高分辨率手機(jī)鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)與性能仿真外文翻譯

1、文獻(xiàn)翻譯題目1650萬像素手機(jī)鏡頭的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名洪鑫專業(yè)班級(jí)電子科技13-01學(xué)號(hào)541311010111院（系）物理電子工程學(xué)院指導(dǎo)教師（職稱）運(yùn)高謙（講師）完成時(shí)間2017年5月30日1650萬像素手機(jī)照相鏡頭的設(shè)計(jì)1650萬像素手機(jī)鏡頭的設(shè)計(jì)YukeMa,V.N.BorovytskyDepartmentofOpticalandOptoelectronicDevices,NationalTechnicalUniversityofUkraine,Kyiv,UkraineEmail:sherry_rainReceived15February2015;accepted2March2015;pub

2、lished6March2015Copyright©2015byauthorsandOALib.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense（CCBY）.摘要：設(shè)計(jì)了用于移動(dòng)電話的1650萬像素?cái)z像機(jī)鏡頭。該鏡頭由3個(gè)塑料非球面透鏡，一個(gè)玻璃球面透鏡和一個(gè)紅外玻璃過濾器組成。來自O(shè)mniVision的具有1.12微米的像素尺寸的CMOSOV16850用作圖像傳感器。該透鏡的有效焦距為4.483mm，F(xiàn)數(shù)為2.50，視場(chǎng)（FOV）為76.2度，總長(zhǎng)度為5.873mm。透鏡的最大畸變小于2

3、.0。所有場(chǎng)相對(duì)照明的最小值超過39.8。關(guān)鍵詞：手機(jī)相機(jī)鏡頭，1650萬像素傳感器，Zemax主題領(lǐng)域：移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)，光通信1.介紹：2014年10月7日，OmniVisionTechnologies公司（NASDAQ：OVTI）宣布推出一款1650萬像素?cái)?shù)字圖像傳感器0V16850i。在已發(fā)表的論文中，Songetal要設(shè)計(jì)一個(gè)1600萬像素的相機(jī)鏡頭在緊湊的尺寸不是一件簡(jiǎn)單的任務(wù)（2010）。3最近，Peng通過4片塑料非球面透鏡的結(jié)構(gòu)研究了用于移動(dòng)電話的500萬像素?cái)z像機(jī)鏡頭。（2013）Yin等人通過使用1個(gè)玻璃和3個(gè)塑料非球面透鏡（1G3P）完成了光學(xué)系統(tǒng)，研究了用于手機(jī)的800萬

4、像素?cái)z像機(jī)鏡頭。（2014）通過選擇5塊塑料非球面透鏡（5P）結(jié)構(gòu)配置，研究了用于手機(jī)的1300萬像素手機(jī)鏡頭。本文介紹了通過1P1G2P鏡頭配置的1650萬像素?cái)z像機(jī)鏡頭的詳細(xì)設(shè)計(jì)，這是我們第一次了解。傳感器OV16850具有以下規(guī)格：像素尺寸為1.12微米，分辨率為5408像素X3044像素，對(duì)角線長(zhǎng)度為6.95mm或像高，主光線角（CRA）為33.4度。傳感器的奈奎斯特采樣頻率可以通過1000/（2X1.12）=446lp/mm計(jì)算。因此，相機(jī)鏡頭的有限分辨率應(yīng)該優(yōu)于446lp/mm。6.95mm的圖像高度和76.2度的透鏡的FOV確定4.432mm的焦距。我們將透鏡的有效焦距（EFFL

5、）設(shè)置為小于4.5mm，所以用于移動(dòng)電話的相機(jī)透鏡的總光學(xué)長(zhǎng)度（TOL）可以限制為5.90mm。1650萬像素手機(jī)鏡頭的規(guī)格參數(shù)總結(jié)在表1中。2.設(shè)計(jì)方法2.1光學(xué)材料在這種設(shè)計(jì)中使用來自Zeonex的光學(xué)樹脂E48R6。光學(xué)樹脂提供高透明度，低熒光，低雙折射率，低吸水率，低成本，高耐熱性和容易成型用于大規(guī)模生產(chǎn)。由于透鏡具有大的FOV，并且其諸如高階球面像差，像散，慧差，高階色差等的高階光學(xué)像差相當(dāng)大，為了具有更穩(wěn)定和清晰的圖像，第一個(gè)元件被設(shè)置為非球面玻璃透鏡，第二元件的材料是具有光學(xué)折射率為1.785和色散系數(shù)為26.08的SF56A，透鏡的第一，第三和第四元件選擇為E48R，其光學(xué)折射

6、率為1.531，相應(yīng)的色散系數(shù)為56.0，第五個(gè)元件是紅外濾光片（IR）,最后一個(gè)是覆蓋玻璃BK9。2.2設(shè)計(jì)程序Zemax7用于模擬鏡頭光學(xué)系統(tǒng)。考慮到低價(jià)格和大量生產(chǎn)，選擇鏡頭的初始配置1P1G2P用于通過反復(fù)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)。在該透鏡中有6個(gè)元件，第一至第四21650萬像素手機(jī)照相鏡頭的設(shè)計(jì)元件都是非球面透鏡，第五元件是IR濾光器，第六元件是傳感器的玻璃蓋。元件1至4的所有表面被設(shè)置為均勻的非球面輪廓，第五和第六元件是平面。半徑和每個(gè)表面的厚度從1到8被設(shè)置為可變的，所有表面圓錐常數(shù)以及非球面系數(shù)被設(shè)置為可變。2.3.優(yōu)化過程優(yōu)化過程包括三個(gè)步驟：步驟1：1）使用操作數(shù)EFFL定義透鏡的有效焦

7、距，使用操作數(shù)TOTR限制透鏡系統(tǒng)的總光學(xué)長(zhǎng)度，使用操作數(shù)RAID限制CRA,使用操作數(shù)REAY來定義圖像高度;2）優(yōu)值函數(shù)還包括操作數(shù)MNCA，MXCA和MNEA以定義空氣厚度和空氣邊界約束，同時(shí)操作數(shù)MNCG,MXCG和MNEG用于玻璃殼；3）最初，操作數(shù)LONA用于控制球面像差，LACL用于控制該焦點(diǎn)系統(tǒng)的橫向色彩。TRAY和SUMM用于控制彗差，而操作數(shù)DIMX用于控制每個(gè)視場(chǎng)的失真；4）使用操作數(shù)TRAY，DIFF，RAGC，ACOS和TANG控制切向曲率；5）使用操作數(shù)TRAY,DIFF,RAGC,ACOS,TANG,CONS和PROD來控制矢狀曲率；6）操作數(shù)TRAC用于控制整個(gè)

8、波長(zhǎng)的每個(gè)視場(chǎng)的光點(diǎn)大小。步驟2：在初始優(yōu)化之后，在優(yōu)值函數(shù)中添加高階控制操作數(shù)，即1）使用操作數(shù)TRAYRAGC，ACOS，TANG，DIVI和DIFF來控制軸向和縱向色差；2）使用操作數(shù)TRAY，RAGC，ACOS，TANG，DIVI，CONS，PROD和DIFF控制高階球面像差；3）使用TRAY，DIVI和DIFF控制高階色球差；4）使用FCGT，F(xiàn)CGS，DIFF和SUMM控制散光。步驟3：在每次優(yōu)化完成后觀察Siedel系數(shù)，觀察布局以顯示合理的配置。最后，1）將MTFS,MTFT都加到優(yōu)值函數(shù)中以提高透鏡分辨率；2）同時(shí)TRAC被操作數(shù)OPDX替代；3）優(yōu)值函數(shù)中的權(quán)重總是準(zhǔn)備改變

9、以優(yōu)化一些重要貢獻(xiàn)項(xiàng)目，以獲得合理的透鏡配置。3.結(jié)果優(yōu)化的透鏡配置如圖1所示，相應(yīng)的透鏡數(shù)據(jù)列在表2和表3中。透鏡具有5.873mm的總軌跡，有效焦距為4.483mm,后焦距為0.207mm。該透鏡具有76.2度的FOV，圖像高度為6.97mm，其比CMOS傳感器尺寸稍大，并且意味著CMOS傳感器容易安裝到透鏡模塊。CRA小于33.4度;期望光學(xué)器件和COMS之間的良好耦合。可以使用點(diǎn)圖，MTF，曲率和失真，側(cè)向顏色，色差焦距偏移和相對(duì)照度來評(píng)估透鏡設(shè)計(jì)。光斑尺寸的RMS半徑應(yīng)小于像素尺寸的三倍（Yu8），對(duì)于該設(shè)計(jì)，它為3.36微米。所有場(chǎng)的RMS點(diǎn)如圖2所示。場(chǎng)1至6（FOV0.000至

10、FOV0.787）的RMS光斑半徑分別為2.545m，2.761卩m，2.662m，2.856m，2.337m和2.091m,遠(yuǎn)小于CMOS傳感器的成像需要，同時(shí)場(chǎng)7的光斑尺寸的半徑（FOV0.92）為5.641m,場(chǎng)8（FOV1.0）的光斑尺寸的半徑為4.985m，非常接近這種需要，也就是說整個(gè)FOV可以非常清晰地成像。表2鏡頭配置數(shù)據(jù)Surf:typmRadiusThickriESEGlassSmii-dlFa-mp+tCCULCOBIStandardTnfiniH.5-Twfinirf3.900EiTOEvenasphere3.1?41.413S48R1.蘆4.1312Evenasphe

11、re-3.115O.C-211.2331.6043SphEric-2.2520.445S356A1.2190.0'Xi4SpihEdc-9.Q570J121J460.000Etehasphere-4.31.378S48R1.4094.S6E15Evenasphere-2.4430.9381.S23-1.2C4Evem.asphere-2.3100.35E48R2.167-8.7898Evenasphere-艮遼0.3003.1741.6419Btazdard!TrifinilTir0.313EK：32220.00313Btazdard!Infinitv0.20033440.003Sta

12、ndard!Infinitv0.000表3每個(gè)相應(yīng)表面的非球面系數(shù)AspbEii亡coefzABCDEFGHSTQEi?ezi韭吐尿050-0.015-5.30B4)03-3.136E-O03-3.048E-CO30.0000.0000.0002Ei-aEasphere-0.Q45-3.015-0.0123.559E-003-2.O45EX)03o.ooc0.0009.9CO3EiiaEphereDjXO0.0000.03C0.000O.COOo.ooc-3.0C0O.OW斗EeesphereC'.C<'0O.OCQC'.L'O'?0.000O.C

13、OQ100'?斶3Q.OCKEvensphere-0.033-l.O72E&3-?,4(52E-0C3-4.413E-0C41：OC-o.owO.OC<|6Evenasphera-0.06G9.480BflK-2.006E-003-9.711E-3C4-J-576E-CCM.665EO3O.OC'O0.003TEvedasphare-0.101-5.M0E邂1.653E-003-：.7S6E-0C33.519E-0C44.05IE-002-9.441L-0050.0008Evmsphere0.196-0.012LO3OE-4JO3386E-007-_956E0D6

14、-4.296E-0075.719008-5.S74E-010IHYDCrT!f-SMN糾皿則口褲i|L|K門口.晦臼抑4IWALAJfjAjINfirw5NTLIMJM陽IMELAFIXkl.MU«ILlHlt»-lln-sIVWiI-M：-iMl>i'J.V；i4SIOFI6圖11650萬像素手機(jī)相機(jī)鏡頭布局IftnIbLAtiKAMId:Uf|.|.sin.l：CAMRIiAUINIi-111JIJiiJ¥3lN4>iJMAlEl|iHFl世.口i2i.<$i*?wHW*HA|川吟UM【M3比K51、附1rmi5641鈕口訊片LHlH

15、?J71l.Wn啦*+lr>.M4川"11%*訊MJALEBAR411NmRlUfE：ni'IILHRAVNl'fci"MHJtUM.CPIM6RHF冋(W圖21650萬像素手機(jī)相機(jī)鏡頭點(diǎn)圖MTF是評(píng)估鏡片成像性質(zhì)的綜合標(biāo)準(zhǔn)。在該設(shè)計(jì)中，中心場(chǎng)在223lp/mm的MTF值為53.4，在446lp/mm下為21.4。對(duì)于FOV0.8區(qū)，223p/mm的MTF值在矢狀面中大于37.6，在切平面大于32.6，在446lp/mm處，在矢狀面中MTF值大于14%，大于2%在切平面。MTF曲線如圖3所示。鏡片的曲率和畸變?nèi)鐖D4所示;在圖4中示出透鏡具有低場(chǎng)曲率;它

16、在0.05以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于成像需要0.1，并且失真小于2%。它滿足設(shè)計(jì)需要。±1LE：±MSSX5PA.T1A.E.rREQUEKCVINCYCLESPER閘顯II-口Lf.+JL.glg.Q.dO.0.O.CI.POLYCIBROMATM：DIFFRACTJCNMITKAmMC'AHLLLPhJI；：I時(shí)ETHEJM3C»1014UAlJkFEJR<JJlW'ilfifl£il>pdT|SLftFACfjIM.4GENEWi*5MrUAPIXEI.WBILE卩I1CJNEUj：NS.-i-iMAicXJZMKtOKiiGuHA

17、rLh|.0#|圖31650萬像素手機(jī)相機(jī)鏡頭的MTF曲線M1LLI時(shí)出ITEIFFRCENTFtELDCURVATURE'F-TANlTHETA)DISTORTIONl&SMPIJtLLSklOllBLEI-HClNECA.M.ERALENS-TWDH2<J*MXXIMUMFIEU1351HROQDBCrltEESWAW-LE.WGTIIS:D4Rfi&.65CNEWPJ3(ELMO&ILEPHONELENS-rCKAl-OUT.ZMKCONFKURATCON1-OFI圖416.5M像素手機(jī)相機(jī)鏡頭的場(chǎng)曲和畸變透鏡的橫向色彩和色差焦點(diǎn)偏移揭示了該16.5

18、M像素移動(dòng)電話攝像機(jī)鏡頭的幾乎衍射限制的設(shè)計(jì)。它們分別示于圖5和圖6中。在圖5中，最大場(chǎng)的橫向1650萬像素手機(jī)照相鏡頭的設(shè)計(jì)顏色在艾里斑內(nèi)，這意味著衍射限制設(shè)計(jì)。在圖6中還指出，透鏡的色焦點(diǎn)偏移在衍射限制內(nèi)。應(yīng)檢查鏡頭的相對(duì)照明;在圖7中可以看出，相對(duì)照明值的最小值為40。自動(dòng)增益控制電路和自動(dòng)平衡控制電路都可以保持圖像的均勻亮度。結(jié)論是這種設(shè)計(jì)的1650萬像素手機(jī)相機(jī)鏡頭可以滿足設(shè)計(jì)需要。MEWl*5-MEGAPIXELMOBILEPWOWILIlK；J1h1.OLJTIMKCONFIC；LKATimIOfI圖5一個(gè)1650萬像素手機(jī)相機(jī)鏡頭的橫向顏色0.561一wn-CA2Z2尸ti.5

19、42O52D?OMI1圧一二一.ihr一0.G&32rOCuU.SHIFTINilttiCHROMATICFOCALEHCFTU$.旨MTJXEL5WOTrLEHSQNECAMERALCMSHJKDl-ig2X)94M.(LXMUMFOCALgHLPTRANGE:J.WlfiMpmDI-priUCTIONLIMITEDRAMGlj-I4T0JmnJMJPILZONEjo.oomNEW1155-MtGiAPIXELMOBCLE?HOKElENS-FINAL-OUTMKCONF1GUKATIONLOF1IlMlYJ'IBL&JNL>P6kljSRHI.AT1VEN.I

20、JJMINATIONSMPIXlUJSManiLLRHONECAMIlftA.IJLliS怦詠41414lil'WI1X!IIMOI1191IHKINI1LlNMliMALVT.ZMtaWFlQUUTOIT|Of1圖71650萬像素手機(jī)相機(jī)鏡頭的相對(duì)照度最后，進(jìn)行公差分析，結(jié)果表明允許半徑，厚度偏差為5pm,偏心偏差為10pm,傾斜度為0.2度。在表2中還示出，塑料片的最小厚度為0.354mm，這意味著可以期望用于大規(guī)模生產(chǎn)塑料透鏡元件的精密注塑成型。為了容易的生產(chǎn)考慮，用于該設(shè)計(jì)的玻璃元件被設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)球面?？傊?，這款1650萬像素的手機(jī)相機(jī)鏡頭是一個(gè)實(shí)用的設(shè)計(jì)4.結(jié)論通過使用Zemax，設(shè)計(jì)了一個(gè)1650萬像素的手機(jī)相機(jī)鏡頭。該鏡頭由3個(gè)塑料非球面透鏡，一個(gè)玻璃球面透鏡和一個(gè)紅外玻璃過濾器組成。來自O(shè)mnivision的OV16850的像素尺寸為1.12微米，用作圖像傳感器。該透鏡的有效焦距為4.483mm，F(xiàn)數(shù)為2.50，視場(chǎng)(FOV)為76.2度，總長(zhǎng)度為5.873mm