像素高的手机

结构简洁的800万像素手机镜头优化设计

汤备;陈丽;刘峰;何贤飞

【摘要】Owingtothemarketdemandforhigh-pixelmobilephonelens,it

prentsthedesignof8Mega-pixelhigh-qualityphonecamerasin

nthe

optimalcontrolofitstotalthickness,thethicknessisreducedto

erance

meetsthepracticalrequirements.%结合市场对高像素手机镜头的需求，利用

Zemax软件，设计了一款800万像素手机镜头．所设计的镜头采用了4片塑料非

球面镜片以及一片红外滤光片，并对其总厚度进行重点优化控制．结果表明，与同

类型镜头相比，不仅厚度得以减小，镜头总长度小至5.7mm，且系统成像质量好，

公差相对宽松．

【期刊名称】《广东工业大学学报》

【年(卷),期】2013(000)004

【总页数】5页(P98-102)

【关键词】手机镜头;光学设计;非球面透镜;Zemax软件

【作者】汤备;陈丽;刘峰;何贤飞

【作者单位】广东工业大学物理与光电工程学院，广东广州510006;广东工业大

学物理与光电工程学院，广东广州510006;广东工业大学物理与光电工程学院，

广东广感恩节的活动 州510006;广东工业大学物理与光电工程学院，广东广州510006

【正文语种】中文

【中图分类】TN942.2

随着3G智能手机的快速发展，手机的附加功能也得到迅速提升.拍照效果作为手

机一项重要的性能指标，得到了业界越来越多的关注.从最早的11万像素的手机镜

头，发展到现在的500万、800万、1200万等高像素的镜头，像素越来越高，

成像质量也越来越好［1-4］.一般来说，镜头像素越高，感光器件越大，手机会越

笨重，生产成本也会增加，同时，为了配合更高像素照片的传输，处理器和内存等

部件更会影响到手机的待机和散热，影响手机的整体性能，并且基于1200万等

更高像素手机出货产能小的原因，各大手机生产厂商仍将研发重点放在800万像

素.同时，智能手机更薄的趋势化，感光器件的选择和手机镜头的厚度成为重要考

量参数.常用的感光器件有CCD和CMOS两种，CCD成像质量比CMOS较高，

而CMOS的生产价格比较低，成像质量也越来越好.现在的数码产品更新换代快，

照相手机更是如此，每个月都有大量新的手机产品投入市场，手机镜头的成本不能

过高，故目前大多数手机镜头都是使用CMOS作为感光器件.但现在的高像素手机

镜头存在厚度和感光器件选择不够小的问题，如李广等［3］优化的800万像素手

机镜头镜片较多，厚度超过7mm，且MTF曲线优化不够好，彭雪峰［4］基于

CodvV优化的800万像素手机镜头选用的感光器件较大，不适合现在的主流趋

势.

好的镜头通常需要一个合适的初始结构，它关系到设计的成功与否.通常构造初始

结构有两种，一种是直接查阅专利或者专业文献，另一种就是凭借自己丰富的设计

经验，构造出来.前者对于光学设计者来说是最快捷的方式，而且也能够优化出一

个很好的镜头.后者对设计者的要求很高，需要设计者多年的研究经历，因为它要

求设计者掌握各种象差理论和具备良好的数学基础［5］.鉴于此，本文选用一个合

理的美国专利作为初始结构，和最小象元尺寸为1.4m1.4m的感光器件，对

厚度参数进行重点优化，设计了一款较好地控制了像差且长度小至5.7mm的

800万像素手机镜头.

1设计思路

1.1感光器件选取

本文采用Omnivision公司的型号为OV8830(1/3.2inch，8M)的感光器件，OV

系列感光器件因为价格便宜，在国内运用很广泛，OV8830感光器件的最高分辨

率为32642448，最小的像素尺寸为1.4m1.4m，对角线尺寸为5.71经典重生小说 2

mm，所以要求镜头像高达到5.712mm以上，才不会造成nsor面边缘出现黑

影.本设计的预计像高必须大于5.712mm.

1.2镜头重要参数确定

因为手机比较小巧，故镜头必须小型化.与数码相机相比，手机镜头的长度受空间

的制约比较大.在其他条件不变的情况下，通常镜头的长度是与成像质量成正比的，

也就是长度越长成像质量越好，而在手机镜头上，因为长度要制造得非常小，就必

须在其他参数上做补偿［6］.本设计重点对手机厚度进行优化，光学总长控制在

5.7mm以内.

根据目前市面上主流手机镜头的镜头参数作为参考，本设计镜头的光圈值为2.45，

视场角为60.由于CMOS器件对镜头出射面主光线角度有一定的限制，该专利采

用的OV8830(1/3.2inch，8M)感光器件要求主光线出射角小于31.镜头的后工

作距离应该尽可能地大，防止产生碰撞，而对感光器件造成损伤，通常要求不小于

0.3mm，具体参数如表1所示.

表1设计指标Tab.1Designspecification后工作距离像高主光线角视场角光圈

畸变相对照度光学总长＞0.3mm＞5.712mm＜31602.45＜2%＞50%≤5.7

mm

1.3材料选取

在手机镜头材料的选取上，光学塑料镜片比玻璃镜片便宜，适合应用在手机镜头上，

这样可以节省生产成本.本设计第二片透镜采用OKP4HT材料，折射率为1.632，

阿贝数为23.第一、三、四片透镜采用APL5014DP材料，折丁香的功效 射率为1.54，阿贝

数为56.1.第五片透镜为滤光片，采用K9材料，折射率为1.516，阿贝数为64.1，

主要滤掉近红外光的干扰.

为了满足实际生产的需要，塑料镜片的厚度一定要方便制造，不能做得太小，过小

的镜片容易变形、损坏.一般来讲，塑料材料的中心和边缘厚度都应大于0.3mm.

手机镜头一般比较短，镜片要放在镜头里面，自然要受镜头长度的限制，所以镜片

的厚度不应做得太大，尽量在0.3～0.5mm之间为好.

1.4初始结构选取

本设计的初始结构是由一个美国专利(US7692877)而来的，挑选原则是相符合的

光圈数和视场角，其视场角为67，光圈值为2.45，光学结构总长为7mm［7］.

2优化过程

对于拍照手机镜头，为了达到工作需要的进光量，必须要有足够大的相对孔径，视

场也需要比较大，要达到60左右，一般来讲，视场越大，像散、场曲、畸变等象

差也会随之变大［8］.由于衍射极限的存在，每一个镜头系统一定会存在像差，通

常会根据CMOS分辨率NA来确定像面上形成的弥散斑半径大小d，以衡量系

统的成像质量，有关系式

本设计采用的CMOS传感器，最小像元尺寸是1.4m，故

即镜头分辨率为357lp/mm.又CMOS分辨率和镜头分辨率必须匹配，所以NA

为357lp/mm，代入公式(1)，得d=3.36～4.2m，即说明像面上的弥散斑半

径最大不能超过4.2m.对于高像素手机镜头，为了成像清晰，畸变要求不得超过

2%.

用Zemax进行优化，具体优化过程如下:

(1)变量的设定:把各个镜片的曲率半径、厚度、圆锥系数、非球面系数等都设为变

量.

(2)评价函数的设定:慢热的英文 使用操作符TOTR或者TTHI控制镜片的总长，使用操作符

TRAY和RSRE来控制各个视场的弥散斑半径，使用操作符MTFS和MTFT来控

制弧矢MTF和子午MTF［9］，按RMSSpotRadius-Centroid形式，设定默认

评价函数.

(3)进行全局优化.一般来说优化过程会出现各类问题，如两片镜片发生重叠，某一

片镜片的曲率半径变得很大，主光线出射角过大等问题，要经过多次反复调试才能

得到令人满意的结果［10］.

3优化结果与分析

经过优化，获得了一款结构比较简洁的手机镜头，其光学总长度为5.7mm，焦距

和后工作距离分别为4.4mm和0.35mm，视场为60，像高为5.72mm，主光

线出射角小于31，满足感光器件CMOS的耦合条件.设计结构如图1所示:

图1系统结构图Fig.1Systemstructure

3.1光学调制传递函数

光学传递函数评价光学系统的成像质量，是基于读后感作文600字 把物体看做是由各种频率的谱组成，

也就是把物体的光场分布函数展开成傅里叶级数或傅里叶积分的形式，它能够全面

地评价一个镜头的成像质量［11］.光学传递函数能够反映光学系统对物体不同频

率成分的分辨能力，对目视光学系统来说，看重决定细节的高频部分，对摄影系统

来说，看重决定轮廓的低频部分.手机镜头属于摄影系统，对传递函数低频部分有

更高的要求［12］.如图2所示，在最大分辨率358lp/mm处，0视场达到0.37，

非常接近衍射极限，而其他视场都达到了0.2，完全满足拍照要求.如图3所示，在

最大分辨率的一半180lp/mm处，可以看到全部视场都能达到0.5以上，远超过

一般要求的0.3，可以说成像质量是非常好的.

图2358lp/mmMTF曲线图Fig.2358lp/mmMTFgraph

图3180lp/mmMTF曲线图Fig.3180lp/mmMTFgraph

3.2点列图

在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线经过光学系统成像后，由于像

差的存在，使其在像面不再集中为一点，而是形成一个分布在一定范围内的弥散斑，

这就是点列图，利用这些点的密集程度来衡量光学系统的成像质量的方法称之为点

列图法［13］，如图4所示，从图4可以看到0视场的RMS为1.15m，小于

1.4m，符合设计要求.全部视场的最大RMS为2m，小于4.2m，也满足镜

头设计要求.

3.3场曲和畸变

当存在场曲时，在高斯像平面上超过近轴区的像点都会变得模糊，平面物体所成的

像变成回转的曲面，在任何像平面处都得不到一个完善的物平面的像，所以镜头对

场曲有严格要求.畸变表示像与成像物的相似程度，畸变越大，像就会变形，不能

很好地还原成像物.从图5可以看出，场曲矫正在0.02mm范围内，畸变控制在2%

范围内，都符合设计要求.

3.4主光线出射角

为了很好的与传感器耦合，主光线出射角必须在传感器要求的范围内，通过查询

OV8830规格书，主光线出射角最大不超过31.从图6可以看出，主光线最大出

射角为30，满足感光器件的耦合条件.

3.5相对照度

手机镜头的相对照度随视场增大而减小，如果边缘视场相对照度过低的话，夜间拍

照可能会模糊［14］.对手机镜头的照度要求是，在全视场下大于0.5.由图7可以

看到成像面的最低相对照度都大于0.67，完全满足照度要求.

图4点列图Fig.4Spotdiagram

图5场曲和畸变Fig.5Fieldcurvatureanddistortion

图6主光线出射角Fig.6Chiefrayangle

图7相对照度Fig.7Relativeillumination

4公差分析

光学设计结构出来后，还需要用Zemax软件进行公差分析.所谓公差分析就是结合

当前的加工塑料镜片仪器的工艺要求，使得加工出来的镜片与设计时镜片的中心厚、

边厚、外径等参量的差别在一定的范围内，使得镜头的成像效果还是符合要求的

［15］.

本文所使用的镜片按照当前的工艺要求，可允许的塑料镜片的直径公差为0.005

mm，厚度的公差为0.005mm，镜片的偏轴公差为0.003mm，倾斜角度公差

为0.08.确定好镜片各个参数的公差范围，就可以使用Zemax软件模拟公差进

行分析，得出的分析数据符合实际生产需要.

5结论

本文通过选择合理的初始结构和主流的CMOS感光器件OV8830，设计了一款

800万像素手机镜头.所设计的镜头采用了四片塑料非球面镜片以及一片红外滤光

片，与其他同类型镜头相比，优化设计主要体现在其厚度变薄，厚度只有5.7mm，

结构简洁，能够适用于更薄的手机.同时，系统全视场MTF值在最大空间频率处大

于0.2，相对畸变小于2%，全视场相对照度大于0.67，说明系统成像质量好，公

差相对宽松.因此，此款镜头生产成本低，实用性强，符合现在手机发展的主流趋

势，且能够满足生产条件.

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