一种数码相机定焦镜头的光学系统设计

    引言

    在长期的光学镜头设计实践中,出现了很多光学系统结构[1-4],如全球面玻璃透镜系统、光阑置于透镜系统中间的成像系统、前置光阑型透镜系统以及考虑远心光路性能的成像系统等。传统光学镜头设计中,数码相机镜头一般采用球面玻璃透镜,虽然容易加工,但采用玻璃材质增加了镜头质量,且玻璃材质的抗冲击性较差,不小心摔落到地面上时镜头容易损坏。此外,应用球面镜片不可避免带来球面像差,影响成像性能,需要多个透镜以平衡球差等像差,故其总长较长,质量较大,进而成本增加。

    为了减小镜头的总长、体积、质量及制造成本,现有数码相机镜头中部分采用非球面透镜。非球面透镜可以避免球面透镜所产生的球面像差,同时采用较少的透镜即可满足其光学成像性能。因非球面透镜有其特有的光学优点。在现有的镜头中,全塑料式非球面镜片得到广泛应用,采用这种结构后,可通过调整非球面系数来提高光学性能且能够降低镜片数量和质量。然而塑料镜片与玻璃镜片相比,通光性能较差,在光线不是很好时成像效果差,同时质量较轻,制造成本较低,因而适用于要求较低的装置中。玻璃材质透镜通光性能较好,成像品质良好,但其成本较高,产品市场竞争力不强,因而只适用于要求较高的装置中。随着精密机械和加工技术的不断进步,可利用超精密加工技术、塑料射出技术和玻璃模造技术来完成非球面透镜的制造。近年来,塑料模造技术的发展推动了用于校正高级像差的非球面透镜系统的应用[6-7]。

    1　初始结构

    如今非球面透镜的制造技术日益完善,故现有镜头中常常采用非球面设计,同时采用玻璃材质透镜加塑料材质透镜的结构。图1为孙文信等人提出的三片式透镜系统[5]结构。该透镜表面完全采用非球面设计,其中第一透镜材质为玻璃,第二透镜和第三透镜材质均为塑料。由于第一透镜采用玻璃材质,其耐高温,耐潮湿,保护第二和第三塑料透镜不受刮擦、受潮和受热,且玻璃材质通光性能好,故玻璃镜片的使用增强了其通光性能。而第二透镜和第三透镜采用塑料材质,可降低镜头质量和生产成本。

    在具体应用实例中, COMS像素尺寸为2.8Lm,分辨率达到1640×1240,像素为200万像素,有效面积为4.592 mm×3.472 mm,对角线长度为5.76 mm,有效焦距为f=4.817 mm(在空气中),相对孔径为F/2.8,整个光学系统的全视场角为61.75°,其镜头总长为6.05 mm,模块高度小于8 mm,它可整合在移动电话中,较好地满足了移动电话微型化的要求,其可与分辨率为1640×1240像素的数字影像感测组件相匹配。

    虽然第一透镜为玻璃镜片,置于镜头的最前端,较好地保护了其后的塑料镜片,但是使用玻璃材质增加了该镜头的重量,而且容易破碎,降低了其抗冲击性。另外,此镜头后焦距较小,光学系统的出瞳离成像面比较近,不能保证良好的远心光路性能。这种排列的有效孔径效率较低,即成像面会出现阴影。特别是在CCD上的滤光片离图像拾取面稍远时,如果关于光轴倾斜的光线入射到滤光片,则有效孔径效率就会降低,即轴外物点成像光束产生渐晕,也就是成像面边缘产生阴影。特别是在最近使用高灵敏度CCD的情况下,CCD前面都有许多透镜排列。在这种情况下,如果出瞳离成像平面不够远的话,则透镜边缘部分的孔径效率非常低,即产生渐晕现象,像的边缘部分出现阴影。故成像面采用远心光路,即将孔径光阑尽可能地放置在系统的物方焦平面上,则光束的主光线关于每个像点从光学系统的最后一透镜面中出来后平行于光轴,也就是主光线垂直于成像面。换句话说,就是光学系统的出瞳位于离成像面足够远处,尽可能减小主光线入射到图像感测面的角度,这种排列对避免有效孔径效率的减小(阴影)是十分必要的。