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为实现大视场、低成本、高解析力的高性能手机镜头光学系统,基于ZEMAX软件设计了2个采用不同滤光方式的单中心超广角手机镜头光学系统,匹配于曲面传感器。2个光学系统分别由4片同心塑料透镜和曲面滤光片或红外截止膜构成,系统F数均为1.8,视场角均为130°,系统焦距均为2.64 mm,系统总长均为4.1 mm。中心视场的调制传递函数(MTF)值在奈奎斯特频率为200 lp/mm处大于0.5,在奈奎斯特频率为400 lp/mm处大于0.2;0.7以内视场的MTF值在奈奎斯特频率为400 lp/mm处大于0.2。全视场相对照度大于0.42。最大均方根半径小于3.75 μm,符合手机镜头成像要求,实现了超广角、短焦、紧凑型光学系统设计,可加工性强,成像质量高。
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资源评论
第
卷
第
期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
,
年
月
,
单中心超广角手机镜头设计
郭 智 元
,
李 建 聪
,
陈 太 喜
,
伍 雁 雄
佛山科学技术学院物理与光电工程学院
,
广东 佛山
;
季华实验室
,
广东 佛山
摘要
为实现大视场
、
低成本
、
高解析力的高性能手机镜头光学系统
,
基于
软件 设计 了
个采 用不 同滤光
方式的单中心超广角手机镜头光学系统
,
匹配于曲面传感 器
.
个光 学系 统分别 由
片同 心塑 料透 镜和 曲面 滤 光
片或红外截止膜构成
,
系统
F
数均为
,
视场角均为
,
系统焦距 均为
,
系统 总长 均为
.
中心
视场的调制传递函数
(
)
值在奈 奎 斯特 频率 为
/
处 大 于
,
在 奈 奎斯 特 频 率 为
/
处 大 于
;
以内视场的
值在奈奎斯特频率为
/
处大于
.
全视场相对照度大于
.
最大均方根半
径小于
,
符合手机镜头成像要求
,
实现了超广角
、
短焦
、
紧凑型光学系统设计
,
可加工性强
,
成像质量高
.
关键词
光学设计
;
手机镜头
;
同心透镜
;
超广角
;
短焦
中图分类号
文献标志码
doi
:
/
Desi
g
nofSin
g
leGCenterandUltraGWideGAn
g
leMobilePhoneLenses
Schoolo
f
Ph
y
sicsandO
p
toelectronicEn
g
ineerin
g
FoshanUniversit
y
Foshan
Guan
g
don
g
China
JiHuaLaborator
y
Foshan
Guan
g
don
g
China
Abstract
F
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
修回日期
:
;
录用日期
:
基金项目
:
国家自然科学基金面上项目
(
)、
佛山科学技术学院高建科研项目
(
)
EGmail
:
;
EGmail
:
引
言
手 机 镜 头 是 决 定 一 部 手 机 成 像 质 量 的 关 键 因
素
.
随着手机镜头设计能力的提升与图像传感器制
造技术的不断发展
,
手机镜头的像素从
年夏普
的
万像素
[
]
发展到如 今 主 流 的
万
级 像 素
,
如
主 摄 采 用 索 尼
万超清像素镜 头
,
具有超高 的 图像解
析能力
.
华为
后置徕卡四摄
,
最高
万
像素
,
支持
倍数 码变焦以 及 超大广角
、
超微距等
摄影 模 式
.
黄 耀 林 等
[
]
设 计 了 一 款 全 视 场 角 为
,
F
数 为
的
万 像 素 手 机 镜 头
,
匹 配 于
公 司 的
型
图 像 传 感
器
,
像素 大 小 为
.
耿 雨 晴 等
[
]
设 计 了
激 光 与 光 电 子 学 进 展
一款 光 圈 值 为
,
半 视 场 角 为
,
有 效 焦 距 为
,
系统总长为
的
万像素轻薄型
手机 镜 头
.
戴 付 建 等
[
]
设 计 了 一 款 焦 距 为
,
入瞳口 径 为
,
全视场角为
,
光学总长小于
的长焦手机镜头
.
手机 镜头
正朝着大视场
、
多摄
、
高解析力
、
微型化方向发展
,
高
性能手机镜头对于 提高智能 手 机性价比
、
增强手机
品牌竞争力具有重要意义
.
同心 光学系统为 对称系统
,
且物点都位 于对称
轴上
,
匹配于曲 面 传 感 器
,
只 需 矫 正 球 差 和 轴 向 色
差
,
适用于大视场
、
大相对孔 径 光学系统
,
如可见光
空间相机
[
]
、
广 角 监 控 摄 像 头
[
]
、
混 合 仿 生 鱼 眼
复
眼的广角高清成像系统
[
]
、
手机镜头
[
]
等
.
现有 的 手 机 镜 头 光 学 系 统 全 视 场 角 大 都 在
范围内
,
系统总长为
,
且大都
采用非球面设计
,
加工制造 成 本高
.
为了增大 手 机
镜头成像视场角
,
减少非球 面 使用
,
降低生产 成 本
,
本文基于同心透镜成像特性
,
设计了两个系 统
F
数
为
的单中心超广角手机镜头光学系统
.
两个 系
统分别采用后置曲面滤光片
、
镀红外截止膜
,
以截止
波长 为
的 近 红 外 光
,
系 统 焦 距 为
,
系 统 总 长
,
全 视 场 相 对 照
度
,
可实现
超广角高像质成像
.
同心光学系统
2.1
同心光学系统结构特点
同心 透镜是两个 光学折射面 球心重合的 凹
、
凸
透镜
,
具有负光焦度
,
对光线起微弱的发散作用
.
同
心光学系统具有单心性
、
高度对称性
,
孔径光阑位于
系统中心
,
其像面 是一个同 心 球面
,
适用于大 视 场
、
大相对孔径光学系统设计
.
通过控制同心光学系统
最内层两个对称半球透镜的曲率半径绝对值等于厚
度
,
再胶合
,
可实现等同于球透镜的设计效果
.
同心
光学系统中经过球心的不同视场主光线都可以视为
光轴
,
相当于物点都是轴 上 点
,
不存在慧 差
、
倍率色
差等轴外像差
,
不需要对场曲进行矫正
,
仅需矫正球
差和轴向色差
[
]
.
2.2
大视场同心光学系统成像条件
同心 透镜所有折 射面具有共 同的曲率中 心
,
各
视场角主光线经过 第一
、
第二透镜 到 达球心时 角 度
保 持 不 变
,
球 心 处 主 光 线 视 场 角 为 系 统 视 场 角
(
图
).
假设同 心 透 镜 内 层 半 球 透 镜 采 用
玻璃材料
,
根据全反射公式
[
]
图
同心透镜示意图
I
=
n′
n
, (
)
式中
:
I
m
为 全 反 射 临 界 角
,
I
m
;
n′
为 空 气
折射率
;
n
为
玻璃材料折射率
.
则全视场角
的最大值为
.
若 采 用 更 高 折 射 率 材 料
,
则 全
视场角将小于
.
将同心透镜内层的两半球透
镜采用胶合方式组合
,
则可打破全反射限制
,
实现超
广角光学系统设计
,
同时将外 层 透镜进行 胶 合也能
使光线在透镜之间无缝传播
,
降低设计难度
.
2.3
同心光学系统像差特性
同心 光学系统为 对称光学系 统
,
光阑位于系 统
中心
.
系 统 对 称 部 分 的 垂 轴 像 差 的 像 差 系 数
S
(
慧差系数
)、
S
(
畸变系数
)、
C
(
倍率色差系数
)
符
号相反
,
相互 抵 消
;
轴 向 像 差 的 像 差 系 数
S
(
球 差
系数
)、
C
(
轴向色差系数
)、
S
(
像散系数
)、
S
(
场
曲系数
)
符号相同
,
相互叠加
.
同心光学系统物点都
位于轴上
,
因此不用考虑 像 散
、
畸变等轴 外 像差
,
存
在的主要像差为 球 差
、
轴向色差
.
球差是最 基 本的
像差
,
是由不同倾角光线与光轴交于不同位置上
,
相
对于理想像点的位 置偏离导 致 的
,
球差会导 致 像面
上形成弥散斑
.
图
为全胶合同心光学系统的光路
图
.
其中
:
u
k
(
k
,
,
,
)
是光线入射 到各表面的
物方孔径角
;
l
是物距
,
l
说明入射光为平行光
;
i
k
(
k
,
,
,
)
为 光 线 进 入 各 表 面 的 入 射 角
;
i′
k
(
k
,
,
,
)
是 光 线 经 过 各 表 面 后 的 出 射 角
;
n
q
(
q
,
,,
)
分 别 是 光 线 所 在 各 介 质 的 折 射 率
;
L′
L′
l′
是实际光 线 与理想光 线 的 像 方 截 距 之
差
,
用以表征球差
.
两个平面胶合在一起后
,
两个内
层平凸同心透镜相于一个球透镜
.
光线经过折射面
时
,
已有物方球差
,
该折射面 也 产生球差
,
由近轴光
线追迹公式
[
]
可推导得到
n′u′
U′
L′
-
nu
U
L
=
-
(
L′
U′
-
L
U
)
ni
, (
)
式中
:
n′
为像方折射 率
;
u′
为 近 轴 光 线 像 方 孔 径 角
;
U′
为实际光线像方孔径角
;
n
为物方折射率
;
u
为近
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资源评论
- 虚伪的小白2023-07-25作者还结合了一些市场需求和用户反馈,提出了一些对于产品可行性和市场前景的建议,给人很多思考。
- 恽磊2023-07-25文件中提到了一些新的突破和创新,给人一种很有前景的感觉。
- MurcielagoS2023-07-25这个文件详细介绍了单中心超广角手机镜头设计的原理和设计方法,对于普通消费者来说也很容易理解。
- 135720250902023-07-25文件中列举了具体的实验数据和对比结果,让人对这个设计有了更加直观的认识。
- 开眼旅行精选2023-07-25作者在文件中充分考虑了手机镜头的实际使用情况,提出了一些实用性改进,让人觉得很贴近实际。
weixin_38704786
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