攝像模組光學基本知識

1、 一一 光學基本知識及常見問題光學基本知識及常見問題 二二 光學制造光學制造 三三 光學設計與光電產品開發(fā)光學設計與光電產品開發(fā) 摘要摘要: :一一 光學術語光學術語 1 焦距(Focal Length或EFFL) 2 相對孔徑(FNo.) 3 視場角(FOV) 4 鏡頭總長和光學總長(TTL) 5 機械后焦(MBF)和光學后焦 6 最佳對焦距離和景深 7 光學畸變(Opt distortion)和TV畸變(TV distortion 8 相對照度(Relative illumination) 9 最大出射角(Max chief angle) 10 IR Filter(濾光片) 11 MTF

2、12 鏡頭生產周期 13 鏡頭常用鏡片材質 14 關于鏡頭和SENSOR的匹配 15 關于低高度鏡頭及鍍膜的作用 是指一個光學系統(tǒng)從起像方主面到焦點間的距離, 它反映了一個光學系統(tǒng)對物體聚焦的能力. (示意圖如下頁)1 焦距(Focal Length或EFFL) 焦點像方主面焦距鏡頭 一個光學系統(tǒng)成像亮度指標, 一般簡稱F數(shù)(如傳統(tǒng)相機上所標識), 在同樣的光強度照射下, 其數(shù)值越小, 則像面越亮, 其數(shù)值越大, 則像面越暗. 對于一般的成像光學系統(tǒng)來說, F2.8-3.2就比較合適, 如果要求F數(shù)越小, 則設計越難, 結構越復雜, 制造成本就越高.2 相對孔徑(FNo.): 一個光學系統(tǒng)所能

3、成像的角度范圍. 角度越大, 則這個光學系統(tǒng)所能成像的范圍越寬, 反之則越窄. 在實際產品當中, 又有光學FOV和機械FOV之分, 光學FOV是指SENSOR或膠片所能真正成像的有效FOV范圍, 機械FOV一般大于光學FOV, 這是有其他考慮和用途, 比如說需要用機械FOV來參考設計Module或者手機蓋的通光孔直徑大小. (示意圖如下頁)3 視場角(FOV)Mech.FOV 62.5? 0.72BImage PlaneIRF 光學總長是指從系統(tǒng)第一個鏡片表面到像面的距離; 而鏡頭總長是指最前端表面(一般指Barrel表面)到像面(例如Sensor表面)的距離.一般來說, 鏡頭太長或太短其設計

4、都會變得困難, 制造時對工藝要求較高. (示意圖如下頁, UNION的鏡頭規(guī)格書中圖面所標注的E即為機械總長)4 鏡頭總長和光學總長(TTL) C 0.1(at infinite,air)BImage PlaneIRF光學總長 機械后焦是指從鏡頭機械后端面到像面的距離, 而光學后焦是指從鏡頭最后一個鏡片的最后一面到像面的距離. 它們兩者的差別隨不同光學系統(tǒng)的不同而不同. 同時在光學行業(yè)內對光學后焦也有兩種表達, 聯(lián)合光電目前采用光學后焦1的描述. (示意圖如下頁) 5 機械后焦(MBF)和光學后焦E（機械后焦）BImage PlaneIRF光學后焦（2）光學后焦（1） 景深反映了一個光學系統(tǒng)對

5、空間物體成像清晰程度.而最佳對焦距離是指一個光學系統(tǒng)景深最佳時的調焦距離, 這里講的最佳在實際應用時其實是相對而言的. 對焦距離取決于使用者(客戶或消費者)希望光學系統(tǒng)所能拍攝的距離范圍. 理論上的超焦距距離不一定是該鏡頭的最佳調焦距離. 如果在最佳調焦距離調好焦以后, 再確認遠景和近景時, 鏡頭的解像力理論上都會下降, 故為達到一定的景深范圍一定要選擇合適的調焦距離. 6 最佳對焦距離和景深 畸變是指光學系統(tǒng)對物體所成的像相對于物體本身而言的失真程度.光學畸變是指光學理論上計算所得到的變形度, TV畸變則是指實際拍攝圖像時的變形程度, DC相機的標準是測量芯片(Sensor)短邊處的變形.一

6、般來說光學畸變不等于TV畸變, 特別是對具有校正能力的芯片來說. 畸變通常分兩種: 桶形畸變和枕形畸變. (示意圖如下頁)7 光學畸變(Opt distortion)和TV畸變(TV distortion)X100(%)(B+C)/2(B+C)/2-ATV DIST=枕形畸變桶形畸變 它是指一個光學系統(tǒng)所成像在邊緣處的亮度相對于中心區(qū)域亮度的比值, 無單位. 在實際測量的結果中, 它不僅同光學系統(tǒng)本身有關, 也同所使用的感光片(SENSOR)有關. 同樣的鏡頭用于不同的芯片可能會有不同的測量結果. 關于鏡頭亮度的均勻性: 從光學設計理論上講, 鏡頭周邊照度相對中心一定會有下降一般要求光學設計應

7、達到50%以上. 8 相對照度(Relative illumination又簡寫為RI):它是指光學系統(tǒng)(鏡頭)所能拍攝范圍內的光(主光線)在通過光學系統(tǒng)(鏡頭)后到達像面(如SENSOR)時同像面所成的最大夾角. 出射角越小設計越困難,相應的成本也會增加, 鏡頭的總長也會相對變長. 一般說來, 要求鏡頭的CRA要小于SENSOR所要求的CRA, 但考慮到SENSOR本身對CRA的要求也存在一定的公差, 所以只要角度相差不大即可. 9 最大出射角(Max chief angle) 它主要用于調整整個系統(tǒng)的色彩還原性. 它往往隨著芯片的不同而使用不同的波長范圍, 因為芯片對不同波長范圍的光線其感

8、應靈敏度不一樣. 一般說來, 要求鏡頭的IRF截止波長要同SENSOR所要求的IRF截止波長相匹配, 否則可能會出現(xiàn)色彩還原性不好. 不過色彩還原性或偏色問題也同模組的軟件調整有關系.10 IR Filter(濾光片) 它從一定程度上反映了一個光學系統(tǒng)對物體成像的分辨能力.一般來說, MTF越高,其分辨力越強, MTF越低, 其分辨力越低.由于MTF也只是從一個角度來評價鏡頭的分辨率,也存在一些不足, 故在目前的生產中, 大多數(shù)還是以逆投影檢查分辨為主. (示意圖如下頁)11 MTF MTF的全稱是調制傳遞函數(shù), 這是從光的波動理論發(fā)展而得到的一種描述光學系統(tǒng)分辨率的表達方式, 其基本計算公司

9、如下: S (V)=4/M(v)/1-M(v)/3+M(v)/5-M(v)/7+M(v)/9-M(v)/11+ 注: 這里, S(V) is squave wave response, M(v) is the sinuoidal modulation response, and v is the spatial frequency.關于MTF的計算: 12 產品開發(fā)及樣品周期 1) 非球面鏡片開模周期: 一般為4-5星期; 2) 黑色部品模具周期: 3-4星期. 3) 產品開發(fā)周期: 模具+試作一般需要2個月. 4) 鏡頭樣品生產周期: 塑膠鏡片成形時間一般為6-8個小時, 鍍膜5-6個小時,

10、 組立4-8個小時, 檢測及數(shù)據(jù)準備4-5個小時, 所以在沒有庫存而模具又能夠及時切換的情況下,從接到P/O或聯(lián)絡到樣品完成最快需要3個工作日. 目前常用鏡片材質: 塑膠鏡片: ZENOEX, PC, PMMA 玻璃鏡片: 國產環(huán)保材料庫中的材料 濾光片: K9/B27013 鏡頭常用鏡片材質 關于鏡頭和SENSOR的匹配, 一般需要考慮以下幾個問題: 1 分辨率或者像素; 2 芯片大小和鏡頭像面大小; 3 鏡頭后焦及模組的封裝方式. 14 關于鏡頭和SENSOR的匹配 關于低高度鏡頭設計難點: 1 由于鏡頭高度很短, 光路通過的路程短卻要達到相同的成像效果, 故對光學設計工程師的理論知識要求很高; 2 由于鏡頭很短, 所有的光學零件都變得很薄, 尤其是鏡片, 這時候起加工工藝性要求很高, 要么沒有量產