1、 郑州轻工业学院 本科毕业设计（论文） 题 目 高分辨率手机镜头的 光学设计与性能仿真 学生姓名 洪鑫 专业班级 电子科技 13-01 学 号 541311010111 院 （系） 物理电子工程学院 指导教师 (职称 ) 运高谦（讲师） 完成时间 2017 年 5 月 30 日 高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真 目 录 中文摘要 英文摘要 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 手机镜头与数码相机镜头比较 . 1 1.3 拍照手机国内外发展状况 . 2 1.4 手机镜头未来趋势 . 4 2 手机照相理论基础 . 6 2.1 手机镜头成像原理 . 6 2.2 手机镜头基本术语 . 6
2、 2.2.1 焦距 . 6 2.2.2 光圈 . 7 2.2.3 像素 . 7 2.2.4 分辨率 . 8 3 手机镜头像差理论与优化设计 . 9 3.1 手机镜头像差理论 . 9 3.2 光学系统的优化设计 . 11 4 8百万像素手机镜头光学系统设计 . 13 4.1 镜头设计指标 . 13 4.2 设计结果 . 13 致 谢 . 18 参考文献 . 19 高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真 I 高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真 摘 要 快速发展的手机照相功能， 让我们对照片的清晰度要求越来越高，一些低端的数码相机早已逐步由拥有高分辨率的手机摄像头逐渐取代了，但在目前市场照相手机中高
3、像素拍照手机的占绝大部分， 800 万像素的手机在市场中高比率占有正式因为这样，对研究高分辨率手机镜头有着重大的意义。文章中总结了手机镜头的国内外发展的基础上，结合了光学非球面以及像差理论，使用 ZEMAX 软件，进行光学设计得到了一个 800 万像素的超薄手机镜头。该镜头由 4 片光学塑料非球面透镜组成，优化是通过 ZEMAX 软件的功能，并最终获得一个高像素超薄成像结构，总长仅 3.21mm且具有优良性能、 成本低廉，满足设计要求的手机镜头。 关键词： 手机镜头 ； 800 万 像素 ； 塑料非球面 ； ZEMAX高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真 II OPTICAL DESIGN A
4、ND PERFORMANCE SIMULATION OF HIGH RESOLUTION MOBILE PHONE LENS ABSTERACT The rapid development of mobile phone camera function, so that we are more and more demanding on the photos, some low-end digital camera has long been gradually replaced by a high-resolution mobile phone camera, but in the curr
5、ent market camera phone high pixel camera phone Of the vast majority of the 8 million pixel mobile phone market in the high proportion of possession of the formal because of this, the study of high-resolution mobile phone lens has great significance. The article summed up the development of mobile p
6、hone at home and abroad on the basis of the combination of optical aspheric and aberration theory, the use of ZEMAX software, optical design has been a 8 million pixel ultra-thin mobile phone lens. The lens consists of four optical plastic aspherical lenses that are optimized by the function of the
7、ZEMAX software and eventually get a high pixel ultra-thin imaging structure with a total length of only 3.21mm and with excellent performance, low cost to meet the design requirements of the phone lens. KEY WORDS mobile phone lens; eight million pixels; plastic aspheric; ZEMAX 高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真 1 1
8、 绪论 1.1 引言 在当今社会 ,手机已成为人们日常生活的必需品。手机作为最基本的通信手段之一 ,已经被赋予了更多的实用功能 ,摄像机的性能已经成为衡量手机综合性能的重要标准。现在的手机已经拥有高端镜头和入门级数码相机可以媲美摄影成像性能 ,但随着微型光学镜头和图像处理技术的发展 ,手机彩信和移动互联网技术的不断涌现 ,实时记录手机独特的快速共享功能是一大亮点 ,人们喜欢用手机进行记录美好的瞬间和实时图像 ,并与朋友和家人共享实时。因此 ,为了获得更好的拍摄效果和质量人们也是不断地开发与研究 ,研制高像素手机镜头已经成为一种趋势。成像质量高 、便携性好的手机摄像头将越来越普及。 随着手机和手
9、机摄像头镜片加工技术的突破 , 随着光学加工、精密机械和电子电路技术的不断发展与更新 ,一些低端的数码相机 被手机取代 ,和一些高质量的影像如数码相机也已经被高像素镜头的手机取代。单反相机 ,价格更昂贵 ,且操作复杂 ,体积和重量让他无法被复制。相比之下 ,高像素手机正成为首选。目前市面上 800 万像素以下的手机占据了大部分市场 ,画面质量并不理想 ,因此设计高质量的成像 ,简单的手机镜头结构显得尤为迫切和重要。 1.2 手机镜头与数码相机镜头比较 现在几乎所有的手机 都有 摄像头 ,同时 , 手机摄像头会迅速改变 。 如手机 的数码相机功能 ,它 的 卖点 不 是数码相机的功能 ,是 在给
10、定的 MMS 无线传输、实时 共享等特点 。但进入 3G 1时代以来 ,充分证明 手机 在 人们进行视频通话的功能是 非常有前途的 ,和朋友从简单的语音通话到视频通信 , 它更能吸引消费者 ,手机 摄像头可以实现数字图像通信是基于数码相机 完全无法匹敌的 。 移动摄像机镜头和数码相机镜头的 特 点和结构有许多不同之处 ,可以从以下 几个方面进行比较 : (1)侧重点不同 移动相机镜头专注于如何最好的成像性能可以实现在有限的长度范围内。 这 是微透镜的主要追求 ,保证图像质量的前提下 ,缩短光学镜头的最大总长度 ， 数码相机镜头的高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真 2 总长度是没有那么严格 ,
11、可以把体积和空间做的比较大 ,它是图 像质量的主要追求 , 如何得到图像的高质量是关注的焦点。 (2)镜片的数目不同 手机相机镜头紧凑 ,这限制了透镜的数目 ,他们大多是 4 片左右。为了提高数码相机的成像质量 ,更多的镜头可以不受限制地使用 ,这更有利于提高图像质量 ,所以数码相机的镜头一般超过 5 片。 (3)加工难度不同 手机相机通常使用塑料非球面 ,近年来 ,中国的塑料加工技术的非球面零件 有很大的进步 ,但还没有形成一个成熟的、完整的系统 2。 普通数码相机的使用玻 璃球 面 具有性能稳定、技术成熟、易于加工 。 会使用更多的非球形玻璃高端数 码相机因为在球面像差的光学设计 ,彗差
12、, 散光和畸变 ， 像差校正、非球面表面 往往有更好的效果 。可以有效地改善图像质量 ,减少光学元件的数量 ,大大减轻摄像机的重量。 (4)光敏元件不同 目前市场上有两种光敏元件 。一个是 CCD 器件的电荷耦合器件 ,价格比较昂贵 ,但技术成熟 ,灵敏度高 ,噪声低 ,成像效果好。另一个是 CMOS3 互补金属氧化物半导体 ， 其制造成本相对较低 ,功耗小 ,集成度高 。 光敏元件通常用来移动照相机镜头。在数码相机的发展中 ,光敏元件的面积不能占太多 ,但在追求更好的成像 ,更好利用纯彩色屏 幕 。 感光元件比较大 ,数码单反的应用基本上是一个光敏元件的 APS 规格 ,在高端机器中 ,必须
13、使用全帧传感器。但这是不可想象的 ,因为它必然会增加产品的体积 ,近几年来 ,随着 CMOS 工艺的发展 , Exmor RCMOS4 的出现 , CMOS 传感器克服了许多技术瓶颈 ,手机镜头使用 CMOS 图像传感器集成度高的多。因此 ,照相手机有以下优点 : 1.便携性好 ,随时携带使用 ; 2.实时共享 ,高效快捷 ; 3.质量稳定、重塑画面 ; 4.体积小、耗电量小、结构紧凑。 1.3 拍照手机国内外发展状况 手机或相机的起源始于 2000 年 ,那时 日本的第三大移动运营商 J-Phone 推出了世界上第一个 j-sh04 手机内置相机 ,它配备了 11 万像素 CMOS 数码相机
14、的镜头 ,并配有一高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真 3 个大镜子 ,能够拍摄 355 x 288 像素的照片 ,虽然画面太差 ,而且无法与主流配置相比 ,许多消费者 感觉需求量不大 的 ,但它是 有照相功能 手机的一个里程碑 ,它使手机相机的快速发展 ,它的出现 ,手机厂商已逐渐认识到 手机镜头 存在价值。在接下来的两年或三年 ,如手机摄像头像素也如雨后春笋 ,一场春雨后有所增加 ,如索尼 P900,有了镜头 ,你可以拍摄 640 480 像素 ,最大分辨率为 30 万 5。 虽然这些镜片的质量略有改善 ,而且价格低 ,开发周期短 ,但仍远远低于入门 级数码相机 ,后来也更多地用于低端相手
15、机 的第 二摄像头。 2003 五月 ,夏普公司重新推出的第一个百万像素摄像头的手机 j-sh53,它有一个100 万像素的摄像头 ,最大分辨率为 1144 * 858 像素 6。除了支持多种分辨率选择和连续的功能 ,在 j-sh04 第一代手机质量的变化 ,无论是拍摄的清晰度、亮度和色彩还原 ,接近低端数码相机的水平。 接下来的几天中 ,技术不再是手 机摄影像素的瓶颈 ,同年十月 ,日 本卡西欧运营商 KDDI 定制的世界上第一个 200 万像素的摄像头 a5403ca 手机 ,该机采用光敏元件在暗光条件下也 CCD 表现出色 , 并支持自动对焦和闪光灯拍摄 ,它的出现 ,被称为手机行业的影
16、像 学变化的革命。 72004 年初 ,富士通生产的 f900i拥有 128 万像素 CCD 镜头 ,11 万像素 CMOS 镜头 ,两个摄像头可用于视频通话。同年 5 月 ,和卡西欧的冲击 ,推出了世界上 300 万像素的摄像头 ,a5406ca第一手机 ,它配备了 320 万英寸的大尺寸 CCD 感光元件 的 1 / 1.8 有效像素 ,照片 QXGA(2048x1536 像素 )可以采取 ,而非球面镜片的小而薄的。有利于提高图像质量 ,也降低了系统结构 大小 。从世界上第一个手机百万像素的诞生 ,到第一个 300 万像素手机摄像头 ,只有大约一年的 时间 ,手机摄像头在这个时期是塑料镜头
17、结构 3 片 ,与像素数、光学非球面逐渐 增 大 。图 1-1 为 3芯片的手机镜头的周期结构显示 , 3 个 镜头和过滤器和玻璃盖 , 其 中非球面光学元件数量已达到 4-5 个 ,市场较 在 45 - 50 度角 ,光敏元件的尺寸为 1/ 4 英寸 ,最小像素尺寸可为1.75mm 1.75mm,但基本上没有自动对焦或变焦功能 8。 图 1-1 早期 3 片式手机镜头结构 高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真 4 随着技术门槛越来越低 ,提高像素不再是实现提升摄影水平的唯一手段 ,光学变焦可以让夏普再创建一个尖锐锋利的手机 9,沃达丰日本发布了全球首款支持 2 倍光学变焦的 200 万像素手
18、机 v602sh。该机配备了 202 万像素的 CCD 镜头 ,支持 2 倍光学变焦和40 倍数码变焦功能 ,最大 1600 1200 像素照片拍摄。 2004、三星发布 M339,一个 320万像素的摄像头 ,同时支持 3 倍光学变焦 ,为用户提供出色的拍照体验。 时隔一年 ,三星还推出了世界上第一个手机 M509 拥有 500 万像素的摄像头 ,这种配置足以与 700 万像素和 800 万像素的专业数码相机竞争 ,同时出自三星 ,相应的模型是三星 M709,三星 sph-v8200 。现在 ,一些国外 知名手机 iPhone 、诺基亚、 索爱 ,三星 ,摩托罗拉 ,和相机像素已扩展到 80
19、0 万 ,1000 万 ,甚至高的像素镜头结构的大多数这些相机的手机 ,结合 3 光学塑料和 1 片光学玻璃。为了获得更好的效果 ,非球面的数量逐渐增加 ,自动对焦 ,光学变焦 ,和一些主流相机功能逐渐被纳入成到手机 ,加闪光灯等硬指标使手机如虎添翼。在配置和性能虽然取得了显著的成果 ,但这些高端手机比较昂贵 ,不适合大众消费 ,国内手机厂商纷纷加快步伐 10,力争推出更多的自主品牌的高像素拍照手机。 1.4 手机镜头未来趋势 未来手机镜头及其制造工艺的发展趋势主要有以下几点 : 第一 : 在手机镜头像素及传感器方面 :像素越高 ,分辨率越高 ,这是手机镜 头发展的一个必然趋势。但像素越高不代
20、表成像质量越好 ,传感器也对手机成像 质量的提高 ,起着非常重要的作用 ,传感器的尺寸越大 ,光的性能越好 ,光子捕 获越多 ,而超薄手机也限制了传感器的尺寸 ,因此 ,如何在保持像素不变的情况 下 ,让传感器尺寸变得更小 ,则是一个非常重要的发展方向。 第二 : 在手机镜头尺未来手机必将走向超薄化 ,手机镜头的尺寸就成了比较重要 的研制因素之一 ,手机镜头使用的镜片数 ,就是制约手机镜头尺寸的一个关键因 素 , 手机镜片数越多 ,成像越真实 ,但同时 ,镜头的尺寸也会更大 ,因此 ,如何保 证像素不变的情况下使用到越少的镜片数 ,是光学设计未来发展的一个重要方 向。 第三 : 在手机镜头使用
21、光学塑料方面 : 光学塑料较光学 玻璃劣势的地方就在于折 射率普遍不高 ,今后的光学塑料若是在折射率有进一步的突破 ,可以很大程度上 改变现在光学设计的许多瓶颈点 ,而且新开发的光学塑料种类越来越多 ,在光学性能和物理特性都有待改善 11。 高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真 5 第四 : 在手机镜头制造工艺方面。未来手机镜头的高像素 、超薄化趋势 ,制约其 最重要的因素就是光学系统的公差 ,其公差范围势必会比低像素光学系统的要 紧 ,这同样就对模具加工及成型工艺有越来越高的要求 ,模具结构加工设计以及 成型超精密注塑成型工艺如何更好的达到更高精度的公差 ,对于生产制造来说 ,是一个关键的发
22、展方向。 高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真 6 2 手机照相理论基础 手机照相理论基础包括手机镜头的成像原理和和手机镜头的基本术语。 2.1 手机镜头成像原理 手机镜头成像原理 ,其实和数码相机成像原理。与传统照相机相比 ,在光敏元件的光电转换中 ,反射透镜穿过透镜组的光的透镜组 ,是使用胶片作为信息记录载体的传统照相机，胶片的感光元件，经过一系列处理后发展和固定并获得胶片。最后 ,得到一张图片。手机或数码相机镜头的原则体现在多个单元透镜传输到图像传感器 CCD 或CMOS12光 ,光信号将刺激光电二极管感光元件产生光信号再转换信号 ,然后 ,模拟信号转换成数字信号通过模拟到数字转换器 A
23、/D,并得到最终的结果 ,经过 DSP 处理压缩成特定的图像格式存储在存储器中 ,整个过程如图 2-1 所示。移动摄像机镜头是一种微型结构的数码相机镜头 ,可以实现相机功能在有限的空间内。在成像过程中 ,光学透镜和光敏元件是影响成像质量的最重要因素。 图 2-1 手机镜头成像过程 2.2 手机镜头基本术语 光学系统中有很多专业术语，手机镜头也不例外。手机镜头基本术语包括焦距、光圈、像素、分辨率、感光元件等等，本文仅介绍相关基本的专业术语名词。 2.2.1 焦距 焦距是光学系统测量光聚集或发散能力的量度。物体的不同部分反射的光 通过透镜聚焦在胶片的某一点上 ,图像具有清晰的轮廓和真实的纹理 ,被称为焦点。所述手机镜头为凸透镜 ,光敏元件为凸透镜组附近的焦点 ,基本上与透镜中心到光敏元件 CCD13或 CMOS 成像平面的距离基本上等于透镜的焦距。根据焦距长度可分为标准镜头、广角镜头和长焦镜头 ,即视场角。
