手机镜头的设计

学号1202424081手机照相镜头系统的设计学院名称：物理与电子工程学院专业名称：光电子材料与器件年级班级：12级光电子班姓名：杨松林指导教师：张晓龙2016年5月河南师范大学本科毕业论文河南师范大学本科毕业设计1手机照相镜头系统的设计摘要：记录点滴生活，记录感动瞬间。相机经过一百多年的发展，外形虽然向迷你型发展，但是出门随身携带并不现实。基于这些，照相手机应运而生，手机照相系统主要由LENSASS’Y（镜头）、SENSOR（图像传感器）、DSP（数字信号处理芯片）、等组成。本篇设计将选取一组手机照相镜头初始结构参数运用zemax软件进行优化等，调整初始结构参数中的不合理部分，最终使调整后的手机照相镜头成像质量较好。最终设计出镜头总长13.6mm、物距500mm、视场60°F数为4、像高5.22mm。关键词：光学设计;手机照相镜头;ZEMAX软件河南师范大学本科毕业设计2MobilePhoneCameraLensSystemDesignAbstract:Recordedlive,recordtouchingmoments.Aftermorethan100yearsofdevelopment,theappearancetogreendevelopment.Butgooutcarryunrealistic,basedonthese,cameraphonescameintobeing.MobilephonecamerasystemconsistsofaLENSASS'Y(lens)SENSOR(CMOSimagesensor)DSP(digitalsignalprocessor)andsoon.ThisdesignwillselectagroupofmobilephonecameralensoptimizationofthestructuralparametersoftheinitialapplicationofZemaxsoftware,adjusttheinitialirrationalpartofthestructuralparameters,eventuallyadjustedcameraphonelensimagequalityisgood.Thefinaldesignofthelenswithatotallengthof13.6mm,from500mm,dependingonthefield60°f4,likethoseinhigh5.22mm.Keywords:cameraphonelens；opticaldesign；softwareZEMAX河南师范大学本科毕业设计3目录摘要................................................................1Abstract………………………………………………………………………2引言…………………………………………………………………………41.手机照相系统..................................42.手机照相系统的国内外现状................................4第一章：手机照相系统简...........................................51.1手机照相系统组成……………………………………………5手机照相镜头………………………………………………5焦距……..………………………………………………….5相对孔径……………………………………………………5视场角………………………………………………………5分辨率………………………………………………………51.2照相物镜的基本类型………………………………………..61.3图像传感器……………………………………………………6电荷藕合器件图像传感器CCD.......................6互补性氧化金属半导体CMOS........................61.4数字信号处理芯片………………………………...............71.5手机照相系统原理……………………………………………7第二章：ZEMAX软件简介………………………………………………….72.1zemax软件用途………………………………………………82.2zemax软件操作方式…………………………………………92.3zemax的像质评价方法……………………………………102.4优化原理………………………………………………………………112.5优化顺序………………………………………………………………112.6光学设计结果应有的数据……………………………………………11第三章:手机照相镜头设计过程………………………………………123.1设计指标标准………………………………………………………..123.2初始结构参数的确定…………………………………………………123.3优化过程……………………………………………………………133.4设计结果………………………………………………………………19参考文献.........................................................20至谢...............................................................21河南师范大学本科毕业设计4引言1.手机照相系统的发展历史涅普斯在19世纪初期制造了第一张照片，图像比较模糊，而且曝光时间长。10年后，达盖尔做出了全球第一台照相机，传统相机又叫交卷相机，物体影像通过镜头后在感光底片上曝光，曝光后的感光底片经冲洗加工得到成倒像的底片，再经洗印得到与物体一致的正像。利用感光底片记录物体影像的技术制作出来的相机体积较大。20世纪70年代美国的贝尔实验室在探索磁泡器件时产生了设计电荷耦合器件原理的设想，并且得到了一种可以用来做为记忆装置的器件，并且在随后的试验中发现，光照可以激发电荷，经过讨论得出，电容器排列到半导体表面可以用来储存和转移电荷，从此对我们现在生活产生重大影响的ccd诞生了，ccd的诞生并应用于照相系统，使得照相系统小型化。1981年日本索尼公司用一年的时间做出了全球第一台不用感光材料的相机，从此在照相系统中光信号变为电信号成为了可能。19世纪初夏普与当时的日本通信运营商J-PHONE发明了夏普J-SH04，夏普J-SH04具有拍照功能，2003年4月24日夏普发售了全球首款百万像素手机J-SH53，中国的第一部百万像素手机波导D200，风靡一时。随着技术的不断突破与革新，新型照相镜头如雨后春笋一样，不断出现，从最初的百万到现在的千万紧紧用了十余年的时间，拍摄质量不断进入新台阶。最具有代表的如华为、三星、苹果等公司，华为从p6开始镜头与处理芯片突飞猛进，新的设计理念不断应用于实践，比如在年前还是理论的双摄像头设计，目前已经被三星，华为掌握，纷纷用于最新上市手机，双摄像头设计，突破了像素提升造成的内存过大而降低手机性能的影响。从百万像素拍照手机的问世到现在已经有13年时间，国内外通信巨头纷纷推出千万余像素的手机，最近推出的华为P9具有代表，把双摄像头构想应用到了手机镜头中。2.手机照相系统的国内外现状目前手机都具有前后摄像头，前面一般在500万左右，用来自拍和视频通话，河南师范大学本科毕业设计5后置一般在1300万左右，可以照出更加清晰的图片和录制清晰视频。高端手机照相镜头现状1.MEMS摄像头MEMS摄像头耗能低，速度快，自动对焦几乎是即时完成。2.一个摄像头，多个镜头PelicanImaging设计出了16镜头手机摄像头，让它名声大噪，该手机使用16个镜头，每一个镜头对应一个对焦点从而实现连拍。3.3D摄像头搭载双摄像头阵列Structure传感器，可以为手机游戏增添3D快感，也可以用来3D测量，在手机上实现3D设备的一些功能。5.双摄像头像素提高，可以使画面更清晰，但是过高的像素对成像质量影响不大，而且会产生负面影响，比如占用手机容量。所以工程师们想出来一个设想，增加镜头数量，而不是提高像素。这种设计，突破了瓶颈。在目前已经比较成熟，华为P9三星A9等高端手机都采用了双摄像头设计。华为p9采用黑白和彩色双摄像头，彩色镜头捕捉色彩，实现了一加一大二的效果，拍摄效果不只是双摄像头的叠加，加上华为先进的算法合成理论，成像质量接近完美。一．手机照相系统简介1.1手机照相系统组成手机照相系统主要由镜头（LENSASS’Y）、传感器（SENSOR）、A/D转换器、DSP（数字信号处理芯片）、固定组件、五个部分组成。成像质量好坏的一个关键因素，就是镜头结构，镜头由透镜、滤光装置、镜筒三部分组成，镜头参数有三个，即焦距f′、相对孔径D/f′和视场角2ω。镜头焦距是镜头的一个重要指标，决定了物和像的比例，如物在无限远，像的大小由下式决定y′=-f′·tanω（ω是物方视场角）。相对孔径D/f'和光圈数F是镜头的关键光学指标。相对孔径，它表示能进入镜头到达底片上的光能量，因而决定像平面照度，其定义为入瞳直径D与镜头焦距f'之比，暗景物和高速运动物体的照相需要大相对孔径物镜，大相对孔径物镜可以提高像平面照度，根据相对孔径大小，照相物镜分为弱光照物镜（D/f'1：河南师范大学本科毕业设计66.3以下）普通物镜（D/f'1:5.6-1:3.5）强光物镜（D/f'1：2.8-1:1.4）超强光物镜（D/f'1：1-1:0.8）为了使同一镜头使用不同的环境，通常孔径光阑采用可连续变化的可变光阑。相对孔径的倒数称为光圈系数，又称F数，照相镜头上标有F数，国家标准按照光通量的大小规定了各光级圈数的排列0.7、1、1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22···随着光圈数的加大，光孔变小，光通量减少，光圈每差一级，光通量相差一倍，对照相机镜头来说，F数越低，镜头相容性就愈好，使用范围更大。相对孔径还影响像面上获得清晰像的空间深度范围-景深，相对孔径越大，成像的景深越大，照相过程中调节光圈大小控制景深。视场角2ω照相物镜的视场角2ω决定了物方空间的范围，照相物镜的视场由像平面上具有满意成像质量的圆形区域的直径决定，或由相机所采用感光元件的感光面尺寸决定。分辨率，照相系统的分辨率取决于物镜的分辨率和接受器件的分辨率，照相物镜的分辨率通常用像平面上每毫米能分辨开黑白线条的对数（lp/mm）照相物镜的分辨率n=1/f′*(140″/D)=1475/F可知F数越小，分辨率越高，照相系统的分辨率N它由照相物镜分辨率n和接收器分辨率m决定，三者之间的公式1/N2=1/n2+1/m2。1.2照相物镜的基本类型1.按镜头焦距和视场角分为：标准镜头、短焦镜头、长焦镜头。2.按镜头焦距能否变化分为：定焦镜头、变焦镜头。1.3图像传感器固体摄像器件是起感光记录作用的元件，和胶卷类似。有CMOS和CCD两种类型CCD又叫电荷转移器件，光电二极管排成一列叫一维型直线式传感器，光电二极管行排列叫二维型面积式图像传感器。CCD由光电二极管感光部件、ccd转移部件和电荷放大器件组成，当光照射时，光子激发电荷，电荷产生堆积，感光部件与转移部件之间加上栅电压，堆积的电荷在栅电压的作用下，开始定向移动至转移部件，经放大输出，这些输出的电荷信号带有图像信息。固体摄像器件的发展趋势是高敏感化、高分辨率、省电、低压工作等高性能河南师范大学本科毕业设计7方向发展。CMOS图像传感器由金属氧化物半导体集合而成，每一个像素可以集成多种器件，比如放大器，A/D转换器等。两种感光元件的不同之处CCD成像质量好，但是制作起来比较复杂，而且耗能大，CMOS虽然成像质量较差，但是驱动电压低，制造简单，CMOS可以和其他器件集成，每一个像素都可以实现完整的功能，相比CCD是成千上万个像素排列，每一个像素激发的电荷汇集到一起，运输到放大器和数据处理器，这样给后续处理增加不少负担，而且大量的电荷汇集