陶郅

摘   要：目前市場上手机镜头的功能呈现多元化，为满足市场上对超广角手机镜头的需求，使用光学仿真软件，基于塑料非球面，设计了一款1/3.06英寸，1300万像素的超广角非球面手机镜头。该设计的焦距为2.13mm，F数为2.4，视场角为110.6°，全视场在250lp/mm的调制传递函数（MTF）大于0.24，畸变小于2.6%，相对照度大于46%，成像质量良好。经过公差分析，满足生产要求。

关键词：光学设计  非球面  超广角  手机镜头

中图分类号：TN92                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（c）-0081-02

2003年夏普公司研发了第一款百万像素的拍照手机。2006年，三星公司推出了一款拥有1000万像素摄像头的手机[1]。随着芯片集成度不断提高，在相同尺寸的CMOS上，获得了越来越高的分辨率。同时，传统光学的加工技术水平的不断提高，光学镜头的性能实现了大幅度的上升。此外，人们使用手机拍照的场景越来越复杂，对镜头的性能提出了更高的要求。特别是近几年，各大主流手机厂商都推出的拥有广角、甚至超广角拍照功能的手机。综上所述，文章基于非球面镜片设计了一款超广角手机镜头。

1  光学设计

1.1 材料的选择

光学塑料是一种透明的非晶体有机高分子聚合物，由单分子聚合而成[2]。塑料零件具有以下优点：（1）透光性好;（2）质量轻，耐冲击强度高;（3）成本低，利于大量生产;（4）能够满足特殊的设计要求，如非球面透镜[3]。

1.2 设计指标

本文使用Omnivision公司的一款1/3.06英寸的CMOS，其型号为OV13885。

CMOS的重要技术参数如表1所示。

根据目前市场上超广角手机镜头的需求，设计要求如表2所示。

1.3 初始结构选择

由于使用PW法计算光学系统的初始结构计算量大且效率低，所以本文使用缩放法，以美国专利US9557530B2[4]中的结构为基础，使用光学仿真软件ZEMAX建立初始光学系统，并确定相应的波长范围、视场角及光圈大小。

1.4 优化过程

在初始结构的基础上变更光学系统的特性。通过增加镜片，改变孔径光阑位置，控制光线的CRA角，调整非球面矢高，限制最后一片镜片的后焦距离等，优化光学系统的成像质量。同时，控制入射到第一片镜片前的入射光线的角度，实现镜头视场角的放大优化。其后，通过仿真软件控制镜头的场曲、畸变、相对照度等光学参数。最后通过调整各个视场的权重，达到不同视场的成像质量和像差的平衡。

1.5 设计结果

如图1所示为该手机镜头的2D外形结构。该设计第1、3、5片镜片采用牌号为APL5514ML的塑料镜片，第2、4、7片使用日本大阪燃气化学公司的OKP1，第6片镜片的材料为日本三井公司的APL5014DP。

2  设计结果分析

设计结果主要围绕系统的光学性能和几何结构进行评价。

成像质量是评价一个光学系统优劣的重要标准，主要采用调制传递函数（MTF）来评估。如图2所示是该手机镜头的MTF曲线图。从图中可以看出全视场在250lp/mm处，MTF大于0.24，全市场在150lp/mm处MTF大于0.5。

畸变和场曲也是评价光学性能的重要指标之一。场曲会导致光学系统的最佳成像点不能与CMOS的感光面重合，引起图像的模糊。场曲主要分为子午场曲和弧矢场曲，图3中的左图就是该系统的场曲曲线，可以看出场曲小于50μm。

畸变不影响镜头成像的质量，但是它会导致图像变形，典型的形态就是扩展和压缩，所以畸变越小，说明光学系统的性能越好。由图3中的右图可以看出，该光学系统的畸变小于2.6%。

此外，还需要评价光学系统的相对照度，即中心视场和边缘视场的照度的比例。手机镜头的相对照度越高，后期需要做的图像调整就越少。如图4所示，该光学系统的相对照度大于46%。

3  制造装配公差分析

一个光学系统设计完成后，除了要有优良的成像质量外，也要具有满足现有加工水平的公差。如果系统的公差过紧，则导致最终的加工装调成本提高，甚至导致加工装调失败[5]。使用光学仿真软件ZEMAX，分别把光学系统中的曲率半径、镜片厚度、镜片间隔、玻璃折射率、玻璃色散、面偏心和倾斜、元件偏心和倾斜作为公差变量，使用敏感度分析和蒙特卡洛法分析。结果显示在一般加工工艺的公差条件下，该手机镜头使用自然组合装配，80%以上的样本在250lp/mm处的MTF大于等于0.17。

4  结语

当前主流市场上的手机对广角摄像头，甚至超广角摄像头的需求越来越大。因此，本文以某美国手机镜头专利中的设计作为初始结构，使用光学仿真软件进行优化，设计了一款1300万像素的超广角非球面手机镜头。该镜头在实现大视场角的同时，保证了边缘成像质量和小畸变。通过结构分析、光学性能分析、和公差分析，该镜头性能达到市场需求，并且符合实际加工制造要求。此外，后续将继续研究，优化设计出视场角更大，相对孔径更大的手机镜头。

参考文献

[1] 王思聪，王起飞，陈晓西，等.基于曲面传感器的大孔径1300万像素手机镜头设计[J].应用光学，2018，39（6）：902-907.

[2] 王之江，顾培森.应用光学技术手册[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3] 沈满德，李程，任欢欢，等.轻小型折射_衍射混合自由曲面塑料微光夜视仪物镜设计[J].红外与激光工程，2014，43（1）：160-165.

[4] Chen W Y，photographing optical lens assembly，image capturing unit and mobile device.

[5] 李航，颜昌翔.800万像素手机广角镜头设计[J].中国光学2014，3（7）：456-461.