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树脂微型定焦手机摄像镜头的光学设计

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摘要

随着科学技术的不断发展，光学摄像镜头被广泛应用于各种便携式电子装置，手机也进入拍照手机的时代，既实现拍照功能又携带方便，并且逐步代替了低端的数码相机，受到越来越多的消费者喜爱。手机正朝着超薄、微型化方向发展，相应的光学镜头体积也要求越来越小。在像质方面，镜头被要求实现更高分辨率及更好光学性能，而物体成像品质在很大程度上取决于光学镜头设计的优劣。本文在积累大量光学塑料、非球面以及图像传感器等知识的基础上，查阅国内外相关专利及文献，结合优化模拟实践，给出了微型光学定焦手机镜头设计的方法。本文对树脂微型定焦手机摄像镜头的设计与模拟作了详细的分析，并对其进行了改进和优化。
　　 本文首先详细地阐述手机镜头的发展历程，总结其未来发展趋势，并对微型光学定焦镜头的主要光学特性进行了介绍。
　　 其次，着重介绍了对于成像镜头设计很重要的三个方面。一是光学塑料，分别对光学塑料的种类、常见塑料的性质和光学塑料的优缺点作了深入的介绍和总结。二是非球面，首先介绍常用的二次曲面和高阶偶次非球面;接着分析了非球面对系统像差的校正作用;最后总结了光学系统引入非球面的利与弊。三是图像感测元件，分别介绍CCD和CMOS两种传感器结构和工作原理;并从几个不同方面讨论两者的差异;最后归纳了镜头与图像传感器的关系。
　　 接着对光学设计的过程以及设计的背景作了介绍。在光学设计的过程中，概括了初始结构的选择、光学自动化设计的原理及常见的公差等方面。在设计背景中，分别模拟和讨论一片式、两片式及三片式微型光学定焦镜头特点，并对其现状作了详细的说明。
　　 然后，本文主要创新工作为:在总结各种不同形式的微型光学定焦镜头的基础上，结合上述各种思想，运用光学设计软件CODEV，设计了四个优化实例，分别具有自身独特的优点，并给出详细的分析和完整的设计程序。
　　 第一款镜头相对于初始结构，成像质量更好;透镜均采用光学塑料材质，成本少，质量轻，且抗冲击性强;实现了较高的分辨率，可匹配1/5英寸300万像素的CMOS传感器。
　　 第二款镜头为光阑前置四片式成像镜头，根据该结构型式设计两款不同光圈值的成像镜头，相对于初始结构，系统的球差，像散及畸变均较小;有效地减小了主光线的出射角;相对孔径及视场角较大;透镜均采用光学塑料和非球面结构，能简化系统、减少生产成本，增强抗冲击性;实现了更高的分辨率，可匹配1/4英寸的800万像素的CMOS。
　　 第三款镜头相对于初始镜头，提高了像质;视场角和相对孔径较大;该镜头由5个透镜组成，均采用光学塑料材质，有助于减少生产成本和增强抗冲击性;同时，相对于传统五片式光学镜头，总长度较小;能够实现更高的分辨率，可匹配1/2.5英寸的1200万像素的CMOS。
　　 最后详细讨论光学定焦镜头的发展前景。

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