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标题: 百萬像素級的手機取像鏡頭模組 [打印本页]

作者: coatingli 时间: 2005-6-15 16:33
标题: 百萬像素級的手機取像鏡頭模組

百萬像素級的手機取像鏡頭模組
　
隨著全球具有照相功能的手機市場大幅成長，手機相機的鏡頭從傳統VGA等級的30萬像素提升到130萬像素，呈現跳躍式的技術升級成長。手機取像模組提高4倍像素後，連帶提昇取像模組內光學鏡頭、影像感測器、DSP晶片、記憶體容量、白光LED及液晶顯示面板的等級，會使消費者產生更換手機的意願。所以，百萬像素級的手機取像鏡頭模組是帶動手機新應用及產生新手機產品的元帥級創新。因此，手機相機的相關規格技術對了解此一產業的人士是相當重要的。本文的目的為做一濃縮且整體性介紹手機取像鏡頭模組的光學系統，淺入深出的介紹手機取像鏡頭模組的基本技術應用及光學模擬的概念。
130萬像素的手機取像鏡頭規格
目前台灣光電業者已陸續開發成功130萬像素的手機取像鏡頭，其規格如表一所示[註1]：
　
　影像檢測器　1/4吋
　影像檢測器尺寸　3.584 x 2.688 mm
　像素　1290 x 966 (130萬)
　像素尺寸　2.8 x 2.8 μm
　焦距　定焦
　有效焦距　4.5 mm
　影像範圍　4.6 mm
　MTF調制轉換函數　> 40%
　相對照度　> 65%
主光線入射影像檢測器Telcentric Angle　 < 18°　
　畸變Distortion　< -2%
表一典型CMOS影像感測器之光學鏡頭規格
　
2003年鏡頭業者陸續完成130萬像素的開發，影像檢測器的對角線長在4.6mm (號稱1/4吋) 的條件下，像素間距則需為3584μm /1290 = 2.8 μm及2688μm /966 = 2.8μm。由於數位取像鏡頭的影像檢測器是屬於分立式的取樣Sampling，根據數位取樣原理，影像檢測器其所能顯示的最大的空間頻率需受Nyquist取樣頻率的限制，即一個空間週期至少要有2個像素，故此像素間距為2.8 μm的影像檢測器其所搭配的光學鏡頭需要能解析1000/(2x2.8) = 178 lp/mm的空間頻率。這對光學設計者而言是一高難度的挑戰。圖1顯示的是光學模擬與鏡頭業界實務中所常用的MTF調制轉換函數的圖例，橫座標代表每毫米解析若干黑白線對的空間頻率，縱座標為成像面上黑白線對「對比度」為0~1的MTF值。其MTF值與方向有關，圖1中T代表Y軸方向，S代表X軸方向。
　
圖1 光學模擬與鏡頭業界實務中所常用的MTF調制轉換函數的圖例。
　
從表一中有效焦距4.5mm與影像範圍4.6mm此二參數的相同，可以看出手機取像鏡頭的特徵，仍相當於是35mm底片傳統照像機的標準鏡頭，其最大視場角可從tan-1(2.3/4.5) = 27° 得知，故此規格之光學鏡頭的視角(全)即為54°。由於市場的競爭個廠牌競相提高視場角到60°或以上，越大的視場角會造成越大的像差，這對光學設計者而言也是一項難度的挑戰。
在VGA等級的手機取像鏡頭，其光圈f/#大都在2.6~2.8之間，在有效焦距已經固定的條件下，光圈數越大代表的是通光孔的直徑越小，根據f/#的定義，入瞳的直徑為4.5mm/2.8 = 1.6mm，這是一個很小的尺寸。更由於手機需要短小輕薄，百萬像素級的手機取像鏡頭需要3枚透鏡，整體光學模組的厚度更限制在7mm以內，對於需要勞力密集手工研磨與組裝的光學透鏡製造而言，實在是不是簡單的一項任務。為了量產的需求，大部分業者的手機取像鏡頭採用可以射出成形的塑膠材料來代替需要研磨的玻璃。然而，塑膠材質的折射率一般小於玻璃的折射率，折射率低則需採用較大的彎曲表面來補償，如此會引進較大的像差，非常不利於成像的品質。目前業者所推出的產品一般採用1G2P，一枚玻璃、二枚塑膠的組合來取的手機取像品質與製造成本的平衡。
相對照度指的是成像平面上沿光軸視場角與全視場角的照度比值，即影像感測器的對角線角落與中央照度的比值，此值受到照度的cos4θ定理之約制，在角落一定是單位面積的光通量流明數較低，但不要低到有暗角的現象，本取像鏡頭規格的最大視場角為27°，其cos4θ即已低到63%，所以此光學鏡頭的設計中不能還有漸暈vignetting的存在，設計的技巧及經驗都會影響設計的成果。圖2為光學取像鏡頭的示意圖，圖中Entrance pupil代表光闌Stop的位置，通過光闌中心的光線即是主光線Chief ray，圖2中最大視場角θ即是受到數位影像感測器CCD或CMOS對角線長之限制，影像感測器上的相對照度也是受到此最大視場角的 cos4θ約制。
　
圖2為光學取像鏡頭的光學參數示意圖。θ代表視場角，Φ代表Telcentric Angle。
　
由於影像感測器的每一個像素前都有一個凸透鏡，其目的為收集更多的光線進入感應光強度的感應區，所以通過光闌STOP的主光線入射影像檢測器時，其光線需與光軸呈現較為平行的遠心結構，其入射角Telcentric Angle需小於18°，即圖2中主光線與成像面的交角Φ。由於這個需求光欄的位置需要提前，使光學鏡片有空間可以來彎折光線，使光學系統呈遠心透鏡的結構。然而，光闌移到前面曲面後，破壞了光學系統的對稱性，會引進彗形象差Coma，光學設計者需要作其他的安排來平衡掉彗形象差。
再來看表一中最後一項畸變Distortion，人類的眼睛對角度的解析度為1分弧度角，約為1度的1/60，對線條的直與彎曲相當敏感。所以大多數的光學取像鏡頭對視場角上的放大率偏差非常在意，通常定為2%，且可接受-2%桶形的畸變，而不接受+2%枕形的畸變。
最後，一個光學取像鏡頭的品質可以用MTF調制轉換函數來作綜合的體檢表，他代表的是光學鏡頭性能在空間頻率域的反應。在低頻時，代表的是對輪廓的解析力。在高頻時，代表的是對人物係部表情的解析力。本取像鏡頭的規格必須能解析每個毫米178條黑白相間條的空間頻率，其相襯度、或對比度、或調制度達到0.4，不容易也!
將「鏡頭模組」與「影像感測器」組裝結合在一起，即是「數位取像模組」。圖3中由上而下各元件依序為防雜散光的防炫環、光學鏡頭、IR濾光鏡、影像感測器的蓋玻片、CMOS影像感測器。從鏡頭的第一面到成像面稱為Total Track，也就是光學鏡頭到影像感測器的距離，只能7.0 mm！
　
圖3 「數位取像模組」之剖面結構圖。
　
結語
百萬像素級的手機取像鏡頭模組是一科技發展的結晶，必須結合光學設計、薄膜蒸鍍、機構、模具、組裝校驗、電路控制、取像積體電路IC、影像感應器、儲存記憶體、甚至液晶顯示器等多元的技術與人才的結合，是非常精巧的智慧產品職的年輕人投入，了解其中的原理與特性，並開創自已的志業。在此要特別強調的是光學設計是整個取像模組的火車頭，是系統的先行者。光學系統的設計確定後，其他各組人馬自然會依序而發展。要學習光學設計一定要有工具，目前全世界通用的設計平台有Zemax、 Code V 、OSLO，各有所長，讀者可依自己條件擇一使用。（作者為台北科技大學光電研究所教師，台灣軟體模擬學會榮譽會員。)

作者: raylife 时间: 2005-6-15 17:21

非常感谢，只可惜没图
热切盼望中
谢谢!

作者: Daluo 时间: 2005-6-16 07:11

能打包一个文件就最好了

作者: jasontanfeng000 时间: 2005-6-16 18:46

178mm/pl是CCD的极限分辨率,镜头对178的MTF达到0.4有什么用?

作者: jackey_zhou 时间: 2005-12-13 17:48

偶正在搞手机模组,向大家学习!
178lp/mm是指CCD的极限分辨,也就是与之搭配的镜头中心视场的最低分辨率要求.那如果镜头的中心最高分辨率只有160lp/mm,那成像结果会是怎样呢?
请大家多指教!

作者: xiaoniu 时间: 2005-12-14 19:39
呵呵，了解了解，谢谢楼主！！

作者: boxinlove 时间: 2013-7-21 16:13
谢谢。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

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