ZEMAX高分辨率手机摄像头的光学设计 第4页

3. 光学系统设计  
3.1 初始结构的选择
初始结构的选择很重要，只有初试结构选取合适，后续工作才有意义。常常无法一次选定最合适的结构，被选定的结构需经一定的校正后确定是否可用。在实际选取过程中，是一个随机挑选的过程，原则是选取一个结构简单，性能接近的照相镜头。选型是否合适关系到以后的设计是否成功。一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功。
本课题所选初始结构参数如下：
图2  手机照相镜头初始结构
图3  初始结构二文光路图
该初始二文光路图可看到光线的场曲和畸变比较严重，因此还要通过后期调整和优化尽量减小其场曲和畸变。该结构中四片透镜所用材料依次为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA,聚碳酸酯POLYCARB，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA以及作为滤波片的BK7。树脂具有良好的耐腐蚀性，耐光性和耐水性，硬度适中，耐冲击性好。聚碳酸酯冲击韧性好、机械强度高、尺寸稳定性好、不易变形；有优良的耐热耐寒性，可在60℃-130℃长期使用；吸水性低、耐磨和耐化学腐蚀性能等也较好；透明度接近于有机玻璃[6]。

3.1.1 视场角的确定
视场角一般用度来表示，其测量一般依据近轴入瞳的位置。光轴逆时针旋转时形成的角是正的，顺时针旋转时形成的角是负的。因而正的视场角其物体坐标是负的，其光线斜率是正的。视场角作为镜头初始指标，根据要求控制在60度，则半视场角为30度，本课题选取了五个个视场，即中心视场，0.7视场，0.5视场，0.3视场和边缘视场，反应在Y-视场上就是30与视场系数分别相乘的结果。如 图4所示为半孔径角对应入瞳处的坐标值。
图4  视场坐标
3.1.2 F数的确定

图5  F数的确定
F数的确定很简单，选择光圈类型后输入光圈数值即可。光圈数是评价系统光通量的指标，F数越小，光通量越大数，它在数值上是相对孔径的倒数。本课题要求的F数为2.8，因此在光圈数值处填入2.8即可。
3.1.3 工作波长的选择
工作波长是在可见光范围，从380nm到760nm，由于在系统模拟过程中只能选取几个定值。具体确定过程如下图所视。主波长为图中第2个波长，值为0.58756180微米，权重都设置为 1。
3.1.4 调制传递函数
图6  原始结构的光学调制传递函数
调制传递函数体现了除畸变外的所有像差的综合情况。横轴对应的是物体空间频率，单位是lp/mm,纵轴对应的某一频率对应的像方对比度与物方对比度之比，用于表示光学系统的特征，即对比度的衰减情况,MTF值介于0~1之间，MTF越大，表示系统的成像质量越好。
由图6可见，调制传递函数所体现的系统频率传递性很差，截止频率很低。到50lp/mm时就基本衰减为零了,基本无法传递物体细节信息。需要大幅度地改善，提高其高频传递能力。
3.1.5 点列图

图7  点列图
通过此图可直观地看出光线经系统追迹后情况，图框中的数据中给出了主光线在像面的交点与所有光线在像面交点距离的均方根值，也给出了最大距离。其轴上点视场弥散斑均方根半径最大的达到了61.057μm，远远大于手机摄像头允许的最大的弥散斑均方根半径4.3μm，需要进一步优化。

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