高分辨率手机镜头的光学设计与性能仿真毕业论文.docx

高分辨率镜头的光学设计与性能仿真郑州轻工业学院本科毕业设计（论文） 题 目 高分辨率镜头的 光学设计与性能仿真 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 物理电子工程学院 指导教师(职称) 完成时间 2017年5月30日 目 录中文摘要英文摘要1 绪论 11.1 引言 11.2 镜头与数码相机镜头比较 11.3 拍照国内外发展状况 21.4 镜头未来趋势 42 照相理论基础 62.1 镜头成像原理 62.2 镜头基本术语 62.2.1 焦距 62.2.2 光圈 72.2.3 像素 72.2.4 分辨率 83 镜头像差理论与优化设计 93.1 镜头像差理论 93.2 光学系统的优化设计 114 8百万像素镜头光学系统设计 134.1 镜头设计指标 134.2 设计结果 13致 谢 18参考文献 19高分辨率镜头的光学设计与性能仿真摘 要快速发展的照相功能，让我们对照片的清晰度要求越来越高，一些低端的数码相机早已逐步由拥有高分辨率的摄像头逐渐取代了，但在目前市场照相中高像素拍照的占绝大部分，800万像素的在市场中高比率占有正式因为这样，对研究高分辨率镜头有着重大的意义。

文章中总结了镜头的国内外发展的基础上，结合了光学非球面以及像差理论，使用ZEMAX软件，进行光学设计得到了一个800万像素的超薄镜头该镜头由4片光学塑料非球面透镜组成，优化是通过ZEMAX软件的功能，并最终获得一个高像素超薄成像结构，总长仅3.21mm且具有优良性能、成本低廉，满足设计要求的镜头关键词： 镜头；800万像素；塑料非球面；ZEMAXIOPTICAL DESIGN AND PERFORMANCE SIMULATION OF HIGH RESOLUTION MOBILE PHONE LENSABSTERACT The rapid development of mobile phone camera function, so that we are more and more demanding on the photos, some low-end digital camera has long been gradually replaced by a high-resolution mobile phone camera, but in the current market camera phone high pixel camera phone Of the vast majority of the 8 million pixel mobile phone market in the high proportion of possession of the formal because of this, the study of high-resolution mobile phone lens has great significance. The article summed up the development of mobile phone at home and abroad on the basis of the combination of optical aspheric and aberration theory, the use of ZEMAX software, optical design has been a 8 million pixel ultra-thin mobile phone lens. The lens consists of four optical plastic aspherical lenses that are optimized by the function of the ZEMAX software and eventually get a high pixel ultra-thin imaging structure with a total length of only 3.21mm and with excellent performance, low cost to meet the design requirements of the phone lens.KEY WORDS mobile phone lens; eight million pixels; plastic aspheric; ZEMAXII 1 绪论1.1 引言 在当今社会,已成为人们日常生活的必需品。

作为最基本的通信手段之一,已经被赋予了更多的实用功能,摄像机的性能已经成为衡量综合性能的重要标准现在的已经拥有高端镜头和入门级数码相机可以媲美摄影成像性能,但随着微型光学镜头和图像处理技术的发展,彩信和移动互联网技术的不断涌现,实时记录独特的快速共享功能是一大亮点,人们喜欢用进行记录美好的瞬间和实时图像,并与朋友和家人共享实时因此,为了获得更好的拍摄效果和质量人们也是不断地开发与研究,研制高像素镜头已经成为一种趋势成像质量高、便携性好的摄像头将越来越普及 随着和摄像头镜片加工技术的突破 , 随着光学加工、精密机械和电子电路技术的不断发展与更新,一些低端的数码相机被取代,和一些高质量的影像如数码相机也已经被高像素镜头的取代单反相机,价格更昂贵,且操作复杂,体积和重量让他无法被复制相比之下,高像素正成为首选目前市面上800万像素以下的占据了大部分市场,画面质量并不理想,因此设计高质量的成像,简单的镜头结构显得尤为迫切和重要 1.2 镜头与数码相机镜头比较现在几乎所有的都有摄像头 ,同时, 摄像头会迅速改变 如 的数码相机功能,它的卖点不是数码相机的功能,是在给定的 MMS 无线传输、实时 共享等特点。

但进入 3G [1] 时代以来,充分证明在人们进行视频通话的功能是 非常有前途的,和朋友从简单的语音通话到视频通信, 它更能吸引消费者, 摄像头可以实现数字图像通信是基于数码相机完全无法匹敌的移动摄像机镜头和数码相机镜头的特点和结构有许多不同之处,可以从以下 几个方面进行比较:(1)侧重点不同 移动相机镜头专注于如何最好的成像性能可以实现在有限的长度范围内 这是微透镜的主要追求 ,保证图像质量的前提下 ,缩短光学镜头的最大总长度，数码相机镜头的总长度是没有那么严格,可以把体积和空间做的比较大,它是图像质量的主要追求, 如何得到图像的高质量是关注的焦点2)镜片的数目不同相机镜头紧凑 ,这限制了透镜的数目 ,他们大多是4片左右为了提高数码相机的成像质量,更多的镜头可以不受限制地使用,这更有利于提高图像质量,所以数码相机的镜头一般超过 5 片3)加工难度不同 相机通常使用塑料非球面 ,近年来,中国的塑料加工技术的非球面零件 有很大的进步,但还没有形成一个成熟的、完整的系统[2]普通数码相机的使用玻 璃球面具有性能稳定、技术成熟、易于加工会使用更多的非球形玻璃高端数 码相机因为在球面像差的光学设计,彗差, 散光和畸变，像差校正、非球面表面 往往有更好的效果。

可以有效地改善图像质量,减少光学元件的数量,大大减轻摄像机的重量4)光敏元件不同目前市场上有两种光敏元件 一个是 CCD 器件的电荷耦合器件,价格比较昂贵,但技术成熟,灵敏度高,噪声低,成像效果好另一个是 CMOS[3] 互补金属氧化物半导体 ，其制造成本相对较低 ,功耗小 ,集成度高 光敏元件通常用来移动照相机镜头在数码相机的发展中,光敏元件的面积不能占太多,但在追求更好的成像,更好利用纯彩色屏幕感光元件比较大,数码单反的应用基本上是一个光敏元件的 APS 规格,,在高端机器中,必须使用全帧传感器但这是不可想象的,因为它必然会增加产品的体积,近几年来,随着CMOS工艺的发展 , Exmor RCMOS[4] 的出现 , CMOS 传感器克服了许多技术瓶颈,镜头使用 CMOS 图像传感器集成度高的多因此,照相有以下优点:1.便携性好,随时携带使用;2.实时共享,高效快捷;3.质量稳定、重塑画面;4.体积小、耗电量小、结构紧凑1.3 拍照国内外发展状况或相机的起源始于 2000年 ,那时日本的第三大移动运营商 J-Phone 推出了世界上第一个 j-sh04 内置相机,它配备了11万像素CMOS数码相机的镜头,并配有一个大镜子,能够拍摄355 x 288像素的照片,虽然画面太差,而且无法与主流配置相比,许多消费者感觉需求量不大的,但它是有照相功能的一个里程碑,它使相机的快速发展,它的出现,厂商已逐渐认识到镜头存在价值。

在接下来的两年或三年,如摄像头像素也如雨后春笋,一场春雨后有所增加,如索尼P900,有了镜头,你可以拍摄640×480像素,最大分辨率为30万[5]虽然这些镜片的质量略有改善,而且价格低,开发周期短,但仍远远低于入门 级数码相机,后来也更多地用于低端相的第二摄像头 2003五月,夏普公司重新推出的第一个百万像素摄像头的j-sh53,,它有一个100万像素的摄像头,最大分辨率为1144 * 858像素[6]除了支持多种分辨率选择和连续的功能,在j-sh04第一代质量的变化,无论是拍摄的清晰度、亮度和色彩还原,接近低端数码相机的水平接下来的几天中,技术不再是手 机摄影像素的瓶颈,同年十月,日本卡西欧运营商KDDI定制的世界上第一个 200 万像素的摄像头 a5403ca ,该机采用光敏元件在暗光条件下也 CCD 表现出色 , 并支持自动对焦和闪光灯拍摄,它的出现,被称为行业的影像学变化的革命[7]2004年初,富士通生产的f900i拥有128万像素CCD镜头,11万像素CMOS镜头,两个摄像头可用于视频通话同年5月,和卡西欧的冲击,推出了世界上300万像素的摄像头,a5406ca第一,它配备了 320 万英寸的大尺寸 CCD 感光元件 的 1 / 1.8 有效像素,照片QXGA(2048x1536像素)可以采取,而非球面镜片的小而薄的。

有利于提高图像质量,也降低了系统结构大小 从世界上第一个百万像素的诞生,到第一个300万像素摄像头 ,只有大约一年的 时间,摄像头在这个时期是塑料镜头结构 3 片 ,与像素数、光学非球面逐渐 增 大 图 1-1为3芯片的镜头的周期结构显示, 3 个镜头和过滤器和玻璃盖, 其 中非球面光学元件数量已达到 4-5 个,市场较在 45 - 50 度角,光敏元件的尺寸为1/ 4英寸,最小像素尺寸可为1.75mm×1.75mm,但基本上没有自动对焦或变焦功能[8]图 1-1 早期 3 片式镜头结构 随着技术门槛越来越低,提高像素不再是实现提升摄影水平的唯一手段,光学变焦可以让夏普再创建一个尖锐锋利的[9],沃达丰日本发布了全球首款支持2倍光学变焦的200万像素v602sh该机配备了202万像素的CCD镜头,支持2倍光学变焦和40倍数码变焦功能,最大1600×1200像素。