單中心超廣角手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)

謝無敵

（浙江舜宇光學(xué)有限公司，浙江 寧波 315400）

由于科學(xué)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，使得手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)水平得以較好地強(qiáng)化，在圖像傳感器制造水平方面亦獲得了極大的成長，手機(jī)像素從過去的11萬提升到現(xiàn)在的1 000萬（普遍使用），舉例來講，華為P40手機(jī)采用了徠卡攝像頭，在像素方面達(dá)到了4 000萬，并且支持超大廣角等攝影模式[1]。從現(xiàn)在的手機(jī)鏡頭來看，正朝著更加多元以及更加高質(zhì)的方向發(fā)展，而這些優(yōu)質(zhì)手機(jī)鏡頭的出現(xiàn)使得手機(jī)性價(jià)比得以極大提升，并促使手機(jī)品牌競爭力得以深層次強(qiáng)化[2]。同心光學(xué)系統(tǒng)，通常亦被叫做對稱系統(tǒng)，其對應(yīng)的物點(diǎn)均處在稱軸部位，和曲面?zhèn)鞲衅鲗?shí)現(xiàn)有關(guān)的匹配，僅需展開對球差等的矯正，主要用在大視場等光學(xué)系統(tǒng)。在當(dāng)前，手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)全視場角的區(qū)間通常處于65°～80°這個(gè)范圍，而在系統(tǒng)總長方面則是處于4.5～6.5 mm這個(gè)區(qū)間，以此藉由非球面設(shè)計(jì)推行，這種情況下，整體支出便會(huì)大大增加[3]。由此，如若能夠促使成像視場角的前提下，降低對非球面應(yīng)用，可以極大地促使生產(chǎn)投入的有效降低。而在文章進(jìn)行論證的過程中，能夠有效地連接成像的有關(guān)原則以及特點(diǎn)，構(gòu)建出兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，具體研究分析如下。

1 光學(xué)設(shè)計(jì)分析

1.1 同心光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

以同心透鏡來看，往往藉由兩個(gè)光學(xué)折射面球心重合的凹、凸透鏡，這樣便能夠呈現(xiàn)出相當(dāng)程度的負(fù)光焦度，并由此起到對應(yīng)的發(fā)散功能，進(jìn)而影響光線發(fā)揮。該系統(tǒng)存在單心性，并且還有高度對稱性，鑒于這些特點(diǎn)，其在具體的使用時(shí)會(huì)具有大視場方面[4]。通過控制同心光學(xué)系統(tǒng)最內(nèi)層2個(gè)對稱半球透鏡的曲率半徑，絕對值等于厚度，再膠合，這樣便可以和球透鏡實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的整體構(gòu)建效果。

1.2 傳感器的選擇

由于科技的持續(xù)發(fā)展，使得在圖像傳感器方面的技術(shù)隨之提升，而加之曲面?zhèn)鞲衅饕查_始進(jìn)入市場，并獲得了較好的應(yīng)用，能夠在手機(jī)鏡頭等方面獲得相應(yīng)的使用，還可以用在汽車等領(lǐng)域[5]。借助曲面?zhèn)鞲衅鞯氖褂?，傳統(tǒng)的平面?zhèn)鞲衅髦饾u被代替，由此能夠促使光學(xué)系統(tǒng)在展開設(shè)計(jì)作業(yè)時(shí)相應(yīng)的難度會(huì)大大降低，這樣便會(huì)不再過度依賴非球面透鏡等的使用，減少生產(chǎn)支出，從而處理大視場光學(xué)系統(tǒng)場曲等缺陷，亦能夠?qū)吘壈到沁M(jìn)行高效消除，促使邊緣像質(zhì)得以強(qiáng)化[6]。在此次分析中，主要借助像元展開，而其對應(yīng)的規(guī)格通常是1.25×1.25 μm，這樣便可以達(dá)成對應(yīng)的單中心超廣角手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)。

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

對常見的手機(jī)鏡頭相關(guān)的成像視場數(shù)值予以關(guān)注，其具體的數(shù)據(jù)通常會(huì)在65°～80°，而這個(gè)數(shù)值亦即意味著所進(jìn)行的成像存在著一定局限[7]。此次研究中，最終形成的手機(jī)鏡頭相對較好，各個(gè)方面的數(shù)據(jù)都能夠呈現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，這就使得在像素?cái)?shù)據(jù)方面表現(xiàn)出一定的性能，對應(yīng)的像素?cái)?shù)值達(dá)到了1 300萬，而具體的參數(shù)見表1。

表1 手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)

1.4 初始結(jié)構(gòu)

在展開結(jié)構(gòu)方面的研究作業(yè)時(shí)，特別要對選型工作予以足夠的關(guān)注，通常的做法為藉由計(jì)算法等展開，在本文中用了相關(guān)的查資料法，這樣便能夠較好地得到初始結(jié)構(gòu)，詳細(xì)的參數(shù)見表2。

表2 單中心全景成像儀結(jié)構(gòu)參數(shù)

在將相關(guān)的參數(shù)輸入結(jié)束后，對物距進(jìn)行調(diào)整，改為無窮遠(yuǎn)，而在系統(tǒng)孔徑方面則是設(shè)置近軸工作F數(shù)，對應(yīng)的初始數(shù)據(jù)是2.0，在視場角方面，對應(yīng)的數(shù)值具體構(gòu)建為120°，而在可見光中心，相關(guān)的波長存在著一定優(yōu)勢，具體對應(yīng)的數(shù)值為486、587、656 nm，通過這些設(shè)置，便可以得到對應(yīng)的初始結(jié)構(gòu)，詳細(xì)情況通過圖1能夠獲得。

圖1 所設(shè)計(jì)的手機(jī)鏡頭初始結(jié)構(gòu)

1.5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

借助ZEMAX軟件展開相應(yīng)的優(yōu)化，將對應(yīng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)輸入之后，整體的情況便會(huì)發(fā)生改變，由此獲得初始結(jié)構(gòu)，隨后應(yīng)該將側(cè)重點(diǎn)放在手機(jī)鏡頭方面，重點(diǎn)關(guān)注對應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，展開相應(yīng)的優(yōu)化作業(yè)，具體如下。首先，是對系統(tǒng)參數(shù)展開對應(yīng)的調(diào)整，有必要的話則可以展開初始結(jié)構(gòu)調(diào)整。其次，則是借助操作數(shù)CVVA等實(shí)現(xiàn)同心結(jié)構(gòu)的有效把控[8]。第三，把透鏡曲率半徑等當(dāng)成變量，且應(yīng)該將其把控有效的區(qū)間，這樣，在同心透鏡方面，對應(yīng)的厚度則是應(yīng)該把控在合理的區(qū)間里。接著，則是關(guān)注單步優(yōu)化情況，還有，必須展開關(guān)于設(shè)計(jì)指標(biāo)方面的分析，并由此達(dá)成操作數(shù)的優(yōu)化作業(yè)，而評價(jià)函數(shù)與操作數(shù)、權(quán)重的關(guān)系為：

2 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

傳統(tǒng)濾光手機(jī)鏡頭在組成方面通常為4片同心透鏡，并且會(huì)增設(shè)曲面濾光片構(gòu)成，而在鏡頭結(jié)構(gòu)參數(shù)方面的實(shí)際情況能夠從圖2（a）看出；新型濾光鏡頭在組成方面通常為4片同心透鏡，并且在第二透鏡后會(huì)加置紅外截止膜，詳細(xì)的鏡頭結(jié)構(gòu)參數(shù)則是能夠通過圖2（b）看出。整體來看，兩個(gè)手機(jī)鏡頭存在的具體情況為，在系統(tǒng)焦距方面全部是0.264 cm，而在系統(tǒng)F數(shù)方面則全部是1.8，而通過分析能夠看出，它們的全視場角處于一致，對應(yīng)的數(shù)值為130°，它們在系統(tǒng)總長方面同樣處于一致，對應(yīng)的數(shù)值為0.41 cm，能夠符合相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[9]。藉由相關(guān)的資料能夠看出，傳統(tǒng)手機(jī)鏡頭后置曲面濾光片通常是同心厚透鏡，導(dǎo)致在進(jìn)行生產(chǎn)加工時(shí)難度出現(xiàn)了相應(yīng)的提升，而在此次研究中，則是借助在半球透鏡的平面上鍍紅外截止膜方式，從而促使加工性得以較好提升，并大大減弱系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖2 手機(jī)鏡頭結(jié)構(gòu)圖

2.2 結(jié)果分析

MTF是將空間點(diǎn)進(jìn)行光學(xué)傅里葉變換、表征光學(xué)系統(tǒng)對不同空間頻率的正弦光柵的傳遞和反映能力的函數(shù)，由此可以對光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)展開相應(yīng)的研究，且能夠賦予較為客觀的整體性評價(jià)。對奈奎斯特頻率進(jìn)行分析，具體的數(shù)值是400 lp/mm時(shí)，相對應(yīng)的MTF則是在數(shù)值上為0.7，而以這個(gè)數(shù)值來看的話，則是處于相對不錯(cuò)的狀態(tài)下，這是由于在攝像鏡頭方面，相關(guān)的數(shù)值規(guī)范是0.7視場以內(nèi)，這樣便可以實(shí)現(xiàn)清晰分辨。而在軸外視場方面，相關(guān)的分辨率則是能夠被允許出現(xiàn)相當(dāng)程度的減小。

3 結(jié)束語

在本文里，結(jié)合同心透鏡相關(guān)原理特征，并且緊密聯(lián)系曲面?zhèn)鞲衅鞯某砷L走向，借助ZEMAX軟件，從而構(gòu)建出2個(gè)單中心超廣角手機(jī)鏡頭。借助透鏡半徑等的有效改善，從而促使系統(tǒng)復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的減少。此次的研究重點(diǎn)考量了單中心超廣角光學(xué)系統(tǒng)的制造可行性，且極大地促使制造難度時(shí)間減弱，而且在光學(xué)系統(tǒng)方面，也存在著相當(dāng)不錯(cuò)的成像品質(zhì)，能夠滿足生產(chǎn)方面的規(guī)范條件，這樣便使得系統(tǒng)的可制造性得以提升。