拍照手机镜头MTF的测量方法

    引　言

    自第一台拍照手机在日本诞生至今在不到4年的时间里,照相手机发展迅速,尤其是2004年,多家日本、韩国公司推出200、300万像素的照相手机,国内的一线手机厂商也纷纷推出照相手机新品。技术创新推动了拍照手机的扩张,2004年全球拍照手机的销量占全部手机销量的44%,预计2006年百万像素以上的拍照手机将成为市场主流[1]。

    照相手机的摄像头有光学镜头(lens)、CMOS / CCD感光元件(sensor)、软排线FPC等部分组成。由于光学镜头起到调整焦距将图象清晰地在焦平面上成像的作用,因此镜头的影像品质直接影响拍摄的质量。一般来说,像素越高,图片的分辨力越高,照片的质量越好,对镜头的要求也越高。通常用镜头的调制传递函数MTF (modulation transfer function)或亮暗比(contrast)综合客观地评价镜头的品质。拍照手机镜头和普通数码相机镜头相比有其特别之处:镜头体积受手机空间的制约,体积小,后焦短;解像力要求也越来越高。目前MTF测量系统可选的1/2英寸CMOS最高像素是320万,其玻璃保护层厚约1mm,130万像素1/4英寸CMOS其保护层厚约0.55mm,相应CCD的玻璃保护层更厚。因为测量系统用的感光元件的像素必须高于与被测镜头相配的感光元件的像素且每个像素的尺寸必须小于搭配镜头的感光元件的像素的尺寸,所以VGA镜头的后焦如果小于0.55 mm、百万像素镜头的后焦小于1 mm,用正投影法来测镜头的MTF,CMOS接受感光信号是困难的;用正投影法测量MTF时,随着镜头解像力的要求进一步提高,找到合适的测量用CMOS是不易的。逆投影法可以有效解决这些问题。

    2　测量原理

    测量镜头MTF的逆投影法是相对于正投影而言,图1是正投影法的测量示意图、图2是逆投影法的测量示意图:

    镜头的MTF可以用如下公式计算:

M= (A-B)/(A+B)　　　其中A=Ip-Id,B=Iv-Id

　　式中Ip是输出信号电流峰值的平均值,Iv是输出信号电流谷值的平均值,Id是暗电流,参见图3。

    MTF可以叙述为:通过镜头使标准标板(chart)成像时,表示一定空间频率反差传递比率的大小。空间频率是在像面上每毫米内黑白相间的线对数,以每毫米若干线对表示(lp/mm)。通常,MTF值随空间频率的上升而下降,定性的讲,一个镜头的MTF值越大越好, MTF曲线包围的面积越大越好,偏离光轴的点子午方向(S)和弧矢方向(T)的MTF值越接近越好[2]。在实际应用中,有意义的是在一定的空间频率下,MTF随成像面在焦平面附近的位置改变而变化的情况,这时得到的曲线称离焦曲线,更改空间频率只需改变标板(Chart)线对的粗细。

    将特殊设计的玻璃标准标板(chart)置于镜头的像面,原则上镜头可以无限靠近chart面,对镜头的后焦没有限制,在镜头物面处根据需要放置线性CCD(一般测量中心点5和周边0.7像场1、2、3、4点的S和T方向的MTF,共5组10支线性CCD,见图4),被测镜头由PC控制步进马达带动升降,能根据设定自动找到最佳像平面。