张韧剑1，冯亚萍2，江 曼 ， 任兆玉1
(1.西北大学光子学与光子技术研究所，陕西西安710069； 2.宁波大学理学院，浙江宁波315211)
摘要：通过利用ZEMAX光学工程设计软件设计了一款适用于手机的2倍内置式光学变焦距镜头。镜头仅由4片非球面的塑料透镜和1片BK7的红外滤光片构成，能够达到285 lp/mm的空间 频率，可匹配1.75μm的COMS图像传感器，全视场RMS半径均小于艾利斑半径，全视场最大 畸变小于3％，MTF值在1/2奈奎斯特频率处的大部分视场大于0.5，总长度小于9.2 mm。整个 变焦距系统结构紧凑，分辨率高，成本低，可满足手机镜头光学变焦的要求。
关键词：光学变焦；ZEMAX；非球面透镜；MTF；手机镜头
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。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 使用“插值”处理手段将像面放大到整个画面，其成 像质量远远不如光学变焦。
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。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 系统结构，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，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SKl6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一正一正一负型的透镜结 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1.75μm，这样才能够让颜色很好地匹配1.75 μm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。
利用ZEMAX光学工程设计软件对初始结构进行模拟，并进行反复的优化和调试，最终得到了一款结构简洁、分辨率高，可以实现2倍光学变焦 的内置式手机镜头。
该镜头的镜片参数以及结构参数如图1和图2 所示。图1(a)和图1(b)为系统在广角端和摄远端的 二维平面图，图2(a)和图2(b)为各个镜片的曲率半 径、镜片厚度以及在广角端和摄远端时镜片之间的间距。
2 设计结果
2.1 镜头的技术指标
整个变焦距系统总长控制在9.2mm内，能够实现2倍的光学变焦，最高分辨率可以达到285 lp/mm，可以匹配1.75μm 500万像素的COMS图像传感器。在广角端F/#为2.8，可以实现56°的视场 角，有效焦距为3mm，后焦距为2.51mm；在摄远 端F/#为4.0，视场角为24°，有效焦距为6mm，后焦距为2.88mm。具体参数如下表所示。
2.2 镜头的像差分析及像质评价
利用ZEMAX光学工程设计软件对变焦距系 统的照度、畸变、场曲、RMS、MTF等重要像质评 价参数进行分析。
从图3可以看出，系统全视场在广角端的相对 照度大于67%，在摄远端的相对照度大于89%，手机摄像镜头的相对照度随视场角的增大而减小，边缘视场相对照度太低，就会造成手机夜间照相的质 量大幅下降，一般大于60%就比较理想。
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