【文章內(nèi)容簡介】 感光元件簡介市面上的拍照手機鏡頭一般上只有兩種： CMOS 和 CCD。 無論是 CCD 還是 CMOS，它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段， CCD/CMOS 感光元件的核心都是一個感光二極 管（ photodiode），該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強度則與光照的強度對應(yīng) 。 現(xiàn)在的消費級數(shù)碼 產(chǎn)品使用的影像傳感器 主要有 2/3 英寸 、 1/ 英寸、 1/ 英寸、 1/ 英寸四種。 CCD/CMOS 尺寸越大，感光面積越大，成像效果越好 [4]。 2. 3 鏡頭結(jié)構(gòu)分類及選擇 鏡頭是指由不同的透鏡經(jīng)系統(tǒng)組合而成的整體 。 基本結(jié)構(gòu)包括四個部分 : 透鏡、隔圈、鏡筒、壓 圈 [5]。隔圈結(jié)構(gòu)類型比較多 , 它受前后透鏡直徑和通光孔徑的差別影響較大 , 也受其它結(jié)構(gòu)要素影響。鏡筒結(jié)構(gòu)大體可以分為兩類 : 直筒式和臺階式。壓圈的結(jié)構(gòu)形式包括外螺紋壓圈和內(nèi)螺紋壓圈 , 在實際應(yīng)用中大多采用外螺紋壓圈 ,以鏡筒和壓圈的結(jié)構(gòu)形式組合就可以把鏡頭結(jié)構(gòu)分為以下六種形式：（如圖 所示） 。 圖 鏡頭的結(jié)構(gòu)類型 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 手機鏡頭的性能指標(biāo)和相關(guān)術(shù)語 鏡頭通常有兩個較為重要的 指標(biāo) 。一個是光圈 ，它是安裝在鏡頭上控制通過鏡頭到達傳感器的光線多少的裝置，除了控制通光量，光圈還具有控制景深的功能，即光圈越大，則景深越小 。 另一個是焦距 ，它基本上就是從鏡頭的中心點到傳感器平面上所形成的清晰影像之間的距離 ， 也就是相當(dāng)于物和 像 的比例尺。鏡頭的焦距決定了該鏡頭拍攝的物體在傳感器上所形成影像的大小。假設(shè)以相同的距離面對同一物體進行拍攝，那么鏡頭的焦距越長，則物體所形成的影像就越大 ，反之越小 [6]。數(shù)碼 產(chǎn)品 的鏡頭由多片鏡片組成，材質(zhì)則分為玻璃與塑料兩類。 [7] 1)孔徑： NA=n． Sinν（數(shù)值孔徑） D/f． （相對孔徑） f． =1/D（ F數(shù)） n． Sinν = D/2f=1/（ 2 F數(shù) ） 2)視場： 角視場或線視場（直徑） 3)焦距： 焦點到后主面的距離，一般為鏡頭 軸向 中部 數(shù)碼相機鑒別率定義為在 像 面處鏡頭可鑒別的黑白線對數(shù) ， 單位 為 毫米 。 CMOS 的分辨率是用像素總數(shù)表示的。在水平方向上鏡頭對線狀 分辨率 圖案的成 像 ，其每個線寬恰好站用一個 像 素，我們就稱在水平方向上選用的 CMOS與鏡頭在 分辨率 上是相配的 。 在垂直方向上也可同樣理解之。這樣定義保證了CMOS 在最少像素總數(shù)下，恰好能分辯清像的細節(jié) [8]。 光圈英文名稱為 Aperture，光圈是一個用來控制光線透過鏡頭，進入機身內(nèi)感光面的光量的裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。我們平時所說的光圈值 、 FF16 等是光圈 “ 系數(shù) ” ，是相對光圈，并非光圈的物理孔徑，與光圈的物理孔徑及鏡頭到感光器件（膠片或 CCD 或 CMOS）的距離有關(guān)。 表達光圈大小我們是用 F 值。光圈 F 值 = 鏡頭的焦距 /鏡頭口徑的直徑，從以上的公式可知要達到相同的光圈 F 值，長焦距鏡頭的口徑要比短焦距鏡頭的口徑大。完整的光圈值系列如下： F1， ， F2， ， F4， ， F8， F11， F16， F22， F32， F44， F64。這里值得一題的是光圈 F 值愈小，在同一單位時間內(nèi)的進光量便愈多，而且上一級的進光量剛是下一級的一倍，例如光圈從F8 調(diào)整到 ，進光量便多一倍，我們也說光圈開大了一級。多數(shù)非專業(yè)數(shù)碼相機鏡頭的焦距短、物理口徑很小， F8 時光圈的物理孔徑已經(jīng)很小了，繼續(xù)縮小就會發(fā)生衍射之類的光學(xué)現(xiàn)象，影響成像。所以一般非專業(yè)數(shù)碼相機的最小光西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 圈都在 F8 至 F11，而專業(yè)型數(shù)碼相機感光器件面積大，鏡頭距感光器件距離遠，光圈值可以很小。對于消費型數(shù)碼相機而言，光圈 F 值常常介于 F16。此外許多數(shù)碼相機在調(diào)整光圈時，可以做 1/3 級的調(diào)整 [9]。 影響像質(zhì)的幾個因素 1).像素數(shù) 拍照手機鏡頭的像素通常有三種表示方法：標(biāo)稱像素、有效像素、插值像素。插值像素是先把相鄰兩光學(xué)像素的真實數(shù)字影像信息取平均值，得到一新的虛擬影像信息，而后將此人為增加的新信息作為新像素插補在原來兩個真實像素之間，即通過軟件計算對原來數(shù)字影像信息進行賦予人為增加之新虛擬信息的插補，以填補由于受影像傳感器總像素所限，而在拍攝時可能缺失的信息。標(biāo)稱像素是手機廠家在廣告中所宣稱的總光學(xué)像素，它指作為影像傳感器 的CCD 或 CMOS 所具有的理論總光學(xué)像素數(shù)，又稱總像素。有效像素是該 CCD或 CMOS傳感器在攝影時真正參與成像工作的光學(xué)像素數(shù)。由于受諸多因素的限制與影響，標(biāo)稱像素（即理論總光學(xué)像素數(shù)）中的全部像素不可能均參與實際成像，故此有效像素一般比標(biāo)稱像素要小。 2).感光 元件（ CMOS） 的 尺寸 感光 元件越大，每個像素的尺寸就越大。像素尺寸越大，所能處理的數(shù)據(jù)量就會增加，從而就能夠區(qū)別微細光線的顏色和強度。也就是說就能夠生成層次感豐富的照片。 現(xiàn) 有 CMOS 的尺寸有： 2/3 英寸、1/ 英寸、 1/ 英寸、 1/ 英寸四種。 3).鏡頭的影響 一個好質(zhì)量的鏡頭是成像質(zhì)量好壞的至關(guān)重要的一個因素。 鏡頭的功能是將光線聚集到感光面上，它好比相機的“ 眼睛”。鏡頭越好，聚焦點越準(zhǔn)確，拍出的照片越清晰。 如今拍照手機上衍生出各種多媒體一體，而其內(nèi)部空間十分有限且相當(dāng)一部分空間為顯示和通訊模板占用 ,因此手機照相鏡頭的裝配空間受到較大限制，尤其會造成手機厚度較大。 隨著 可拍照手機的市場需求 的 不斷增長， 這一問題急待解決。 雖然可拍照手機的發(fā)展歷程很短，但其發(fā)展速度是相當(dāng)快的，主要是由于 它有如下優(yōu)點： 1）、可隨身攜帶 2）、可 隨時使用 無論白天或黑夜 3）、信息傳輸迅速、快捷高效 4）、畫面獲取方便、重塑性好 當(dāng)然它也有如下缺點： 1）、所拍攝影像質(zhì)量尚較低 2）、售價較貴 3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 6 3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 光學(xué)設(shè)計軟件簡介 ZEMAX MTF 函數(shù) ZEMAX 是一個用來模擬、分析和輔助設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)的程序。 ZEMAX 提供了十分強大的優(yōu)化功能，它有能力去改善那些給出一個合理的起始點和一系列可變量的鏡頭設(shè)計?？勺兞靠梢允乔?，厚度，玻璃，圓錐系數(shù)，參數(shù)數(shù)據(jù)，特殊數(shù)據(jù)，和一些多種結(jié)構(gòu)的數(shù)值數(shù)據(jù)。 ZEMAX 使用 了有效的阻尼最小二乘法，這個運算法則能夠優(yōu)化由加了權(quán)重的目標(biāo)值組成的評價函數(shù)，這些目標(biāo)值稱為 “ 操作數(shù) ” 。 調(diào)制傳遞函數(shù) MTF(Modulation Transfer Function)： 實際像與理想像之間調(diào)制度之比相對空間頻率的函數(shù)，稱為 調(diào)制傳遞函數(shù)。它可清晰地表示出攝影鏡頭以怎樣的調(diào)制度，傳遞某一空間頻率 [12]。 攝影鏡頭把景物的調(diào)制度信息，傳遞到像平面處，變?yōu)閷嶋H影像的調(diào)制度信息，在此傳遞過程中，該攝影鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)值為 MTF值＝ M′ /M， 式中 M′為實際影像的調(diào)制度 ,M 為理想像的調(diào)制度。 調(diào)制傳遞 函數(shù)值一般在 1 至 0 之間變化 ,評價函數(shù)是一個如何使一個光學(xué)系統(tǒng)接近一組指定的目標(biāo)的數(shù)值表示。 ZEMAX 使用了一系列操作數(shù)，它們分別代表系統(tǒng)不同的約束條件和目標(biāo)。操作數(shù)所代表的目標(biāo)有像質(zhì)、焦距、放大率和其他很多指標(biāo)。 這些評價函數(shù)與列表中的每個操作數(shù)的目標(biāo)值和實際值之差平方的加權(quán)和的平方根成比例。由于評價函數(shù)的這種定義，所以 0值代表理想狀態(tài)。優(yōu)化算法將使這些函數(shù)值盡可能小，所以評價函數(shù)應(yīng)該是 理 想系統(tǒng)達到的結(jié)果的一種表示。 優(yōu)化類型的選擇： ZEMAX 可以使用幾種不同評價函數(shù)類型。缺省的評價函數(shù)通過使用四個基本選擇來構(gòu)建的，它們是：優(yōu)化類型，數(shù)據(jù)類型，參考點，和積分方法。 PTV 是波峰到波谷的簡稱。在一些不常見的情況， RMS 和誤差的最大范圍同樣不重要 RMS 是均方根的簡稱。到目前為止，這種類型使用最為廣泛。 RMS 是所有單個誤差平方的平均值的平方根 優(yōu)化步驟： 優(yōu)化需要三個步驟： 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 1）一個可以進行光線追跡的合理光學(xué)系統(tǒng)； 2）變量的設(shè)定； 3）評價函數(shù)的設(shè)定。合理的光學(xué)系統(tǒng)是一個比較模糊的概念，它僅僅意味著通過優(yōu)化算法將一個缺 乏考慮的設(shè)計方案轉(zhuǎn)化成一個優(yōu)秀的方案是不可能的（雖然有一些例外情況）。變量可在不同編輯界面中進行詳細說明，在評價函數(shù)編輯界面中可以很容易地改變這些評價函數(shù) 。 歸一化的視場和光瞳坐標(biāo) 歸一化的視場和光瞳坐標(biāo)常常用在 ZEMAX 的程序和文件中，一共有四個 Hx，Hy， Px和 Py。 Hx和 Hy值是歸一化的視場坐標(biāo)； Px和 Py 值是歸一化的光瞳坐標(biāo)。 歸一化的視場和光瞳坐標(biāo)代表了一個單位圓的點。視場的半徑尺寸（或當(dāng)視場用物高這個術(shù)語來表示時，其物體的高度）用來衡量歸一化視場坐標(biāo)，而入瞳半徑則用來衡量歸一化的光瞳半 徑。例如，假設(shè)最大物高是 10mm，經(jīng)常遇到的情況為：分別在 0， 7 和 10 mm 處定義了 3 個視場。坐標(biāo)（ Hx=0， Hy=1）指的是一條從物體上邊緣點發(fā)出的光線即（ x=0mm,y=10mm）。坐標(biāo)（ Hx=1， Hy=0）指的是一條從物平面（ x=10mm,y=0mm）處發(fā)出的光線。光瞳坐標(biāo)也用同樣的方式。 使用歸一化坐標(biāo)的優(yōu)點是一組特定的光線有著相同的坐標(biāo)，它不隨著物體或入瞳的大小為質(zhì)的改變而改變。 注意，歸一化坐標(biāo)總是在 1 和 1 之間，而且有 Hx2+Hy2≤ 1, Px2+Py2≤ 1[13]。 設(shè)計要求及分析 具體設(shè)計過程是在了解光學(xué)設(shè)計基本思想的基礎(chǔ)上 ，結(jié)合題目要求選用合適的原始模型進行調(diào)整。通過學(xué)習(xí) ZEMAX 軟件完成數(shù)據(jù)的優(yōu)化和調(diào)整，最終設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單且?guī)в修D(zhuǎn)折光路的手機照相鏡頭。主要內(nèi)容包括： （ 1） 光學(xué)設(shè)計基本原理的學(xué)習(xí)。 （ 2） 基于手機照相鏡頭相應(yīng)要求的鏡頭組設(shè)計。 （ 3） ZEMAX 的應(yīng)用及對鏡頭的優(yōu)化調(diào)整。 以下為主要設(shè)計指標(biāo)： 物 距： 1000mm FNO : 4 畸變 q：＜ 2﹪ 像高：＞ 視場角： ＞ 60176。 中心視場 MTF@160LP/mm:＞ 視場 MTF@120LP/mm:＞ 對要求 進行 分析：物距即最近拍攝距離。 相對孔徑與 F 數(shù)互為倒數(shù)， F數(shù)即光圈數(shù)，可以決定系統(tǒng)光通量，像面照度與 F 數(shù)成反比， F數(shù)越大，通過系統(tǒng)的光線越少，像面照度越低，反之通過系統(tǒng)的光線越多，像面照度也越大；畸變僅西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 由主光線決定，會引起像的變形，但并不影響像的清晰度； 對于一般光學(xué)系統(tǒng)只要眼睛感覺不出像的明顯變形 (q≈ 4%)就行 [1]。 而對手機鏡頭來說要控制在 2%以內(nèi)；像高的大小是由感光元件 的對角線尺寸決定 ；手機鏡頭與照相物鏡類似屬于大相對孔徑和大視場的光學(xué)系統(tǒng)； MTF 的線對計算公式也就是截止頻率或極限分辨率 [2]。 截止頻率 =1/2a [a為 感光元件（ CCD 或 CMOS） 像素尺寸的大小，單位： μm] 本課題所要做的工作就是設(shè)計出能夠滿足以上技術(shù)要求的手機照相鏡頭。 初始結(jié)構(gòu)的選擇 初始結(jié)構(gòu)的選擇很重要， 只有初試結(jié)構(gòu)選取合適，后續(xù)工作才有意義。 常無法一次選定最合適的結(jié)構(gòu)，被選定的結(jié)構(gòu)需經(jīng)一定的校正后確定是否可用。 在實際選取過程中，是一個隨機挑選的過程，原則是選取一個結(jié)構(gòu)簡單，性能接近的照相鏡頭。 本課題所選初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： 表 手機照相鏡頭初始數(shù)據(jù) 第 1 面：錐度： k= 非球面系數(shù) : A1=,A2=, A3=, A4=。 第 2 面： 錐度： k= 非球面系數(shù)： A4=,A6=, A8=,A10=。 第 3 面：錐度： k= 非球面系數(shù)： A4=,A6=, 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 A8=,A10=。 第 4 面： 錐度： k= 非球面系數(shù)： A4=,A6=, A8=,A10=。 第 5 面： 錐度： k= 非球面系數(shù)： A4=,A6=, A8=,A10= 第 6 面：錐度： k= 非球面系數(shù)： A4=,A6=, A8=,A10=。 圖 初始結(jié)構(gòu)二維光路圖 從該 初始二維光路圖可看到光線的聚焦性并不好 ,尤其是邊緣視場處，因此需要后期的像差初步校正和優(yōu)化。且總長超過 25mm,不適于應(yīng)用在手機上。因此還要通過后期調(diào)整和優(yōu)化盡量減小其長度。 該結(jié)構(gòu)中三片透鏡所用材料依次為丙烯酸樹脂， 聚碳酸酯 POLYCARB 和非晶型聚烯烴 ZEONEX，丙烯酸樹脂具有良好的耐腐蝕性，耐光性和耐水性，硬度適中，耐沖擊性好。 聚碳酸酯沖擊韌性好、機械強度高、尺寸穩(wěn)定性好、不易變形；有優(yōu)良的耐熱耐寒性，可在 60130℃長期使用；吸水性低、耐磨和耐化學(xué)腐蝕性能等也較好；透明度接近于有機玻璃 [15]。非晶型聚烯烴有以下特點：⑴密度小，比聚碳酸脂約低 10%，有利于制品輕量化；⑵飽和吸水率小；⑶由于含有極性和異向性小的單體，因而為非晶型透明材料，雙折射率小；⑷屬高耐熱性透明樹脂，西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 玻璃化溫度達 140~170℃，玻璃化溫度是非晶型聚合物的耐熱性指標(biāo)；⑸容易注射成型；⑹機械性能優(yōu)良，拉伸強度，彈性模量比聚碳酸脂高；⑺優(yōu)良的復(fù)制性，故制品質(zhì)量高；⑻介電常數(shù)低，特別是高頻性能好，是熱塑性塑料中介電性能最好的材料；⑼耐擦傷性良好，耐擦傷性是光學(xué)材料的一個重要性能指標(biāo)；⑽ 它 為 綠色塑料，不 純物含量極少；⑾耐化學(xué)藥品性、耐酸性、耐堿性優(yōu)良 [16]。 視場角的確定 視場角一般用度來表示，其測量一般依據(jù)近軸入瞳的位置。 光軸逆時針旋轉(zhuǎn)時形成的角是正的，順時針旋轉(zhuǎn)時形成的角是負(fù)的。因而 正的視場角其物體坐標(biāo)是負(fù)的，其光線斜率是正的。 視場角作為鏡頭初始指標(biāo)，根據(jù)要求控制在 60度，則半視場角為 30 度，本課題選取了三個視場，即中心視場， 視場和邊緣視場，反應(yīng)在 Y視場上就是 30 與 0， 和 1 分別相乘的結(jié)果。 如 表 所示 為半孔徑角對應(yīng)入瞳處的坐標(biāo)值。 圖 視場坐標(biāo) F 數(shù)的確定 F數(shù)的確定很簡單， 如下圖 選擇光圈 類型后輸入光圈數(shù)值即可。它是評價系統(tǒng)光通量的指標(biāo)， F數(shù)越小，光通量越大 數(shù)，它在數(shù)值上是相對孔徑的倒數(shù)。 題目要求的 F數(shù)為 4，因此在下圖所示的光圈數(shù)值處填入 4即可 。 圖 F數(shù)的確定 工作波長的選擇 工作波長 是可見光范圍，從 380nm 到 用定量， 無法真正模擬實際情況，也 就 無法設(shè) 定連續(xù)數(shù)值 ,只能選取幾個定值。具體確定過程如下圖 所視。 主波長為圖中第 2 個波長， 值 為 微米。ZEMAX 在運行時有時使用全部三種波長，有時只使用主波長。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11