摄像模组光学基本知识

一光学基本知识及常见问题二光学制造三光学设计与光电产品开发摘要:一光学术语1焦距(FocalLength或EFFL)2相对孔径(FNo.)3视场角(FOV)4镜头总长和光学总长(TTL)5机械后焦(MBF)和光学后焦6最佳对焦距离和景深7光学畸变(Optdistortion)和TV畸变(TVdistortion8相对照度(Relativeillumination)9最大出射角(Maxchiefangle)10IRFilter(滤光片)11MTF12镜头生产周期13镜头常用镜片材质14关于镜头和SENSOR的匹配15关于低高度镜头及镀膜的作用是指一个光学系统从起像方主面到焦点间的距离,它反映了一个光学系统对物体聚焦的能力.(示意图如下页)1焦距(FocalLength或EFFL)焦点像方主面焦距镜头一个光学系统成像亮度指标,一般简称F数(如传统相机上所标识),在同样的光强度照射下,其数值越小,则像面越亮,其数值越大,则像面越暗.对于一般的成像光学系统来说,F2.8-3.2就比较合适,如果要求F数越小,则设计越难,结构越复杂,制造成本就越高.2相对孔径(FNo.):一个光学系统所能成像的角度范围.角度越大,则这个光学系统所能成像的范围越宽,反之则越窄.在实际产品当中,又有光学FOV和机械FOV之分,光学FOV是指SENSOR或胶片所能真正成像的有效FOV范围,机械FOV一般大于光学FOV,这是有其他考虑和用途,比如说需要用机械FOV来参考设计Module或者手机盖的通光孔直径大小.(示意图如下页)3视场角(FOV)Mech.FOV62.5°?0.72BImagePlaneIRF光学总长是指从系统第一个镜片表面到像面的距离;而镜头总长是指最前端表面(一般指Barrel表面)到像面(例如Sensor表面)的距离.一般来说,镜头太长或太短其设计都会变得困难,制造时对工艺要求较高.(示意图如下页,UNION的镜头规格书中图面所标注的E即为机械总长)4镜头总长和光学总长(TTL)C±0.1(atinfinite,air)BImagePlaneIRF光学总长机械后焦是指从镜头机械后端面到像面的距离,而光学后焦是指从镜头最后一个镜片的最后一面到像面的距离.它们两者的差别随不同光学系统的不同而不同.同时在光学行业内对光学后焦也有两种表达,联合光电目前采用光学后焦1的描述.(示意图如下页)5机械后焦(MBF)和光学后焦E（机械后焦）BImagePlaneIRF光学后焦（2）光学后焦（1）景深反映了一个光学系统对空间物体成像清晰程度.而最佳对焦距离是指一个光学系统景深最佳时的调焦距离,这里讲的最佳在实际应用时其实是相对而言的.对焦距离取决于使用者(客户或消费者)希望光学系统所能拍摄的距离范围.理论上的超焦距距离不一定是该镜头的最佳调焦距离.如果在最佳调焦距离调好焦以后,再确认远景和近景时,镜头的解像力理论上都会下降,故为达到一定的景深范围一定要选择合适的调焦距离.6最佳对焦距离和景深畸变是指光学系统对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度.光学畸变是指光学理论上计算所得到的变形度,TV畸变则是指实际拍摄图像时的变形程度,DC相机的标准是测量芯片(Sensor)短边处的变形.一般来说光学畸变不等于TV畸变,特别是对具有校正能力的芯片来说.畸变通常分两种:桶形畸变和枕形畸变.(示意图如下页)7光学畸变(Optdistortion)和TV畸变(TVdistortion)X100(%)(B+C)/2(B+C)/2-ATVDIST=枕形畸变桶形畸变它是指一个光学系统所成像在边缘处的亮度相对于中心区域亮度的比值,无单位.在实际测量的结果中,它不仅同光学系统本身有关,也同所使用的感光片(SENSOR)有关.同样的镜头用于不同的芯片可能会有不同的测量结果.关于镜头亮度的均匀性:从光学设计理论上讲,镜头周边照度相对中心一定会有下降．一般要求光学设计应达到50%以上.8相对照度(Relativeillumination又简写为RI):它是指光学系统(镜头)所能拍摄范围内的光(主光线)在通过光学系统(镜头)后到达像面(如SENSOR)时同像面所成的最大夹角.出射角越小设计越困难,相应的成本也会增加,镜头的总长也会相对变长.一般说来,要求镜头的CRA要小于SENSOR所要求的CRA,但考虑到SENSOR本身对CRA的要求也存在一定的公差,所以只要角度相差不大即可.9最大出射角(Maxchiefangle)它主要用于调整整个系统的色彩还原性.它往往随着芯片的不同而使用不同的波长范围,因为芯片对不同波长范围的光线其感应灵敏度不一样.一般说来,要求镜头的IRF截止波长要同SENSOR所要求的IRF截止波长相匹配,否则可能会出现色彩还原性不好.不过色彩还原性或偏色问题也同模组的软件调整有关系.10IRFilter(滤光片)它从一定程度上反映了一个光学系统对物体成像的分辨能力.一般来说,MTF越高,其分辨力越强,MTF越低,其分辨力越低.由于MTF也只是从一个角度来评价镜头的分辨率,也存在一些不足,故在目前的生产中,大多数还是以逆投影检查分辨为主.(示意图如下页)11MTFMTF的全称是调制传递函数,这是从光的波动理论发展而得到的一种描述光学系统分辨率的表达方式,其基本计算公司如下:S(V)=4/π{M(v)/1-M(v)/3+M(v)/5-M(v)/7+M(v)/9-M(v)/11+¨¨¨注:这里,S(V)issquavewaveresponse,M(v)isthesinuoidalmodulationresponse,andvisthespatialfrequency.关于MTF的计算:12产品开发及样品周期1)非球面镜片开模周期:一般为4-5星期;2)黑色部品模具周期:3-4星期.3)产品开发周期:模具+试作一般需要2个月.4)镜头样品生产周期:塑胶镜片成形时间一般为6-8个小时,镀膜5-6个小时,组立4-8个小时,检测及数据准备4-5个小时,所以在没有库存而模具又能够及时切换的情况下,从接到P/O或联络到样品完成最快需要3个工作日.目前常用镜片材质:塑胶镜片:ZENOEX,PC,PMMA玻璃镜片:国产环保材料库中的材料滤光片:K9/B27013镜头常用镜片材质关于镜头和SENSOR的匹配,一般需要考虑以下几个问题:1分辨率或者像素;2芯片大小和镜头像面大小;3镜头后焦及模组的封装方式.14关于镜头和SENSOR的匹配关于低高度镜头设计难点:1由于镜头高度很短,光路通过的路程短却要达到相同的成像效果,故对光学设计工程师的理论知识要求很高;2由于镜头很短,所有的光学零件都变得很薄,尤其是镜片,这时候起加工工艺性要求很高,要么没有量产性,要么加工成本非常高.15关于低高度镜头及镀膜的作用关于镀膜:镀膜的主要作用是提高镜头的透过率,使透过光学系统的能量最多,损失最小,所以一般在中高端的产品中都要求对镜片镀膜.镀膜品质的好坏取决与多个因素:a镀膜工程师的光学设计水平;b镀膜设备的性能;镀膜的材料;c镀膜的前工程处理等环节.