叶果;刘智颖;徐百威;刘建华
【摘 要】套筒冠Mobile lens as a typical large field of view large aperture optical system,in the optical design,the image edge illumination is too low. The edge illumination can be improved by reducing the edge of the main light angle,but at the same time the edge distortion will be also increased. The edge of the main light angle and distortion being taken as variables,the mobile phone lens was simulated and optimized by using ZEMAX. By changing the edge of the main light angle;distortion;and image plane illumination,the link between the three items was searched. Through a series of simulation data analysis,it is found that the edge illumination of the system will be improved when the main ray an-gle of the system edge becomes smaller,but the relative distortion will be improved. The multiple sets of simulation data were analyzed by using Matlab,the best balance between distortion and edge illumination is found. The actual sys-tem is optimized,and the optimal equilibrium solution can be solved when the edge of the main ray angle is 17.5°. Through the optimizati
on design,the total optical length of the original system is shortened by 0.9mm,the overall dis-tortion is decreased by 0.3%,and the MTF is also significantly improved.%手机镜头作为典型的大视场大孔径光学系统,在进行光学设计时会出现像面边缘照度过低.降低边缘主光线角度可以改善边缘照度,但是同时也会使边缘畸变增大.取边缘主光线角度,畸变为变量,使用ZEMAX对手机镜头进行仿真优化,通过改变边缘主光线角度、畸变、像面照度,寻三者之间的联系.通过一系列仿真数据分析,发现当系统边缘主光线角度变小时,系统边缘照度会被提升,但相对畸变也会被提升.使用Matlab对多组仿真数据分析,可以在畸变和边缘照度上到最佳平衡.对实际系统进行了优化,在边缘主光线角度为17.5°附近能求解到最佳平衡解.通过该优化设计使原系统光学总长缩短了0.9mm,整体畸变下降了0.3%,MTF也有显著提升. 【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(040)006
【总页数】5页(P43-47)光滑爪蟾
【关键词】光学设计;像面照度;畸变;大视场光学系统
【作 者】叶果;刘智颖;徐百威;刘建华
【作者单位】长春理工大学 光电工程学院,长春130022;长春理工大学 光电工程学院,长春130022;长春理工大学 光电工程学院,长春130022;中国人民解放军驻五五九厂军事代表室,无锡214035
【正文语种】中 文
【中图分类】丝锥夹头TB133
随着互联网的发展以及广大消费者对于手机拍照需求的日益增长，手机像素从最初的100万、200万、500万［1］，发展到了现在的800万甚至是千万像素。在CMOS没有出现以前500万像素、800万像素的手机镜头的光学总长度至少在10mm以上［2］随着手机感光元件加工工艺以及产品性能的提升，像元尺寸从先前的5μm迅速发展到现在的1.4μm甚至1.1μm［3］，通常镜头的长度是与成像质量成正比的，而在手机镜头上，因为长度要制造得非常小，就必须在其它参数上做补偿［4］，这对手机镜头的设计提出了更高的要求。为了充分使用高分辨率的图像传感元件的分辨能力，通常采用4片透镜元件如美国专利76465 5、7609454。除了影响MTF的各种像差，在大视场高像素手机镜头的设计中像面照度优化显得尤为重要。良好的照度优化能消除暗角，能进一步提高手机镜头在暗光环境下的成像质量。在对手机的像面照度进行优化时，一定的负畸变有利于改善光学系统的相面照度，但是过大的畸变将会引起轴外视场分辨力的退化并且失真严重影响使用效果［5-7］，在以往的手机镜头设计中均未对手机镜头的像面照度优化设计进行细致的讨论，本次设计结合仿真中的数据变化，使用MATLAB对优化得到的数据点进行拟合，为优化手机镜头的像面照度提供可靠依据。
1 理论分析
1.1 镜头的光学畸变
在系统畸变可以忽略的条件下，根据小孔成像的理想模型，可以将线性的成像系统描述成下式：
当物体到镜头的距离有限时：
当物体到镜头的距离无限远时：
镜片径向曲率的变化会使像点沿径向移动，导致图像便变形，离中心点越远，其变形量越大。正的径向变形量会使图像向远离图像中心的方向移动，其比例系数增大；负的径向变形量会引起点向靠近图像中心的方向移动，其比例系数减小。
1.2 光学系统的畸变率：
通过引入了畸变率来衡量图像的畸变程度。畸变率的定义如下
其中，η表示实际成像高度即实际成像点到图像中心的距离；H为理想成像高度即理想成像点与图像中心的距离；D表示畸变率。根据式（3）可知，当图像产生的是枕型畸变时，有η＞H，那么畸变率D应为正数；当图像产生的是桶形畸变时，则η＜H，畸变率D为负数。
1.3 光学系统的像面照度
光学系统轴上像点的经典照度公式［8］为
式中τ为光学系统透过率，n，n'为物空间和像空间折射率，u'为轴上视场成像光束的像方孔径角。当物像空间介质相同时n=n'为物空间和像空间折射率，u'为轴上视场成像光束的像方孔径角当物像空间介质相同时，n=n'，（4）式变为
利用几何光学进行推导，可以得到轴外视场角ω视场对应的像面照度按照规律下降：
联立（5）（6）可得：
由此公式可知像面照度受到主光线角度的影响。
2 手机镜头的优化
2.1 设计要求
镜头的F#为2.4，视场角大于60°，光学总长小于4.1mm。1/2极限频率处全视场的MTF值大于0.5，畸变小于2%。
空气质量流量
2.2 初始光学结构
图1 使用的初始结构折流板除雾器
非球面透镜的光学系统计算初始结构比较困难，故从专利中选取由4片塑料非球面镜片和1片滤光片组成的初始结构。分析专利的初始结构，第一块透镜是双凸面的，通过减小透镜
的曲率可以改善光学系统的光学总长第二块透镜是双凹面的，将第二块透镜设计为在近轴区是凹面的在离轴区域是凸面的，这时候该表面上从离轴区域投射到图像传感器的光线的角度能够被有效的减小，能够提高光学系统的像面照度，而且能够校正轴外像差［9］。第三块透镜的前表面为凹面后表面为凸面，在整个系统中起矫正像散的作用。第四块透镜的前表面为凹面后表面为凸面，在整个光学系统中能够校正系统的高级像差和像散［10］。此外，合理的增大最后一片镜片的光焦度，能够有效地减小轴外光线在图像传感器上的投射角度，改善系统的成像质量。优化前的MTF曲线、场曲畸变、垂轴像差和相对照度、如图2，图3，图4和图5所示。金刚石复合片钻头
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