基于ZEMAX的2100万像素手机镜头设计

基于ZEMAX的2100万像素手机镜头设计

谢志宏;王顺;闫宗群;宗艳桃

【摘 要】通过ZEMAX光学设计软件优化设计,得到了一款超薄尺寸2100万像素

手机镜头.此镜头由1个红外滤光片和4片光学塑料非球面透镜组成,镜头焦距为

3.5 mm,光圈值F为2.4,视场角为68°,镜头总长为4.8 mm,同时采用Sony公司的

IMX230型号2100万像素图像传感器.优化后镜头极限分辨率为446 lp/mm,中心

视场调制传递函数(MTF)值在奈奎斯特频率223 lp/mm处大于0.53,在奈奎斯特

频446 lp/mm处大于0.22,0.7视场MTF值在奈奎斯特频率223 lp/mm处大于

0.5,在奈奎斯特频446 lp/mm处大于0.17,镜头各视场的弥散斑半径都小于

1.5μm,最大场曲小于0.04,最大畸变小于2%,大部分视场相对照度大于60%,成像

质量良好.%A ultrathin 2100 megapixel mobile phone camera lens system

was designed by using ZEMAX. The mobile phone camera lens consist of

an infrared filter and 4 plastic aspheric lens with an effect focal length of

3.5 mm, a f-number of 2.4, and a field of view(FOV) of 68°. Meanwhile, the

sensor IMX230 made by Sony was used as the sensor of the mobile phone

camera lens. After optimization, the limit resolution of the lens is 446

lp/mm. The modulation transfer function (MTF) value of 0 FOV is larger

than 0.53at Nyquist sampling frequency (NF) of 223 lp/mm and larger than

0.22 at NF of 446 lp/mm. The MTF value of 0.7 FOV is larger than 0.5 at NF

of 223 lp/mm and larger than 0.17 at NF of 446 lp/mm. The RMS radiuses

of different fields of view are less than 1.5 μm, the maximumcurvatureis

less than0.04, the maximumdistortionis less than2%, and the relative

illuminationof most fields of vieware more than 60%. Theimaging quality

of thelens is good.

【期刊名称】《电子测试》

【年(卷),期】2017(000)020

【总页数】4页(P37-39,25)

【关键词】光学设计;手机镜头;zemax;非球面;2100万像素

【作 者】谢志宏;王顺;闫宗群;宗艳桃

【作者单位】陆军装甲兵学院控制工程系,北京,100072;陆军装甲兵学院控制工程

系,北京,100072;陆军装甲兵学院控制工程系,北京,100072;陆军装甲兵学院控制工

程系,北京,100072

【正文语种】中 文

现在手机镜头的照相功能日益成为人们关注的焦点，人们对手机镜头成像质量的要

求越来越高，拥有高质量成像效果的智能手机也越来越受消费者的欢迎。目前手机

镜头像素已经从最初的10万像素发展到现在的千万像素。在国内外，小米、华为、

三星、苹果等手机厂商都已经推出拥有千万像素照相镜头的智能手机，华为公司推

出的Mate9手机后置双镜头像素已经分别达到了2000万像素（黑白）和1200

万像素（彩色），相较于iPhone6手机800万的镜头像素，苹果公司已经把

iPhone6s和iPhone7手机镜头像素提升到了1200万，因此拥有千万像素的手机

镜头现在已经慢慢地成为市场主流。伴随着CMOS感光器件加工技术的不断发展，

手机镜头的像素尺寸已经可以达到1.2μm以下，这为高像素手机的出现提供了有

利条件。本文在一个初始结构镜头的基础上，通过ZEMAX光学设计软件优化，得

到了一款2100万像素的手机镜头，全场视角达到68°。

互补金属氧化物半导体(CMOS)感光器件是一种采用光电技术制作的图像传感元件。

CMOS感光器件具有低价格、低功耗、小体积、高集成度、较轻质量以及高读出

速率等优点，现在手机镜头常选择其作为图像传感器。现在市场上手机镜头的设计

一般要求镜头视场在65°左右，镜头总厚度应尽量薄。为使镜头能够与CMOS图

像传感器更好的进行耦合，镜头后焦距应该越大越好。所以本文手机镜头设计指标

设定为镜头总厚度小于5 mm、后焦距大于0.5 mm，为了实现高质量成像，镜头

最大畸变应小于3%，弥散斑半径应尽量小[1-4]。另外，根据设计要求，本文选用

了Sony公司生产的一款型号为IMX230的2100万像素CMOS图像传感器，此

型号有效像素为5344 (H) ×4016 (V)，对角线长度为7.487 mm，像素尺寸为

1.12 μm。计算传感器奈奎斯特频率的公式为：

式中，NR为传感器的奈奎斯特频率，ɑ为传感器的像素尺寸，所以得出本文所设

镜头的极限分辨率为446 1p/mm。根据手机镜头高成像质量的设计要求，中心视

场的调制传递函数(MTF)在中间频率223 1p/mm处应大于50%，在最高频率

446 1p/mm应大于15%，同时0.7视场的MTF值在中间频率223 1p/mm处应

大于40%，在最高频率446 1p/mm应大于4%[3-5]。

现在市场上手机镜头大多以光学塑料作为透镜材料。与传统玻璃材质相比，光学塑

料具有成本低、透光性良好、质量较轻、耐冲击强度高、加工简单方便等优点，同

时也可以满足非球面镜头的设计和加工要求[4-6]。在众多的光学塑料中，

ZEONEX 480R型光学塑料具有密度小，饱和吸水率小，耐擦伤性良好等优异的光

学特性，OKP4型光学塑料具有低色散素、高流动性、超低复曲折、超高折射率、

优异的镀膜密着性等良好的光学特性，所以此手机镜头采用性能稳定的ZEONEX

480R型和OKP4型的光学塑料作为透镜材质。

根据以上手机镜头设计标准，确定此光学系统的各个设计指标，如表1所示。

2.1 初始结构的选取

与传统球面透镜相比，非球面透镜可以进一步减少镜头尺寸、减少光能损失、降低

光学系统畸变、控制透镜边缘产生的像面失真、扩大视场角、最大限度的控制好相

差、简化系统结构，从而获得高质量的成像特性。因此，非球面透镜的应用使高像

质超薄手机光学镜头的出现成为可能。基于以上非球面透镜的优良特性，本文手机

镜头在优化设计中采用旋转对称的偶次非球面来达到设计要求，偶次非球面的计算

表达式为：

式中，z为光路传播轴，ɑ2、ɑ4、ɑ4为多项式系数，k为圆锥系数，r为非球面

上任意一点与光轴之间的距离，c为非球面或者辅助球面的基准面曲率[3]。在

ZEMAX设计软件中可以通过合理地调整多项式系数来得到符合设计要求的偶次非

球面。

设计中，镜头初始结构的选择对镜头设计的成败有着非常重要的影响。根据镜头设

计指标，本文选择一款中国专利101533148 B[8]做为初始结构，此初始结构的光

圈值F为2.8，总长度为4.5 mm，视场角为66°，其结构图如图1所示。

2.2 光学系统优化过程

在光学设计中，主要是通过调整镜头的轴向色差、轴上球差、色差、彗差、场曲、

像散、畸变等成像性能参数来得到一个像质优良的光学镜头。根据此手机镜头设计

指标，具体的优化过程如下。

（1）把初始结构镜头的半径、镜片厚度、空气间隔、非球面系数和二次球面系数

设为变量，通过合理的优化顺序依次对此初始结构进行整体优化。

（2）为了满足实际加工工艺的要求，手机镜头中心和空气边缘厚度的设置应该均

大于0.3 mm。

（3）用操作数TOTR控制镜头的总长度，使其总长度小于5 mm。

（4）通过镜头焦距的缩放方法使初始结构镜头的焦距缩放到3.5 mm，用EFFL

操作数使镜头焦距维持在3.5 mm。

（5）在优化设计中，采用光斑尺寸优化(Spot Radius)默认评价函数，同时将

Rings和Arms都设置为6。

（6）为了使镜头和CMOS图像传感器耦合的更好，我们用RAED操作数控制其

主光线的出射角，使主光线出射角小于30°。

（7）通过DIMX操作数来控制各视场的畸变，使光学系统畸变小于2.5%。

（8）通过MTFS和MTFT操作数来控制镜头各视场的调制传递函数，从而获得更

高的成像质量。

（9）根据成像质量的变化，合理调整各操作数的权重并加入高级像差参数，从而

得到一个有利于实现设计指标的优化目标结构，实现各像差之间的平衡，引导计算

机朝着形成良好成像质量的方向进行手机镜头的优化。

图2是对初始结构镜头进行优化设计后的手机镜头二维结构图，此镜头的视场角

扩大到了68°，总长度达到了4.8 mm，有效焦距为3.5 mm，镜头主光线的出射

角小于30°，满足了与CMOS图像传感器进行耦合的要求。同时镜头中心和空气

边缘厚度均大于0.3 mm，满足了实际加工工艺应用的要求。

在手机镜头光学系统的设计中，CMOS感光器件的分辨率NR应该小于手机镜头

的分辨率NL，手机光学系统的弥散斑半径的计算公式为：

假设NL=NR=446 lp/mm，计算可得到r约为2.69µm～3.36µm，所以此手机

镜头光学系统的弥散斑半径不能大于3.36µm。图3展现了此手机镜头光学系统的

点列图，可以看出此手机镜头各视场像面的弥散斑半径均小于1.5µm，能够满足

高成像质量的设计要求。图4展示的是光线像差图，它描述了光学系统的整体像

差情况。此光线像差图表明了各视场光线的横向特征曲线以及弧矢特性曲线，从中

可以看出各视场的像差维持在5±µm的范围之内，所以经过系统优化，此光学系

统的像差已经得到了较好的控制。

光学系统场曲的数值反映的是成像像面的弯曲程度，畸变可以表示光学系统成像发

生变形的程度，这两者都对光学系统成像质量有着很大的影响。根据高成像质量拍

摄的要求，手机镜头光学系统场曲必须控制在0.1以内，最大畸变应该小于3%。

图5是优化后手机镜头的场曲和畸变图，由此图可知此手机镜头的最大场曲小于

0.04，镜头的最大畸变小于2%，所以此经过整体优化后此光学系统满足了高成像

质量手机镜头对场曲和畸变的要求。

在光学镜头设计领域中，MTF是评价光学系统成像质量高低的一个重要指标，它

计算了所有视场位置处的衍射调制传递函数值，反映了光学系统对物体不同频率时

对比度的传递能力。图6是此光学系统的MTF曲线，从图中我们可以看出，中心

视场的MTF值在奈奎斯特频率223 lp /mm处大于53%、在奈奎斯特频率446

lp /mm处大于22%，0.7视场的MTF值在奈奎斯特频率223 lp /mm处大于

50%，在奈奎斯特频率446 lp/mm处大于17%，大部分视场在奈奎斯特频率

223 lp /mm处的MTF值大于45%，在446 lp/mm处大于10%，所以此镜头的

调制函数表明优化设计得到的手机镜头光学系统已经拥有了比较高的成像质量。

光学系统的相对照度同样也是衡量光学系统成像质量高低的标准之一。光学系统相

对照度与其视场角成反比，视场角越大，相对照度越小。相对照度越大的光学系统，

其像质量也就越好。图7是优化后手机镜头的相对照度图，从中可以得出此手机

镜头光学系统在大部分视场的相对照度大于0.6，能够满足了高成像质量拍摄的基

本要求。

公差分析是指为了明确误差的类型与大小，在光学系统中引入误差的情况下，通过

全面系统地分析微扰动对优化设计所得光学系统成像性能的影响来判断光学设计性

能指标是否符合设计要求。在光学系统公差范围之内，公差分析能够透过简单的设

置分析各参数对系统性能影响的程度。系统能够容忍的公差只有达到一定的程度才

能满足现代制造加工工艺的要求，进而通过制造加工得到合适的镜头组件。根据

ZEMAX软件公差分析功能对此光学系统的加工和装配公差进行的系统分析，可得

出此系统设计公差都处在模压成型技术加工工艺能够达到的范围之内。

本文以一款中国专利为初始结构，采用ZEMAX光学设计软件对其进行优化设计，

最终得到一款成像质量良好的2100万像素手机镜头。此手机镜头视角达到了68°，

最大场曲小于0.04，最大畸变小于2%，各视场弥散斑半径均小于1.5 µm，大部

分视场的相对照度大于0.6，总厚度小于5 mm，拥有良好的成像质量。此手机镜

头设计指标满足实际应用相要求，成像质量良好，相比于同类手机镜头有较大竞争

优势，具有一定的市场竞争力，同时该镜头的优化设计也为光学设计领域中手机镜

头的设计提供了有益的参考借鉴。

【相关文献】

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