结构简洁、高分辨率手机镜头的设计

    1 引言

    近年来，市场上越来越追求使用 CCD，CMOS 等图像感测元件，并且应用于移动电话、笔记本电脑等便携式电子装置中的照相装置。该类照相装置需安装于有限的装配空间内，故体积较小，则安装于其内的光学镜头模块也应具有较小体积，并期望重量较轻。

    较早光学镜头设计中，一般采用球面玻璃透镜，重量较大，且其抗冲击性较差。此外，球面镜不可避免带来了球差等像差，需要多个透镜予以平衡，故其总长较长，重量较大，进而增加了成本，如美国专利5493449[1]中镜头的 4 个透镜均采用玻璃材质，且折射率均较大，因此镜头重量较大，制造成本较高。其焦距为 10 mm，后焦距达到 8.437 mm，总长为 13.37 mm。

    为了减小成像系统总长和体积，镜头设计中出现了仅包括一个或两个透镜元件的简洁式手机镜头，如美国专利 7433291[2]和 7317585[3]，但是该类镜头很难实现较好的成像性能及较高的分辨率。单透镜系统仅可以匹配 CIF 等级的图像感测元件，其分辨率仅为 11万像素左右；双透镜系统可以匹配 VGA 等级的图像感测元件，其分辨率也仅有 30 万像素左右。随着 CCD技术的不断发展，现在已出现 Mega 等级的图像感测元件，随着 CMOS 像元尺寸从先前的 5 mm 迅速发展到现在的 1.4 mm，将 500 万像素的镜头集成到手机上已不是问题。为了充分使用高分辨率的图像感测元件的分辨能力，现有技术中常采用 3 透镜元件或 4 透镜元件，如美国专利 20070091470[4]，20080180813[5]及20080043346[6]。文献[7]设计了 500 万像素手机镜头，镜头的 F 数为 2.8，视场角为 65°，光学总长为5.8 mm，应用于手机里稍偏大，畸变小于 2%，仍有提升的空间。

    现有手机镜头中部分采用非球面透镜[8]。相比球面镜，非球面镜边缘较薄，透镜中央处的光线和边缘处的光线可以聚焦到同一位置，可有效减小球差，还可以提高系统的相对孔径，扩大视场角，并可通过调整非球面系数来提高光学性能和降低镜片数量。随着精密机械和加工技术的不断演进，如今可利用计算机数控单点金刚石车削技术、高精密数控抛光技术、超精密加工技术、塑料射出技术、玻璃模造技术及激光微加工技术来完成非球面透镜的制造[9~13]。

    此外，非球面玻璃透镜的制造成本较高，且玻璃材质比塑料材质重量大，而塑料透镜的吸水率高于玻璃透镜的吸水率。当湿度变化较快时，塑料透镜吸收水的不均匀分布会造成折射率的不一致，因此通常采用吸水率不高于 0.7%的塑料材质，但是大多数塑料透镜的光学性质仍然容易受到外界环境的影响。另外，光学塑料的硬度要比光学玻璃的小，所以光学塑料透镜的抗划伤性较差，这也影响成像的精确度。现有技术中，CIF 等级的镜头常采用塑料材质，VGA 及 1Mega 等级的镜头常采用塑料、玻璃材质的组合结构或塑料、玻璃混合材质，而 2 Mega 及以上等级的镜头一般采用塑料、玻璃材质的组合结构。如美国专利20080043346[6]中的镜头就完全采用塑料材质，虽实现了较高的分辨率，但是受到外界环境影响较大。