手机镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第82课
课程八十二：手机镜头设计
一.概述
随着智能手机的快速发展, 人们在追求高像素、高像质的拍照效果的同时对手机镜头的要求也不断提高。随着手机功能不断增加和越来越趋于轻薄化, 携带方便、功能齐全的智能手机大有取代低端数码相机的趋势。因此对于手机分辨率的要求也越来越高。
图一：常见手机镜头结构
早期的镜头都是由单片凸透镜所构成。因为清晰度不佳,又会产生像差，而被改良成复式透镜，即以多片正负透镜的组合，来纠正各种像差或色差。现在的镜头大部分都由若干片透镜组成，有塑胶透镜或玻璃透镜。塑胶透镜通常采用塑胶原料依靠模具注塑而成。玻璃透镜通常采用高质量的光学玻璃制成，透镜又分为非球面透镜和球面透镜两类。目前手机镜头构造有:1P、1G1P、2P、1G2P、3P等，这里的1P、1G1P等是摄像头里光学镜片材质及数量组成的描述。数字代表镜头数量，字母代表材质，如G是玻璃材质，效果较好，价格较高。P是塑料材质，效果一般，价格便宜。
二. 设计要求
光学塑料具有透光性好、重量轻、价格低等优点，手机镜头常用光学塑料作为透镜材料。现在我们需要设计一个6片塑料非球面+1片保护玻璃的手机镜头，具体要求如下：
F/数=2
波长在486 nm, 587 nm, 656 nm
焦距5.58mm，半视场角35°
相对照度﹥40%
畸变<2%
像元尺寸5um对应奈奎斯特频率处100cy/mm，全视场MTF﹥0.2
第一表面到像面距离6.5mm
半像高3.905mm
摄像模块总长度较短，避免从手机机身突出。
三. 6P镜头
初始结构通常采用计算法或者查找专利获取。本例采用Synopsys中的DSEARCH功能对于手机镜头进行仿真，读者感兴趣的也可以参考国外专利镜头，并对镜头进行一定的优化，以达到仿真效果。
进行DSEARCH的搜索，得到如下十个结构，选取一个较好的结构如图所示。
初始宏文件
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查看镜头结构数据表，发现镜头最低厚度被限制在1mm，作为一个手机镜头这并不是很合理。
使用TLIMIT命令以及SLIMIT命令重新设置最小值，再度交给DESEARCH进行搜索，DESEARCH搜索会出现个别镜面之间出现重叠，应避免使用这种结构。获得如下的结构：
查看数据表，厚度得以优化。
由光扇图可知，镜头仍具有较大的像差，使用DESEARCH自动生成的优化宏对镜头进行优化，并模拟退火（50，2，50）。
优化后的结构如图所示:
查看镜头的MTF图：
可以看到MTF满足全视场大于0.2，接着查看相对照度与畸变。
相对照度与畸变与畸变也都满足了设计需求。
