本文是3篇系列文章的一部分,该系列文章将讨论智能
手机镜头模组设计的挑战,从概念、设计到制造和结构变形的分析。本文是三部分系列的第一部分,将专注于OpticStudio中镜头模组的设计、分析和可制造性评
80%"2kG 9-{.W Z 简介
ncUhCp?' `%Kj+^|DS 智能手机已成为我们日常生活的重要组成部分,并包含大量高科技
光学系统,以满足对出色
成像性能的需求。大多数智能手机在有限的空间内安装了多个复杂且低成本的相机单元。这对设计师和制造商都提出了挑战。注塑成型的塑料
透镜需要精确的装配,确保每个模块在安装时都可正常工作。
)AieO-4* IY!.j5q8 手机镜头规格
{%('|(57
>_]Ov:5 手机镜头是小型相机,这意味着在设计的时候要最大限度地减少它们在手机中占用的空间。它们重量轻,可在低F#下捕获高质量图像。手机镜头的通常规格是一个非常短的系统(总长(TOTR)<5mm),因为手机越来越薄,通常奈奎斯特频率下的 MTF>0.2/0.25(这是由探测器像素的大小决定的),系统将具有大视场角和快F#。
)D+eWo =C(BZ+-^ 让我们看一个来自专利(1)的手机镜头的例子:
Sa)L=5Nr hB>FJZQ_ elKp?YN · 快 F/2.0
&uaSp,L · 有效焦距f:@2.4mm艾里斑半径=1.22λf#≈1.22μm
*h?}~!AjY · 全视场角=95度
=kq<J-:#R · 像素尺寸=2.5μm。像素大小接近Airy斑大小。根据定义,奈奎斯特频率是2个像素作为一个周期。对于2.5μm的像素尺寸,它的一个周期是5.0μm,因此对应的奈奎斯特频率为200线对/毫米。奈奎斯特频率下大于20%的MTF是可接受图像质量的典型最小对比度。
D=D.s)ns* · 传感器1280 x 720像素。这是1MP(百万像素)。尽管就现代智能手机相机的分辨率而言,它不是顶级的(当前的智能手机镜头可能使用12MP左右),但它仍然可用于监控和其他小型光学应用。此外,这里主要介绍与现代智能手机光学等应用相关的概念和方法。
1=>b\"P#E · 半对角线图像高度:2-2.7mm
_a$5" · 短 TOTR=4.8mm
VJ&-Z | 75P!`9bE 手机镜头通常使用扩展偶次或Q型非球面来满足这些规格。
uJ1oo| sn 1p/_U?H:| 材料:塑料
!p36OEx eln$,zK/b 注塑成型塑料通常被用于大批量和低成本生产这些镜片。下表总结了塑料镜片与玻璃镜片的优缺点。但请注意,塑料材料可以被进一步分为不同的塑料族群,这些系列中的每一个材料都将表现出特定的特性(COC=环烯烃共聚物,COP = 环烯烃聚合物,PMMA(丙烯酸),PC=聚碳酸酯,PEI=聚醚酰亚胺)(3)。
71<4q{n MfI+o<{r 3S>rc0]6 以下是肖特的 N-BK7 玻璃和爱尔康的 PMMA 塑料之间的比较。它显示了可以在材料目录中读取其中一些特性:
%qrUP\rn 06pY10<>X 8c%N+E] 该专利给出了塑料镜片的折射率和阿贝数。让我们将其替换为具有接近特性的材料:
K-.%1d@$y }HbUB$5 ?u{Mz9:?HT 其中 Nd和 Vd分别是 587.56 nm
波长对应的折射率和阿贝数。
PK{FQ3b2{ "K|':3n| APL5014C 是三井化学株式会社的材料,
$Mx?Y9! O#8lJ%? EP10000 是三菱瓦斯化学株式会社的材料。
NDe FY =b6G' O[ 光学设计回顾
%6V=G5+W a9 S&n5 在
优化标准方面,要考虑的要点是球差、彗差、像散、场曲、畸变、色差、相对照度和分辨率(或MTF)。
-@'RYY= `09[25? 对于三阶像差校正,通过降低匹兹伐和来校正场曲,这可能需要较大的折射率差来有效校正。由于塑料透镜中可选的折射率有限,设计人员使用高度非球面面型的透镜来校正每个视场。
cI7a TLC"s 9CIQRc 本文的光学设计包含5个扩展非球面透镜。在前面有一个盖板玻璃来保护光学器件。在背面,我们可以看到一个可选的红外滤光片。专利中描述用于“减少或消除环境噪声对光电
传感器的干扰”。
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