500万像素手机镜头的光学设计

    1引言

    随着手机的不断更新换代，拍照手机成为今天的主流趋势，市场上几乎百分之八十的手机都具有拍照功能。从最初的 10 万像素到今天的 500 万像素，甚至800 万像素，拍照手机大有取代数码相机的趋势。手机镜头的日新月异给我们带来了新的视觉感受和新的惊喜，这些变化都取决于手机镜头的蓬勃发展。然而像素越高的镜头体积越大，在 CMOS 没有发展以前，500 万像素手机镜头的光学总长至少在 10 mm 以上，想把它集成到手机上，困难非常大。随着 CMOS 像元尺寸从先前的 5 μm 以上迅速发展到现在的 1.75 μm甚至 1.4 μm，相同像素的手机镜头的体积可以比以前做的小得多，500 万像素的镜头集成到手机上已不是问题。本文就目前市场上开始流行的 500 万高像素手机镜头进行了设计，并就设计的结果进行了分析。

    2 设计要点

    2.1 相关规格的确定

    对于普通摄像手机镜头，光圈一般取 2.8 左右，视场通常大于 50°，而后工作距应该尽可能大，防止CMOS 或 CCD 造成损伤。对于手机镜头，后工作距大于 0.5 mm 即可，光学畸变应小于 3%，TV 畸变应小于1%，光学总长越短越好。一般情况下，像高与总长的比值可做到等于 1 或者更大。另外，手机镜头一般用CMOS 作为传感器，CMOS 器件对镜头出射面的主光线角度有一定的限制，不同规格的 CMOS 有不同的主光线角度要求，这个 CMOS 的厂家一般会提供。

    2.2 镜头总像素与CMOS像素的匹配

    设计采用 Micron 公司型号为 MI5130 的 CMOS传感器，总像素为 500 万，其最小像元为 1.75 μm，对角线长度为 5.64 mm，因此镜头的最高分辨率到达到1.75 μm,像高要略大于 5.64 mm，防止 CMOS 装调偏离光轴而形成暗角。

    2.3像差校正

    手机镜头与其他摄像镜头一样，七种像差都需要校正，500 万像素手机镜头常用的结构有 2G2P，1G3P或者 4P。其基本组合无非就两种，正负正正或者正负负正[1]。根据不同的组态和不同的材料可以设计出不同的结构。为了节约成本，手机镜头大多采用塑料材料和非球面。因为非球面相比普通的球面具有更多的自由度，像差可以校正得更好，这里我们采用 4P 的结构。另外，手机镜头组装是否能够成功，很大程度上取决于公差的松紧，公差松的结构能够很顺利地装调成功。为了设计一个公差好的结构，在设计时可以带入公差进行优化，通常可以达到满意的效果。

    2.4 材料的厚度

    为了满足实际光学加工的需求，光学材料厚度不能太小。对于一般的塑料材料，中心和边缘厚度都应大于 0.35 mm，特殊材料可以做得更小，这与材料的性质有一定的关系。