高分辨率手機鏡頭精密組裝多光軸聚焦鏡頭設(shè)計

　　摘 要：為解決玻塑混合高分辨率手機鏡頭制造中，玻璃鏡片與塑料鏡組在組裝時存在的位置敏感、效率和良品率低等問題，基于多點式無限共軛調(diào)制傳遞函數(shù)測量的實時反饋對準(zhǔn)與組裝方法成為優(yōu)選方案。作為調(diào)制傳遞函數(shù)系統(tǒng)圖案采集的關(guān)鍵成像元件，多光軸聚焦鏡頭的各項性能在保證測量準(zhǔn)確性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過建立多光軸聚焦鏡頭性能指標(biāo)與待組裝手機鏡頭光學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，采用 ZEMAX 仿真軟件進行光學(xué)系統(tǒng)的多重結(jié)構(gòu)設(shè)置與像差優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的聚焦鏡頭體積小、緊湊，對應(yīng)的子午和弧矢方向調(diào)制傳遞函數(shù)曲線均幾乎與衍射極限重合，可靈活用于最大視場角 106°，最高像素 4 800 萬手機鏡頭的多視場點調(diào)制傳遞函數(shù)測量及精密組裝。

　　關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計;無限共軛調(diào)制傳遞函數(shù);精密測量;鏡頭組裝;多光軸成像

　　陳方涵; 趙光宇; 張曉梅; 蔣仕龍; 溫志剛 光子學(xué)報 2021-12-21

　　0 引言

　　高分辨率手機鏡頭作為高品質(zhì)攝像的重要光學(xué)元件，不僅要配合高像素圖像傳感器清晰成像，還要滿足不同場景下的長焦，廣角和超廣角功能需求。目前手機鏡頭大多采用純塑料鏡片組裝而成，由于塑料材質(zhì)在像差校正中存在一定局限性，因此像素越高的鏡頭所含的鏡片數(shù)越多[1-2]，現(xiàn)已達(dá)到 7P 及 8P 以上。然而，鏡片數(shù)越多就意味著鏡頭總長增加，不符合超薄手機的發(fā)展趨勢，從而促使純塑料鏡頭朝著 1GNP 的玻塑混合鏡頭發(fā)展，即 1 片玻璃鏡片與 N 片塑料鏡片組成的鏡頭設(shè)計方案。該方案充分利用玻璃較塑料材質(zhì)在色散和折射率上的優(yōu)勢，可使用更少的鏡片數(shù)實現(xiàn)純塑料鏡頭同等程度的像差校正能力，縮短鏡頭長度。通常遠(yuǎn)離傳感芯片的首片鏡片采用玻璃材質(zhì)，靠近傳感芯片的 N 片鏡組為塑料材質(zhì)。然而對手機鏡頭而言，玻璃鏡片的加工工藝較塑料鏡片更為復(fù)雜，產(chǎn)量低、成本高，使得混合材料鏡頭的組裝工藝有別于全塑料鏡頭[3-4]。不同于全塑料鏡頭多鏡片依次組立的組裝方式，混合式鏡頭首先采用傳統(tǒng)方法將靠近傳感芯片的 N 片鏡片依次組立于鏡筒中;然后將單玻璃鏡片與鏡筒進行對準(zhǔn)后，將兩者以膠合的方式通過鏡筒的機械端面完成一體化組裝。由于高端鏡頭的像差對位置公差更為敏感，鏡片和鏡筒在組裝過程中存在的任何細(xì)小偏差，如點膠量不當(dāng)或?qū)?zhǔn)位置不當(dāng)?shù)榷紩?dǎo)致兩者之間的偏心量或傾斜量等超出公差范圍，惡化鏡頭像質(zhì)。若在組裝完成之后的檢測環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)像質(zhì)不合格，則會加劇降低小尺寸玻璃鏡片本就不高的生產(chǎn)利用率和手機鏡頭的良品率，進一步增加鏡頭制造成本。因此，在組裝過程中快速獲知鏡頭像質(zhì)并根據(jù)像質(zhì)實時調(diào)整鏡頭空間位姿，對高端鏡頭生產(chǎn)工藝的優(yōu)化與升級至關(guān)重要。

　　調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function，MTF)因能客觀、定量地反映光學(xué)系統(tǒng)的像差，成為鏡頭品質(zhì)保障的可靠手段[5]。尤其是隨著大容量高速數(shù)字計算機的發(fā)展和高精度光電測試技術(shù)的改進，該方法已有效實現(xiàn)數(shù)字化與高速測量，被廣泛用于高端手機鏡頭的像質(zhì)檢測[6-7]。由于混合鏡頭中鏡片和鏡筒的組裝效果最終會通過后續(xù)的 MTF 測量環(huán)節(jié)進行判定，為提高效率，降低成本，可將鏡頭組裝與像質(zhì)檢測兩個環(huán)節(jié)合二為一。借助高精度 MTF 的實時分析結(jié)果，快速調(diào)整鏡頭至最優(yōu)空間位置，以實現(xiàn)高效精密對準(zhǔn)與組裝。對鏡頭精密組裝工藝而言，高精度無限共軛 MTF 快速測量是實施的重要前提。快速 MTF 測量源于對指定分劃圖案的計算與分析[8]，典型的光學(xué)鏡頭無限共軛快速 MTF 測量系統(tǒng)，由分劃圖案、待測(組裝)鏡頭(Lens Under Test，LUT)、聚焦鏡頭和成像芯片組成。其中，分劃圖案位于 LUT 焦平面處，而聚焦鏡頭負(fù)責(zé)將經(jīng) LUT 后的無窮遠(yuǎn)分劃圖案像放大后匯聚于成像芯片上進行 MTF 計算。即成像芯片接收的用于計算 LUT 各視場點 MTF 的分劃像是經(jīng) LUT 和聚焦鏡頭共同作用的結(jié)果。

　　由于在高分辨率鏡頭精密組裝中，根據(jù)分劃像計算的 MTF 曲線要具有能反映鏡片與鏡筒敏感位置變化的能力，聚焦鏡頭自身的像差必須嚴(yán)格校正，以減少待組裝鏡頭 MTF 的誤差來源。因此，具有與 LUT 同等分辨率的高品質(zhì)聚焦鏡頭成為保證精密組裝實現(xiàn)的關(guān)鍵組成。然而，手機鏡頭尺寸雖小，但分辨率高且光圈和視場角都較大，為快速測量 LUT 整個分劃視場內(nèi)軸上與軸外點的 MTF，聚焦鏡頭的口徑也隨之增大。不僅為像差校正帶來困難，而且過大的體積還會帶來空間、加工、裝配及成本等一系列問題。為在有限空間內(nèi)實現(xiàn)大視場高分辨率的分劃圖案成像與采集，國外的先進設(shè)備率先在光路結(jié)構(gòu)上進行了改進，將傳統(tǒng)大孔徑聚焦鏡頭全視場成像功能離散化，利用多光軸聚焦鏡頭的光學(xué)布局靈活采集多個不同視場點的分劃像，同時計算軸上和軸外 MTF[9-10]。代表產(chǎn)品為德國全歐光學(xué)的 ImageMaster PRO 系列，由于其中涉及高分辨率成像、精密運動控制及先進分析算法等多個關(guān)鍵技術(shù)，價格昂貴;但測量精度高，重復(fù)性好，占據(jù)了超七成的市場份額，適合手機鏡頭大批量在線無限共軛 MTF 測量與精密組裝。國內(nèi)為實現(xiàn)批量化的手機鏡頭無限共軛快速 MTF 測量，也有少量采用多光軸聚焦鏡頭布局的研究積累，但主要側(cè)重于機構(gòu)的實現(xiàn)與優(yōu)化[11-12]，而分劃成像所采用的聚焦鏡頭幾乎為商用的 FA 系列鏡頭。其不足之處在于商用鏡頭的光學(xué)和體積參數(shù)不能充分匹配待組裝鏡頭的各項需求，使得 MTF 測量精度和測量視場點數(shù)量均有限，難以滿足高品質(zhì)鏡頭的檢測和組裝需求。

　　多光軸聚焦鏡頭光學(xué)布局及設(shè)計源于大視場圖像拼接應(yīng)用中的高分辨率多相機圖像采集技術(shù)[13-15]。為自主掌握高精度 MTF 先進測量及精密組裝技術(shù)，本文從大視場分劃圖案高分辨率成像關(guān)鍵技術(shù)研究入手，基于多點采集光路結(jié)構(gòu)，針對行業(yè)的具體應(yīng)用需求設(shè)計適用于高分辨率手機鏡頭無限共軛快速 MTF 測量的緊湊型多光軸聚焦鏡頭光學(xué)系統(tǒng)，促進高端鏡頭組裝與檢測工藝朝著更精密與更智能的方向發(fā)展。

　　1 多點式無限共軛快速 MTF 測量光學(xué)系統(tǒng)

　　無限共軛快速 MTF 測量系統(tǒng)中的多點式光學(xué)布局利用多個子聚焦鏡頭和成像芯片分布，在有限空間內(nèi)同時采集待組裝鏡頭多個不同位置視場點的分劃像，快速計算軸上與軸外點 MTF，光路示意圖如圖 1(a)。與圖 1(b)所示的采用單個聚焦鏡頭的典型無限共軛 MTF 測量示意圖相同，多點式光學(xué)布局中分劃圖案仍位于 LUT 后焦平面處;與之不同的是，經(jīng) LUT 后不同視場點對應(yīng)的無限遠(yuǎn)分劃像由多個子聚焦鏡頭與成像芯片分別同時獲取，各成像芯片分別位于對應(yīng)聚焦鏡頭的焦平面處。采集的各分劃像的對比度與清晰度受 LUT 與各子聚焦鏡頭一體化光學(xué)系統(tǒng)共同調(diào)制。其中，與 LUT 共軸的子聚焦鏡頭一體化系統(tǒng)負(fù)責(zé)分劃軸上視場點的 MTF 計算，其余與 LUT 光軸存在一定傾角 ω 的子聚焦鏡頭一體化系統(tǒng)則負(fù)責(zé)軸外視場點的 MTF 計算。

　　在多點式布局中，聚焦鏡頭的角度分布參數(shù) ω 與 LUT 視場角 θ 存在對應(yīng)關(guān)系 tanθ = tanω = y 2f 'LUT (1)因此，在保持工作距離 L 不變時，僅通過調(diào)整子聚焦鏡頭的角度 ω 為 ω = arctan ( y 2f 'LUT ) (2)便可完成 LUT 任意視場位置 y 的 MTF 測量。從而將圖 1(b)中大尺寸的聚焦鏡頭轉(zhuǎn)換為多個可靈活調(diào)整的小尺寸子鏡頭，獲取整個視場的 MTF 信息。理論上光學(xué)鏡頭為旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)，為保證手機鏡頭像質(zhì)，測量其中心視場，0.5 視場和 0.8 視場三點的 MTF 即可。然而實際的待測鏡頭并非旋轉(zhuǎn)對稱，按照對稱原則僅測四分之一視場區(qū)域的 MTF 會遺漏整個視場的像質(zhì)信息，因此為快速準(zhǔn)確把控整個視場的 LUT 成像品質(zhì)，至少需要九個均勻分布的子聚焦鏡頭同時測量九個視場點的 MTF。其中軸上視場點一個，0.5 和 0.8 視場分別四個，如圖 2。必要時還可根據(jù)鏡頭品質(zhì)檢測要求的提升，將九點增加至十三點甚至更多視場 點 的 MTF 測 量 。 為 靈 活 適 用 于 不 同 數(shù) 量 的 多 視 場 點 測 量 應(yīng) 用 ，各 聚 焦 鏡 頭 必 須 具 有 小 型 緊 湊 的特點。

　　2 多光軸聚焦透鏡設(shè)計 2.1 主要設(shè)計參數(shù)計算

　　廣角及超廣角高分辨率手機鏡頭的視場角范圍約 2θ=78°~106°，對應(yīng)的焦距 f 'LUT 介于 3~6 mm 之間。為解決因視場過大引起的軸外視場能量不足問題，F(xiàn) 數(shù)一般控制在 2 左右。決定圖像清晰度的光學(xué)鏡頭分辨率與接觸式圖像傳感器(Compact Image Sensor，CIS)的像素尺寸有關(guān)。從表 1 給出的分辨率 800 萬到 4 800 萬的 CIS 參數(shù)可知，其像素數(shù)提升主要表現(xiàn)在芯片尺寸和像素大小的交替升級上，即像素尺寸不變時增大芯片尺寸，或芯片尺寸變化不大時縮小像素尺寸。其中，最高像素 4 800 萬 CIS 芯片的對角線最長，為 1/2 英寸(1 英寸=16 毫米);且像素尺寸僅為0.8 μm，對應(yīng)的空間頻率高達(dá)625 lp/mm。

　　為提高多點式 MTF 測量系統(tǒng)通用性，兼容多種高端規(guī)格手機鏡頭的應(yīng)用需求，多光軸聚焦鏡頭的設(shè)計指標(biāo)均對標(biāo)手機鏡頭相關(guān)參數(shù)的上限值。聚焦鏡頭的主要設(shè)計指標(biāo)包括傾角 ω，焦距 f '，鏡頭口徑 D 以及分辨率。根據(jù)手機鏡頭的最大視場角，可確定傾角 ω = θmax = 53° ;分辨率最高可匹配 CIS 芯片最小像素尺寸 0.8 μm 的成像需求。其余各指標(biāo)則需與 LUT 進行系統(tǒng)性計算。假設(shè)分劃圖案線寬為 σ o，成像芯片像素間隔為 σi，為保留用于 MTF 計算的平滑邊緣信息，像方采樣頻率至少為物方的四倍，則系統(tǒng)放大倍率為 βc = 4? σi σ o (3)從而可計算聚焦鏡頭的焦距 f '= βc ?f 'LUT (4)由式(3)和式(4)可知，多光軸聚焦鏡的焦距與圖像傳感芯片的選取密不可分。綜合圖像采集速度和精度兩個重要因素，設(shè)計采用六百萬像素的 1/1.8 英寸 CMOS 作為成像芯片，其像素分辨率為 3 072× 2 048，像素尺寸 2.4 μm×2.4 μm。因此，要檢測最高像素 48M 像素的手機鏡頭，聚焦鏡頭焦距至少應(yīng)為 12 倍 LUT 的焦距，即4 800 萬像素鏡頭通常對應(yīng)的焦距不超過 5.8 mm，因此 f '不超過 69.6 mm，設(shè)計時取 f '= 70 mm。考慮到系統(tǒng)檢測靈活性和成本等因素，各子鏡頭應(yīng)可復(fù)用。此外，為實現(xiàn)鏡頭小型化，在有限空間內(nèi)靈活增減 MTF 測量點數(shù)量，在滿足 LUT 的 F 數(shù)(F≤2)和一定工作距離 L 的前提下應(yīng)盡量減小鏡頭口徑 D 與光學(xué)長度 d(鏡頭第一面到像面之間的距離)。為減少聚焦鏡頭本身像差對一體化系統(tǒng)總體 MTF 的測量結(jié)果，影響 LUT MTF 分析的準(zhǔn)確性，聚焦鏡頭的 MTF 曲線要接近衍射極限。綜合實際應(yīng)用需求與相應(yīng)計算 結(jié) 果 后 ，高 分 辨 率 多 光 軸 聚 焦 鏡 頭 光 學(xué) 系 統(tǒng) 設(shè) 計 參 數(shù) 為 ：1)波 長 范 圍 ：可 見 光 波 段 ;2)焦 距 ： f '= 70 mm;3)工作距離：L=70 mm;4)鏡頭口徑：D≤20 mm;5)鏡頭光學(xué)長度：d≤50 mm;6)傾角： ω max = 53°;7)像差評估標(biāo)準(zhǔn)：MTF 接近衍射極限。

　　2.2 設(shè)計結(jié)果

　　各聚焦鏡頭與待組裝鏡頭 L1，2 為一體化成像光學(xué)系統(tǒng)，分別采集不同視場點的分劃像。在利用 ZEMAX 建立光學(xué)模型時，首先假設(shè) L1，2 是理想光學(xué)系統(tǒng)，以此為基礎(chǔ)校正聚焦鏡頭的像差。由于聚焦鏡頭采集視場的最大傾角 ω max = 53°，以對角線為 1/2 英寸的 48M 像素的 CIS 芯片計算，即 y = 8 mm 時對應(yīng)的 L1，2 焦距 f '1，2 約為 3 mm。為避免遮擋光闌，一體化系統(tǒng)中 L1，2 位置處的光闌直徑應(yīng)大于實際鏡頭的數(shù)值。為兼顧 f '1，2 = 6 mm 時光圈數(shù) F=1.8 的對應(yīng)的大光闌尺寸，取 L1，2 處的孔徑光闌直徑 D1，2 = 4 mm。聚焦鏡頭的焦距 f '= 70 mm，對手機鏡頭而言屬于長焦攝遠(yuǎn)鏡頭，采用前正后負(fù)的透鏡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)緊湊光路設(shè)計。論文采用四片式初始結(jié)構(gòu)，前兩片為正組，后兩片為負(fù)組，光路圖如圖 3。但初始結(jié)構(gòu)后截距較長，導(dǎo)致光學(xué)長度約 87.5 mm，不滿足設(shè)計要求。因此，需基于初始結(jié)構(gòu)將其與 L1，2 進行軸上視場一體化設(shè)置與像差校正，并將光學(xué)長度控制在 50 mm 以內(nèi)。由于光學(xué)設(shè)計的前提是 L1，2 為理想薄透鏡，不存在像差，因此一體化系統(tǒng)的像差校正結(jié)果反映的是聚焦鏡頭的像差校正情況。像差校正后的一體化系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，兩者之間的間隔滿足工作距離 L=70 mm 的要求。聚焦鏡頭的第一片透鏡由初始結(jié)構(gòu)的單透鏡調(diào)整為雙膠合，系統(tǒng) MTF 和畸變像差曲線如圖 5 所示。設(shè)計結(jié)果表明，聚焦鏡頭的 MTF 曲線幾乎與衍射重合，畸變在 0.1% 以內(nèi)。并且鏡頭最大口徑約為 15 mm，后截距縮短為 17.5 mm，使光學(xué)長度約 49 mm，實現(xiàn)了緊湊型設(shè)計。

　　為使聚焦鏡在存在大傾角時實現(xiàn)大視場 MTF 測量，需在軸上一體化光路設(shè)計的基礎(chǔ)上設(shè)置角度的多重結(jié)構(gòu)參數(shù)進行全視場成像評估。設(shè)置時保持 L1，2 與聚焦鏡頭間距 L 不變，根據(jù)不同視場點位置 y改變多光軸空間位置參數(shù)即可。圖 6 所示為 L=70 mm，f '1，2 = 3 mm，y = 8 mm 時，九點式多重結(jié)構(gòu)光路俯視圖。圖 6 中含有 S1~S9 九個聚焦鏡頭成像系統(tǒng)，S1 的傾角 ω = 0°，負(fù)責(zé)中心視場點;S2~S5 的傾角 ω = 33.7°，負(fù)責(zé)對稱的四個 0.5 視場點;S6~S9 的傾角 ω = 53°，負(fù)責(zé)對稱的四個全視場點。對于 f 'LUT = 3 mm，物方分辨率 625 lp/ mm 的待組 裝 鏡 頭 ，對 應(yīng) 的 像 方 MTF 曲 線 截 止 頻 率 約 為 54 lp/mm，圖 7 分 別 給 出 了 基 于 多 重 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 置 與 優(yōu) 化后，L1，2 與聚焦鏡頭一體化系統(tǒng)在該截止頻率處不同視場點位置的 MTF 曲線。圖 7(a)為 ω=0°時的軸上視場點 MTF 曲線，在截止頻率 54 lp/mm 處，子午與弧矢方向衍射極限的 MTF 值均約 0.3。優(yōu)化后的聚焦鏡頭在該截止頻率處的子午與弧矢方向的 MTF 值 也 均 大 于 0.3，MTF 曲 線 幾 乎 與 衍 射 極 限 重 合 。 7(b)和(c)分別為傾角為 ω = 33.7° 和 ω = 53° 時軸外視場聚焦鏡頭在截止頻率 54 lp/mm 處的 MTF 曲線。當(dāng)傾角 ω = 33.7° 時，截止頻率處子午和弧矢方向的衍射極限均約為 0.28;優(yōu)化后的聚焦鏡頭在該截止頻率處對應(yīng)的子午和弧矢方向的 MTF 值也在 0.28 左右，與衍射極限接近或重合。當(dāng)傾角 ω = 53° 時，截止頻率處子午和弧矢方向衍射極限均約 0.2;優(yōu)化后的聚焦鏡頭在該截止頻率處對應(yīng)的子午和弧矢方向的 MTF 值也在 0.2 左右，與衍射極限接近或重合。即待組裝鏡頭九個視場點位置經(jīng)聚焦鏡頭成像后，在截止頻率處的子午和弧矢 MTF 值均幾乎與對應(yīng)的衍射極限重合。因此，優(yōu)化后的聚焦鏡頭在低頻、中頻和高頻都具有良好的成像效果，理論上可滿足待組裝鏡頭的 MTF 測量與組裝需求。

　　3 結(jié)論

　　高端手機鏡頭的制造需要先進的生產(chǎn)工藝作為技術(shù)支撐。為解決高分辨率玻塑混合鏡頭在組裝中精度和效率不足等實際問題，本文采用多點式無限共軛 MTF 檢測與組裝相結(jié)合的方式，針對多光軸聚焦鏡頭在手機鏡頭精密組裝與測量中的作用，按應(yīng)用要求對其進行系統(tǒng)性參數(shù)計算與緊湊型光學(xué)設(shè)計。建立手機鏡頭與多光軸聚焦鏡頭兩者光學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，以滿足最高 4 800 萬像素，最大視場角 106°手機鏡頭的組裝需求為限，采用四片式光學(xué)結(jié)構(gòu)進行聚焦鏡頭的像差優(yōu)化以及九個視場點的一體化成像質(zhì)量評估。設(shè)計與評估結(jié)果表明，優(yōu)化后的聚焦鏡頭小型緊湊，在工作距離 70 mm 處，鏡頭口徑小于 15 mm，光學(xué)長度小于 50 mm，滿足設(shè)計要求;且各視場點聚焦鏡頭的子午和弧矢方向 MTF 曲線均與對應(yīng)的衍射極限接近或重合，最大程度減少了因聚焦鏡頭自身像差校正不足導(dǎo)致的對手機鏡頭 MTF 計算與組裝精度的影響，從而保證手機鏡頭精密組裝位置反饋數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。