镜头光学性能评测技术

07-Aug-2011镜头光学性能的评测技术镜头光学性能的评测技术研发部作成：宋红霞2011年11月27日舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011z提纲舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011z概述手机相机模组是近几年发展起来的科技产品，是光学设计、薄膜技术、微机构、模具、组装校验、电路监控、取像电路IC、影像感应器、储存记忆器等多方面的结合体，当然光学设计（光学元件、镜头）是相机模组系统的先行者。这里主要从镜头品质方面考虑来评测手机相机模组的品质主要从镜头品质方面考虑来评测手机相机模组的品质。2002年的CIF10万像素，2003到2004上半年的VGA30万像素为主流，2004年下半年的SXGA130万像素为主流，2005到2007年高像素200、300万像素，如今更高像素像素普年推出像素更高像素500/800万像素普及，2009年Samsung推出1200万像素，而OmniVision将画素尺寸缩小到0.9微米。随着高像素模组的普及人们要求的提高，对相机的成像质量要求越来越高，为此，需要对手机模组像质进行严格的评价，对模组的设计和产品的出货检验提供技术支持和保障。的设计和产品的出货检验提供技术支持和保障。根据行业昀常规的检测项目和我司现有条件，主要从分辨率、相对亮度、色彩还原、畸变、杂光、鬼影等昀影响模组品质方面作一些介绍。当然，模组高度等尺寸模组镜头的一些参数焦距后焦FNO数镜头的光谱透过率（有时等尺寸，模组镜头的些参数，焦距、后焦、FNO数、镜头的光谱透过率（有时包括滤色片）是否与设计符合，也是评测的项目。舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011z手机相机模组的构成手机相机模组有镜头传感器后端图像处理器软板四个主要组成部分手机相机模组有镜头、传感器、后端图像处理器、软板四个主要组成部分。因此，手机相机模组的品质评价也相应与这四个部分有关舜宇浙江光学研发部手机相机模组的主要构成07-Aug-2011z镜头（Lens)镜头是相机模组的主要零部件之一，镜头模块包括镜片、框架、连接线、滤光膜与相关外围组件目前L厂商竞争的关键在于如何减小镜片尺寸（镜头）成型工相关外围组件，目前，Lens厂商竞争的关键在于：如何减小镜片尺寸（镜头），成型工艺等。镜片（镜头）跟后端的传感器成像有很大的关联，因此，各厂商的镜片（镜头）各种规格也随着传感器的种类不同有不一样的设计，业界对“镜片（镜头）尺寸”的定义也随着传感器图像大小（pixelsize）而定。义也随着传感器图像大小（p）而定。镜片材质又以塑料和玻璃之分，塑料材质成本低，重量轻，但是像质比玻璃差。而且在极度精小尺寸下，塑料成型的工艺也有一定问题，玻璃镜片虽然成本高，重量重，但有良好的成像效果，而且尺寸精细度（镜片直径与厚度）可达更高要求。但有良好的成像效果，而且尺寸精细度（镜片直径与厚度）可达更高要求。z传感器（Sensor)目前用在手机相机模组中的传感器可分为光电耦合组件（ChargeCoupleDevice，简称传gpCCD），与互补金属氧化物影像传感器（CMOSImageSensor,CIS）两种技术。两者都是利用感光二极管（photodiode）进行光电转换，其差别在于数字数据的传输方式不同，CCD传感器是通过电荷，而CMOS是通过类似内存电路的方式传输数据。在一般情况下，CCD和CIS相比具有更优秀的图象质量，但是相比较CIS，其制作成本偏高，耗电较大，因此在手机相机模组中COMS是首选。CMOS相机模组具有标准独立的接口，其构成的组建包括塑料镜座（Holder）、镜片组（LENS）、IRFilter（红外线滤膜）、传感器芯片（SIC）外设电子组件（ihlli）载板（舜宇浙江光学研发部感器芯片（SensorIC）、外设电子组件（peripheralelectronicscomponents）、载板（Substrate）、软板（FlexibleprintedCircuit）07-Aug-2011z后端图像处理芯片（BankendIC)后端图象处理IC叫法很不统目前向着采用中央处理器进行图像信号处理后端图象处理IC叫法很不统一，目前向着采用中央处理器进行图像信号处理的方向发展，同时可以进一步减少相机手机的体积。通常包括以下功能区块：数字讯号处理器（formatconvert）、影像调整（gammacorrection）、白平衡与色彩调整（autowhitebalance&colorcorrection）、JPEG辅助处理器（JPEG色彩调整J辅助处器JCo-processor）。软板（FPC)z软板（FPC)软板为软性印刷电路板（flexibleprintedcircuit，FPC）的简称，可弯曲性的材质的电路板组件适合不同空间形状的电子产品同时具有可以提高配线性的材质的电路板组件，适合不同空间形状的电子产品，同时具有可以提高配线密度、灵活度高等优点。因为多数手机中的相机模组都是内建式的，所以这些手机相机模组都需要软板。但是现在也出现了插槽式手机相机模组，并没有软板，在体积、质量和成本上都交目前软板底，具有相当的竞争力。舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011z模组组装工艺模组封装主要采用CSP和COB两种方式，由于COB拥有质量与价格上的竞争优势，模组封装主要采用CSP和COB两种方式，由于COB拥有质量与价格上的竞争优势，现已逐渐成为业界主流。CSP和COB比较CSP和COB比较：CSP-ChipScalePackageCOB-ChiponBoard优势凭借玻璃覆盖，模块组装厂商可因为PackagingLevel（包装优势凭借玻璃覆盖，模块组装厂商可有较高良率（95%）因为PackagingLevel（包装水平）,封装厂可在无多添特殊下发展，因为吸引绝大多数厂商投入劣势1因为Wfll（晶圆级）1封装制程极易造成残渣掉落劣势1.因为Wafer-level（晶圆级）,且制程需专利限制1.封装制程极易造成残渣掉落，发展初期良率不易提升（良率需达90%以上才可能商业运转）成本比高2．成本比CSP高15%未来需努力的课题手机客户要求上盖整机出货的设计镜头组装厂商组装制造厂商台湾DSC厂商可自行组装转由封装厂商组装舜宇浙江光学研发部制造厂商台湾DSC厂商可自行组装转由封装厂商组装07-Aug-2011zCSP(ChipScalePackage)CSP组装工艺原理图：互联框架电路板组件电路板舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011zCOB(ChiponBoard)COB组装工艺原理图：舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011几种像差的基本概念•球差•彗差•象散•象散•场曲•畸变色差•色差舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011球差•轴上物点以宽光束成像时，在像方不能得到一个唯一的像点----球差舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011彗差彗差是由于通过透镜的轴外光线相对主光线的轴向放大倍率不同而产生的舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011彗差•对主光线对称的光线，经系统成像后失去对称性彗差称性----彗差舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011像散与像面弯曲YZYX1、子午像面：轴外物点的主光线与光学系统主轴所构成的平面，称为光学系统成像的子午面。位于子午面内的那部分光线，统称为子午光束。子午光束所结成的影像，称为子午像点t。子午像点所在的像平面，称为子午像面。2、弧矢像面：过轴外物点的主光线，并与子午面垂直的平面，称为光学系统成像的弧矢面。位于弧矢面内的那部分光线，统称为弧矢光束。弧矢光束所结成的影像，称为弧矢像点s。弧矢像点所在的•当YZ面与XZ面上的焦点位置不同时,发生像散像散为零时的像面弯曲称作“匹兹凡”面弯曲像平面，称为弧矢像面。舜宇浙江光学研发部•像散为零时的像面弯曲称作“匹兹凡”面弯曲07-Aug-2011像散(Astigmatism)在测试镜头时常会看中间及边缘的成像质量，几乎可以肯定，越接近边缘的影像质量都会下降，这由水光线橙色垂这是由于水平面光线（橙色）和垂直面光线（绿色）聚焦在不同焦点上所引起。上图是测试图中100%局部裁切，左为图片Center，成像清晰；而右为图片的Corner，出现明显象散舜宇浙江光学研发部像散原因：如曲面不均匀，有如人眼的散光问题，或镜片组沒有对准中轴。07-Aug-2011场曲•场曲----像面弯曲但存在场曲时不可能得到一个整个像但存在场曲时，不可能得到个整个像面都清晰的平面像；当调焦至画面中央处的影像清晰时画当调焦至画面中央处的影像清晰时，画面四周的影像模糊；而当调焦至画面四周处的影像清晰时，画面中央处的影像又开始模糊。又开始模糊。舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011畸变•畸变是垂轴放大率不为常数时产生的成像缺陷；•畸变分为：枕形和桶形两种畸变分为：枕形和桶形两种舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011位置色差•主要是同种材料对不同波长的折射率不同引起的舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011倍率色差•不同波长的主光线对参考波长的主光线的放大倍率不同舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011色散白光平镜红橙白光橙黄绿蓝靛靛紫•利用菱镜便可将白光分解成不同颜色（波长）的光线舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011色散光线穿过镜头后有机会出现类似棱镜的效果不同波长的光线不能在同一焦点上聚焦在光线穿过镜头后，有机会出现类似棱镜的效果，不同波长的光线不能在同焦点上聚焦，在影像上形成色散，即是所谓的紫边现象。由于短波长的折射率较高，因此紫色对色差也特別敏感。由色差而形成的紫边，通常可以在画面边缘看到而由于紫色折射的较多所以紫边一般都是由內向外扩散舜宇浙江光学研发部画面边缘看到，而由于紫色折射的较多，所以紫边一般都是由內向外扩散。07-Aug-2011z镜头产品的开发流程•项目输入•技术评估技术评估•详细设计•客户确认•客户确认•出图开模•开模•组立•评测•出货舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011z镜头产品规格书舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011z镜头评测的主要项目与方法•MTF、鉴别率测试•畸变(Distortion)•像面相对照度(RelativeIllumination)•色彩还原性(Colorcheck)色彩还原性(Colorcheck)•视场角FOV(Viewofangle)•主光线入射角CRA(ChiefRayAngle)•主光线入射角CRA(ChiefRayAngle)•室内外景物实拍杂光测试(fl)•杂光测试(flare)•鬼像测试(ghost)舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011zMTF（ModulationTransferFunction)MTF:为光学调制传递函数测试，即ContrastTransferFunction，也就是：对比度转换函数Mdli是I的i减去I的ii除以I的i加上I的ii也就数。Modulation是I的maximum减去I的minimum除以I的maximum加上I的minimum；也就是(光的昀亮度减去光的昀暗度)与(光的昀亮度加上光的昀暗度)的比值，所得出来的结果M，就是光的对比度。物的Modulation为Mo，像的Modulation为Mi，MTF=Mi/Mo。是利用一光强分布在空间上成正弦变化的物体经由待测系统收集并分析成像面上的光强分布用光强分布在空间上成正弦变化的物体经由待测系统收集并分析成像面上的光强分布（PSP），昀后经由傅里叶换算所得出的结果。它是手机模组镜头昀准确的像质评测方式。这是理论模拟的MTF曲线图：舜宇浙江光学研发部07-Aug-2011我司目前主要的检测设备有：zMTF检测方式：1.德国Trioptics公司的ImageMasterHR（研发阶段用MTF测试仪）2.德国Trioptics公司的ImageMasterPro5（工业性量产用MTF测试仪）3.UMA九华机（量产用MTF测试仪）国内厂家用的比较多，渐渐将会被淘汰HR和Pro5是国际上比较认可的MTF测量设备,MTF曲线，是绝对测试，能够很好的评价镜头设计加工的优劣，对验证和改善镜头品