diǎn)列圖中點(diǎn)的密集程度可以衡量系統(tǒng)成像質(zhì)量的優(yōu)劣。從圖2的點(diǎn)列圖中可以看出本手機(jī)鏡頭模型的彌散斑較小，基本滿足設(shè)計(jì)要求。 　　2.2 橫向特性曲線

　　系統(tǒng)的橫向特性曲線可以很好的描述系統(tǒng)的整體像差情況，如圖3所示。

　　圖3中的10個(gè)曲線圖分別表示5個(gè)不同視場(chǎng)下的光線像差，每個(gè)視場(chǎng)下分別對(duì)應(yīng)X (子午)和Y(弧失)方向的情況，其中，每個(gè)曲線圖的橫軸表示歸一化的光瞳坐標(biāo)PX和PY，縱軸表示光線像差的X或Y分量的大小，可以看出，前5個(gè)視場(chǎng) 的像差很小，全視場(chǎng)時(shí)在邊緣口徑處出現(xiàn)少量的高階像差，但控制在50μm之內(nèi)。

　　2.3 光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)

　　MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))是一個(gè)能全面評(píng)估光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的函數(shù)，它計(jì)算所有視場(chǎng)位置的衍射調(diào)制傳遞函數(shù)值，反映了光學(xué)系統(tǒng)對(duì)物體不同頻率部分的傳遞能力。攝影鏡頭在景物信息的傳遞過程中，一般存在著明顯的失真現(xiàn)象。用不同攝影鏡頭在相同情況下，對(duì)同一空間頻率的景物成像時(shí)，由于各鏡頭對(duì)像差校正的程度不同，因而不同鏡頭的MTF值的大小一般并不相同。對(duì)鏡頭像差校正得愈好者，則其MTF值愈高。反之MTF值愈低，則說明該攝影鏡頭在信息傳遞過程中的失真將愈大，景物中陡直的矩形波將變?yōu)槠骄彽恼�弦波，且振幅明顯減小。MTF能反映除畸變外的所有其它像差。

　　理想像的MTF曲線形狀，是一條MTF值為1的水平直線，即在各種空間頻率處MTF值均為1。攝影鏡頭在傳遞信息的過程中，高頻部位的損失要遠(yuǎn)比低頻部位的損失大些，這將導(dǎo)致所攝影像的細(xì)部明銳度出現(xiàn)較大的損失。

　　由圖4可以看出，中心視場(chǎng)下在192lp/ mm 處，MTF值大于0.6，在480lp/ mm處的MTF 值都大于0.25，滿足照相系統(tǒng)的MTF閾值。

　　2.4 場(chǎng)曲和畸變

　　圖5是手機(jī)鏡頭的場(chǎng)曲和畸變曲線，該鏡頭像差不超出范圍0-0.07mm，畸變范圍為-2.5%―0.5%。場(chǎng)曲是反映鏡頭成像質(zhì)量的又一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，它反映整個(gè)像面的彎曲情況。

　　對(duì)于手機(jī)鏡頭，場(chǎng)曲要求在0.lmm內(nèi)。從圖5可以看出這個(gè)鏡頭的場(chǎng)曲小于0.07mm完全滿足要求。手機(jī)鏡頭的畸變一般要求在5%以內(nèi)，從圖5可以看出這個(gè)鏡頭畸變小于1%。

　　2.5 色差和球差

　　圖6是該手機(jī)鏡頭的垂軸色差，由圖可知色差小于2μm，在極限范圍內(nèi)，基本達(dá)到約束高級(jí)像差的要求。

　　3 結(jié)論

　　通過ZEMAX光學(xué)軟件對(duì)初始鏡頭優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了一款成像質(zhì)量較高的手機(jī)鏡頭。由于該鏡頭采用了非球面設(shè)計(jì)，成像質(zhì)量高，且整體尺寸短，便于在手機(jī)上集成。該鏡頭焦距為2.098mm，后焦距0.327mm，光學(xué)總長(zhǎng)度為3.258mm，光圈值為2.08，視場(chǎng)為60°，畸變小于1%。綜合來說，此鏡頭體積小，成像質(zhì)量較高，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

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　　博士畢業(yè)論文投稿期刊推薦《電子技術(shù)應(yīng)用》創(chuàng)刊于1975年,由信息產(chǎn)業(yè)部電子第六研究所主辦,是在國(guó)內(nèi)電子行業(yè)、IT領(lǐng)域頗具影響的科學(xué)技術(shù)類期刊。是國(guó)內(nèi)電子行業(yè)、IT領(lǐng)域頗具影響的技術(shù)、信息類期刊。在國(guó)內(nèi)外激烈的期刊市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，該刊立足電子科技領(lǐng)域不斷開拓創(chuàng)新，開展嵌入式論壇，優(yōu)秀電子產(chǎn)品評(píng)選等多種多樣市場(chǎng)活動(dòng)，影響力不斷擴(kuò)大，經(jīng)過30多年的積淀，已經(jīng)在為中國(guó)電子、電信、工控、通訊、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域人士的首選期刊，具有不可替代的市場(chǎng)效應(yīng)。

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