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大相对孔径高分辨率手机镜头的主要技术指标如表 1所示。
Table 1. Targets of design specifications for lens
focal length 3.85mm field of view 52° F# 2.2 back working distance 0.5mm maximum incident angle < 30° distortion < 3% total length < 5.2mm working waveband 486nm~656nm MTF 350lp/mm@0.15 手机镜头的光学材料可以为玻璃和塑料,手机镜头相对孔径越大,CMOS器件像素越小,光学像差校正难度越大,使用非球面可以较好地校正手机镜头的各自像差,减少光学元件的数量,而玻璃上制作非球面的成本较高,塑料可以注塑加工成型,因此, 本文中设计的手机镜头中全部采用塑料非球面。
考虑到实际光学加工的要求,透镜的中心厚度和边缘厚度不能太薄,实际优化时设定透镜的中心厚度都大于0.5mm,透镜的边缘厚度都大于0.3mm,以透镜的曲率半径、透镜厚度、空气间隔、二次曲面系数、非球面系数作为变量进行不断迭代,必要时进行人工干预修改。优化后的大相对孔径高分辨率手机镜头光路图如图 1所示。第1片和第4片透镜采用E48R的塑料材质,E48R塑料材质的折射率和阿贝数分别是1.53和56.04;第2片、第3片和第5片透镜采用LEXANH的塑料材质,LEXANH塑料材质的折射率和阿贝数分别是1.58和30.29;滤光片为厚度为0.3mm,材料采用成都光明的HK9光学玻璃,滤光片可以滤除来自物体的红外光;保护玻璃为厚度为0.4mm的HK9光学玻璃(成都光明),保护玻璃可以对CMOS器件起到保护作用。从第1面到像面的距离为5.05mm,后焦距为0.5mm,主光线在像面上的最大入射角度为23.8°,满足CMOS器件入射角度的要求。
图 2为大相对孔径高分辨率手机镜头的光线像差曲线。横坐标代表位置,纵坐标代表像差的大小,可以从横向特性像差曲线图中得到不同视场、不同波长下的像差大小,以及差值的最大范围。横向特性像差曲线的纵坐标越小,说明像差校正的越好。由图可知,大相对孔径、高分辨率手机镜头的光线像差曲线比较平滑,纵坐标最大值小于0.012,大相对孔径、高分辨率手机镜头的光线像差得到了较好的校正。
点列图表征不同波长,不同视场下的艾里斑直径大小和弥散斑的均方根直径大小,不同的颜色表示不同的波长,不同的图形代表不同的视场。点列图中的弥散斑越小,系统的成像质量越好。当均方根弥散斑直径在艾里斑很小的邻域内时,系统符合成像要求。图 3为设计的手机镜头的点列图。可知各个视场的弥散斑都较小,0.7视场内的最大均方根弥散斑直径为1.68μm,1视场内的最大均方根弥散斑直径为2.63μm。
MTF曲线用来评估不同空间频率时,物体经过光学系统成像后的解析度百分比[20]。MTF曲线中横坐标表示空间频率,纵坐标表示像和物的对比度比值,系统的MTF曲线越高,像的对比度越逼近物的对比度,系统的成像性能越好,不同的曲线表示不同视场的MTF性能。CMOS器件的像元尺寸为1.44μm,计算可知该CMOS器件的截止频率为347lp/mm,取该手机镜头的空间频率为350lp/mm。图 4是手机镜头的MTF曲线。可知空间频率350lp/mm处,所有视场的MTF均大于0.2,0.7视场内的MTF均大于0.34,满足设计要求。
光线经过光学系统后,形成的光学图像不再和光轴垂直,而是在以光轴为对称轴的弯曲曲面上,该弯曲曲面为光学系统的最佳理想像面,光学系统的这种成像误差为场曲。由于轴外点主光线在像面上交点的位置和理想像的位置不重合,存在一定的高度偏差,这种高度偏差称为畸变,因此畸变是一种轴外像差。光学系统存在畸变时,得到的图像清晰度不会发生变化,系统的分辨率有所降低,物体的大小和形状会发生变化。图 5为大相对孔径高分辨率手机镜头的场曲和畸变曲线。可知该镜头的全视场内的场曲小于0.02mm,最大畸变为2.55%,满足设计要求。
大相对孔径高分辨率手机镜头设计
Large numerical aperture and high resolution mobile phone lens
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摘要: 为了满足市场对手机镜头大相对孔径高分辨率的需求,采用E48R和LEXANH两种非球面塑料透镜,应用光学设计软件Code-v设计了一款大相对孔径高分辨率手机镜头。该手机镜头由5片非球面塑料透镜、1片红外滤波片、1片保护玻璃组成,其中第1片和第4片透镜为正透镜,第2片、第3片和第5片透镜为负透镜。结果表明,空间频率350lp/mm处,所有视场的调制传递函数(MTF)均优于0.2,0.7视场内的MTF均优于0.34,全视场内的场曲小于0.02mm,畸变小于2.55%。该研究为类似系统的设计提供了一定的参考价值。Abstract: The large numerical aperture and high resolution mobile phone lens using the plastic asphere lenses E48R and LEXANH is demanded with the development of mobile phone market. A kind of large numerical aperture and high resolution mobile phone lens was designed by using Code-v optical design software. The mobile phone lens is constituted by five plastic asphere lenses, an infrared cut filter, and a sensor cover glass. The first and fourth lenses are positive lenses. The second, third, and fifth lenses are negative lenses. Design results show that when the space frequency is 350lp/mm, the modulation transfer function (MTF) of all field of view are more than 0.2, and the MTF of 0.7 field of view are more than 0.34. The field curves are less than 0.02mm, and the distortion are less than 2.55%. It provides a reference value for similar systems.
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Key words:
- optical design /
- mobile phone lens /
- asphere lenses /
- high resolution
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Table 1. Targets of design specifications for lens
focal length 3.85mm field of view 52° F# 2.2 back working distance 0.5mm maximum incident angle < 30° distortion < 3% total length < 5.2mm working waveband 486nm~656nm MTF 350lp/mm@0.15 -