紧凑型变焦距数码镜头设计

    1 引  言

    当前,微型数码镜头在消费电子产品中得到了广泛应用,如手机中的摄像镜头,笔记本电脑中的内置摄像镜头等[1,2]。而大多数的这些数码镜头都是固定焦距的镜头。随着消费电子产品的功能不断升级,对于成像的功能要求也不断提高,变焦距的微型数码镜头就显得尤为必要了。大多数的产品中的变焦功能都是依靠电子变焦,而真正的光学变焦产品很少。除了价格的原因,设计紧凑型变焦镜头挑战主要是由于尺寸限制。光学设计的主要问题至于主光线角和尺寸限制。变焦距镜头的尺寸一般情况下比较大,这样很难应用于一些便携式电子设备上。随着非球面加工技术不断发展,镜头中可以引进非球面,会减少镜头中的透镜数量,使结构变得更为紧凑[1]。

    从像差控制的角度来讲,定焦镜头控制像差更为容易,因为镜头中没有移动的透镜。一些常规的像差可以很好地校正。相反,对于变焦镜头而言,在某个固定的焦距,像差可以很好地控制,但是在整个变焦范围内,像差控制难度比较大。手机镜头可以通过变焦来实现广角到摄远的变化。对于广角而言,校正与入射角相关的像差难度比较大。在摄远端,球差和色差变得比较严重[3]。本文以一个三组结构的镜头为初始结构,设计了一款2.4倍变焦距的紧凑型数码镜头。

    2 设计指标及要求

    在对系统进行光学设计之前,首先要对系统的参数进行分析。表1是该系统的设计指标。系统设计的波长和权重如表2。

    选择感光面的尺寸为1/4英寸的互补金属氧化物半导体(CMOS),其对角线长度为L=4 mm。选用OmniVision公司的OV3650 CMOS为传感器,该型号传感器的单个像素尺寸为1.75Lm@1.75Lm。CMOS对角线长度应该与像高相匹配。焦距、视场角与像高之间存在如下关系

L = H =2f•tanH, (1)

    式中H为全视场像高,H为半视场角度。

    视场角最小时对应的焦距最大

H=15b, fmax=7.46 mm

    视场角最大时对应的焦距

H=31b, f =3.32 mm

    这个焦距并不是透镜的最小焦距。考虑到传感器边缘对图像记录的效果稍微有点影响,可以选择透镜焦距的变化范围3.0~7.2 mm。在这个范围内选取三个典型结构进行优化过程中的评价和分析,这三个结构对应的焦距分别为

fW=3.0 mm, fM=4.2 mm, fT=7.2 mm

    3 系统设计

    本系统从美国专利US 7136232 B2[4]为初始结构出发,进行优化。该镜头是个3组结构,第1组是个固定组,2,3组是变倍组,其中第1,3组都是单透镜,第2组是有两个透镜构成,并包含一个光栏,系统共有4个透镜。该镜头的总长度为10.7 mm。光学系统的结构如图1所示。该镜头组是一个典型的负正正(NPP)结构,第一组是一个负透镜,第二组是一个正透镜组,第三组是一个正透镜。这样的结构有利于控制主光线角度,使传感器上获得均匀的响应[1]。第一个透镜的第一个面的曲率比第二个面的曲率更大一些,形成了一个弯月形透镜,可以减小像散。第二组是一个透镜组,由两个非球面透镜组成,可以校正色差和球差,当实现变倍时,可以校正球差和像散。