手机镜头的光学设计起步

Keywords: PDA Imaging Lens, Smart Phone Imaging Lens, Compact Low-cost Imaging Lens, ZEMAX Optical Design

手机镜头模组典型供应商：

1. 镜头模组：日本-KANTATSU、台湾-LARGAN、内地-舜宇；

2. CMOS供应商：SONY、SUMSUNG、OV (OmniVision)；*具体信息可参考上述公司网站。

光学基本结构：(如下图5P镜头Layout所示)

1. 孔径光阑：
    现在主流的5/6/7P镜头模组的光阑大部分由外部模组结构件包围第一片镜片（前/后表面）形成； 

2. 镜片组：
    镜头主要光学结构。镜片以注塑镜片为主，也有玻璃镜片+注塑镜片的形式；
    *常规的冷加工玻璃球面镜片无法在满足总长的前提下保证像质，模压玻璃非球面又很难实现如下图最右侧的M型镜片，加之消费级镜头的成本控制。因此，必须走到高精度注塑镜片这步。
    *但塑料的光学均匀性、物化性能目前还与玻璃材料有差距，这也是玻璃+注塑形式一直在研究探讨的原因。
3. IR Filter：
   N-BK7基底红外截止膜片，滤除红外波段以免影响可见光成像；
4. CMOS/CCD探测面：
   感光元件，也就是一般消费者口中“像素”的来历；

主要性能要求：

1. 视场：30°~36° 1/2 FOV ；

2. 镜头总长：主流<4mm，当然肯定是越小越好；

3. F#：2.0~2.9

4. 畸变：<2%

5. MTF：>0.3 @250lp/mm

6. 渐晕：>20% Full Field

7. CMOS匹配参数：像面尺寸、像元大小——EFL、BFL、Spot Radius匹配

光学设计的灵魂——材料选择：

记得应该是大神Milton Laikin在LENS DESIGN的著作中提到过：玻璃材料的选择是最触及光学设计灵魂的时刻。

主流光学塑料厂商：
1. 日本大阪气体化学—OKP系列：是设计中逃不掉的高折射率高色散材料；
2. 日本ZEONEX—COP：常用光学塑料折射率色散性能；
3. 日本三井化学APEL—COC：常用光学塑料折射率色散性能；
*以上光学塑料的光学特性可参见各家官网

主流低温模压玻璃厂商：
1. 成都光明、新华光：也是国内常用的两家光学玻璃供应商；
2. 国外：Schott、Sumita、Ohara、Hoya等之前做玻璃的基本都有自家的低温模压玻璃，同样的大多牌号可由国产替代；    

ZEMAX仿真起步：

以下以台湾大立光美国专利[1]中的一款6P镜头为例学习ZEMAX仿真起步。
* 其实大家应该明白，良好的光学结构初始解不但是我们起步的不二法门，经常是抄着抄着就会了…
* 同时也是锻炼光学设计Trouble Shooting的试金石啊。这次正好手贱，截图选中的例子就是大起大落的实例……

文献中镜头形态如下图：

镜头光学性能如下图：

对应镜头数据如下图所示：

1. 由焦距，FNO计算EPD≈1.47mm，输入ZEMAX；

2. 由HFOV=29，添加所需控制的Field；

3. Wavelength选择可见光成像的F/C/d；

4. 把前面的镜片数据都敲进LDE里，然后点2D Layout看一眼成果：

5. 卧槽…这Layout看着就不对啊！下面EFL也不对啊！BFL也不对啊！
   顿时心中默念：是不是我敲错了？肯定不是，我是个严谨的攻城狮！
   借助文献中每片的FL值，使用EFLY进行初步排查；
   第6片FL由标称的9.5变成了模型中的-2.36，第12面应该没问题，第13面Radius起码应该是个负值，FL才能差不多到9.5吧…

  先随手把这个Radius改成-4，全部更新之后看下Layout，系统向reasonable的方向发展，极大可能就是专利里把这个Radius敲错了：

6. 以Surf13-Radius为变量，以第6片焦距为评价优化，得到可靠的Surf13-Radius如下。同时从Layout能感觉到此时的像质应该不错了，数据中仅此一个错误。

7. 进一步检查Distortion-畸变、Field Curve-场曲、Longitudinal Aberration-轴向像差、MTF与Spot Radius。可见与文献中性能图一致。
    不得不赞叹，除了畸变稍微大一点点之外~3%，像质真心好啊！300线的MTF都能在0.3以上，接近衍射极限啊！RMS Spot控制的也很棒！大立光的确挺牛的是吧。

Glass改为实际的光学塑料：

值的提前说明的是：光学塑料同模压玻璃一样，其受热成型过程中光学特性会发生变化，所以厂家提供的光学参数与成型后的材料参数总有些许差别，很多时候就需要通过成型后的材料特性来事先优化面型数据。此时先以ZEMAX中各厂家标称的材料参数来演示实例。

文献中的两款材料分别使用如下材料：
      1.544, 55.9 = 三井APEL的APL5514ML
      1.64, 23.3 = 大阪家的OKP-1

替换玻璃材料后的系统性能如下（此步时并未优化任何参数）：

可以看到，所有的光学性能与之前基本一致，像质仍然十分棒！（结构形式不变渐晕不变）这是最高兴的地方，不用进一步折腾优化了。这也正好符合光学设计入门第一个实例的风格

* 最后说一句，这个镜头的HFOV像高只有2mm，所以对应的CMOS应该不是13MP以上的CMOS，但是可以作为B/W-CMOS镜头提供背景虚化等功能。

References:1. US Patent: US20180180857A1