1st: PDA設備-手機鏡頭的光學設計起步
專欄開篇前言：
PDA設備，Personal Digital Assistants，包括筆記本電腦、手機、以及目前火熱的各種智能終端。而且鑒於目前車載光學設備也越來越火熱，後面也將車載類型的光學設備歸於本專欄。
由於這些攜帶型電子設備體積要求越來越小，像素分辨力要求越來越高（都是消費者盲目追求像素導致的），推動了超緊湊塑料注塑鏡頭的迅猛發展。
我也湊這個風頭，在知乎開個專欄，介紹下時下流行的各種PDA、車載和其他用途的光學系統的ZEMAX設計流程和方法。
——————以下正文——————
第一篇：緊湊型攝影鏡頭設計起步
Keywords: PDA Imaging Lens, Smart Phone Imaging Lens, Compact Low-cost Imaging Lens, ZEMAX Optical Design
手機鏡頭模組典型供應商：
- 鏡頭模組：日本-KANTATSU、台灣-LARGAN、內地-舜宇；
- CMOS供應商：SONY、SUMSUNG、OV (OmniVision)；*具體信息可參考上述公司網站。
光學基本結構：(如下圖5P鏡頭Layout所示)
1. 孔徑光闌：現在主流的5/6/7P鏡頭模組的光闌大部分由外部模組結構件包圍第一片鏡片（前/後表面）形成；
2. 鏡片組： 鏡頭主要光學結構。鏡片以注塑鏡片為主，也有玻璃鏡片+注塑鏡片的形式； *常規的冷加工玻璃球面鏡片無法在滿足總長的前提下保證像質，模壓玻璃非球面又很難實現如下圖最右側的M型鏡片，加之消費級鏡頭的成本控制。因此，必須走到高精度注塑鏡片這步。 *但塑料的光學均勻性、物化性能目前還與玻璃材料有差距，這也是玻璃+注塑形式一直在研究探討的原因。3. IR Filter：N-BK7基底紅外截止膜片，濾除紅外波段以免影響可見光成像；4. CMOS/CCD探測面：感光元件，也就是一般消費者口中「像素」的來歷；
主要性能要求：
- 視場：30°~36° 1/2 FOV ；
- 鏡頭總長：主流<4mm，當然肯定是越小越好；
- F#：2.0~2.9
- 畸變：<2%
- MTF：>0.3 @250lp/mm
- 漸暈：>20% Full Field
- CMOS匹配參數：像面尺寸、像元大小——EFL、BFL、Spot Radius匹配
光學設計的靈魂——材料選擇：記得應該是大神Milton Laikin在LENS DESIGN的著作中提到過：玻璃材料的選擇是最觸及光學設計靈魂的時刻。
主流光學塑料廠商：
1. 日本大阪氣體化學—OKP系列：是設計中逃不掉的高折射率高色散材料；2. 日本ZEONEX—COP：常用光學塑料折射率色散性能；3. 日本三井化學APEL—COC：常用光學塑料折射率色散性能；*以上光學塑料的光學特性可參見各家官網主流低溫模壓玻璃廠商：
1. 成都光明、新華光：也是國內常用的兩家光學玻璃供應商；
2. 國外：Schott、Sumita、Ohara、Hoya等之前做玻璃的基本都有自家的低溫模壓玻璃，同樣的大多牌號可由國產替代；ZEMAX模擬起步：
以下以台灣大立光美國專利[1]中的一款6P鏡頭為例學習ZEMAX模擬起步。
* 其實大家應該明白，良好的光學結構初始解不但是我們起步的不二法門，經常是抄著抄著就會了…手動尷尬* 同時也是鍛煉光學設計Trouble Shooting的試金石啊。這次正好手賤，截圖選中的例子就是大起大落的實例……文獻中鏡頭形態如下圖：
鏡頭光學性能如下圖：
對應鏡頭數據如下圖所示：
- 由焦距，FNO計算EPD≈1.47mm，輸入ZEMAX；
2. 由HFOV=29，添加所需控制的Field；
3. Wavelength選擇可見光成像的F/C/d；
4. 把前面的鏡片數據都敲進LDE里，然後點2D Layout看一眼成果：
5. 卧槽…這Layout看著就不對啊！下面EFL也不對啊！BFL也不對啊！
頓時心中默念：是不是我敲錯了？肯定不是，我是個嚴謹的攻城獅！
藉助文獻中每片的FL值，使用EFLY進行初步排查； 第6片FL由標稱的9.5變成了模型中的-2.36，第12面應該沒問題，第13面Radius起碼應該是個負值，FL才能差不多到9.5吧…
先隨手把這個Radius改成-4，全部更新之後看下Layout，系統向reasonable的方向發展，極大可能就是專利里把這個Radius敲錯了：
6. 以Surf13-Radius為變數，以第6片焦距為評價優化，得到可靠的Surf13-Radius如下。同時從Layout能感覺到此時的像質應該不錯了，數據中僅此一個錯誤。
7. 進一步檢查Distortion-畸變、Field Curve-場曲、Longitudinal Aberration-軸向像差、MTF與Spot Radius。可見與文獻中性能圖一致。
且不得不讚歎，除了畸變稍微大一點點之外~3%，像質真心好啊！300線的MTF都能在0.3以上，接近衍射極限啊！RMS Spot控制的也很棒！大立光的確挺牛的是吧。
Glass改為實際的光學塑料：
值的提前說明的是：光學塑料同模壓玻璃一樣，其受熱成型過程中光學特性會發生變化，所以廠家提供的光學參數與成型後的材料參數總有些許差別，很多時候就需要通過成型後的材料特性來事先優化面型數據。此時先以ZEMAX中各廠家標稱的材料參數來演示實例。
文獻中的兩款材料分別使用如下材料：
1.544, 55.9 = 三井APEL的APL5514ML 1.64, 23.3 = 大阪家的OKP-1替換玻璃材料後的系統性能如下（此步時並未優化任何參數）：
可以看到，所有的光學性能與之前基本一致，像質仍然十分棒！（結構形式不變漸暈不變）
這是最高興的地方，不用進一步折騰優化了。這也正好是本專欄第一個簡單的入手ZEMAX模型。* 最後說一句，這個鏡頭的HFOV像高只有2mm，所以對應的CMOS應該不是13MP以上的CMOS，但是可以作為前置7MP CMOS的鏡頭。
References:1. US Patent: US20180180857A1——————我開公眾號啦！——————
喜歡的話可以掃下面二維碼加我新開的 微信公眾號「小光光學」 哦，我會定期/不定期分享光學設計教程、文獻等有意義的消息哦。當然有私活兒的話也可以在公眾號里點擊「有活找我」來獲得我的聯繫方式哦！
最後還是提一句，歡迎付費諮詢，歡迎給我拉光學設計私活兒，錢啥的好說。聯繫方式在公眾號里啦。
下期再見啦。
By Xiao.
未經允許禁止轉載！
推薦閱讀：
