结构简洁的光学变焦距手机镜头设计

    引言

    近年来,随着科学技术的不断发展,手机摄像镜头已经从最早的10万像素发展到了现在的1200万像素,在未来必定会向更高的像素发展。但目前高像素的拍照手机大多都是定焦距的,缺少了光学变焦,人们希望手机镜头也可以达到同照相机镜头相当的使用效果,光学变焦手机镜头便成为目前拍照手机的一个新亮点,也将成为拍照手机今后发展的一个必然趋势[1-2]。本文利用ZEMAX光学工程设计软件设计了一款结构简洁、高分辨率的内置式2倍光学变焦手机镜头。

    1　设计过程

    1.1　系统结构的选取

    现在市场上可拍照手机的变焦功能一般指的都是数码变焦,大多都不具备光学变焦的功能。所谓光学变焦就是通过镜头中镜片的移动来实现系统总的有效焦距的变化;数码变焦是通过相机内的处理器,把图片内的每个像素面积增大,直到若干倍后人眼还能看清像面,这种手法如同用图像处理软件把图片的面积改大,程序还在相机内进行,把原来CCD或者CMOS图像传感器上的一部份像素像质量远远不如光学变焦[3]。

    目前市面上一些能够实现光学变焦的手机其价格都比较昂贵,变焦镜头使用的镜片数也比较多,其复杂的结构使手机的成本也大大增加,往往一个镜片位置的松动便引起整个系统变焦效果的下降[4]。为了既可以实现光学变焦,又能够增强稳定性和降低生产成本,这里在研究和尝试了大量的变焦距透镜系统后,最终采用了一组全动型变焦距统结构,整个系统仅由4片非球面的透镜和1片材质为BK7的滤光片构成。

    这里采用非球面透镜是由于球面透镜只用一个参数决定面形,它校正像差的局限性很大,并使结构复杂化。与球面相比,非球面的面形系数由多个自由变量决定,具有高级像差小,产生负球差的特点,可以平衡球面生成的初级像差和高级像差,所以采用非球面透镜可以很好地校正轴外点的像差[5],进一步考虑到生产成本和便于加工的问题,这里非球面透镜材质均选取为塑料镜片。第1个和第3个镜片选用材质为APL5014DP的塑料镜片,其折射率和阿贝数分别为:1.54和56.05;第2个镜片选用材质为SK16的塑料镜片,折射率和阿贝数为: 1. 62和60. 32;第4个镜片选用材质为POLYCARB的塑料镜片,折射率和阿贝数为:1.58和29.9。

    1.2　镜头结构的优化

    整个变焦距系统采用负-正-正-负型的透镜结构:第1片镜片采用负透镜,可以增大光线的入射角,且位置固定,使系统的总长度小于9.2 mm;第2片镜片和光栏可以移动,是系统的变倍组,主要起到改变系统焦距的作用;第3片和第4片镜片是补偿组,用于平衡系统的像差,主要是色差,特别要注意系统的垂轴色差,使之小于一个像素的大小1.75Lm,这样才能够让颜色很好地匹配1.75Lm的COMS图像传感器;最后是一片红外滤光片,以减少红外光对COMS图像传感器的噪声影响[6]。