攝像模組光學基本知識

1、一 光學基本知識及常見問題 二 光學制造 三 光學設計與光電產品開發(fā),摘要:,一 光學術語 1 焦距(Focal Length或EFFL) 2 相對孔徑(FNo.) 3 視場角(FOV) 4 鏡頭總長和光學總長(TTL) 5 機械后焦(MBF)和光學后焦 6 最佳對焦距離和景深 7 光學畸變(Opt distortion)和TV畸變(TV distortion,,8 相對照度(Re

2、lative illumination) 9 最大出射角(Max chief angle) 10 IR Filter(濾光片) 11 MTF 12 鏡頭生產周期 13 鏡頭常用鏡片材質 14 關于鏡頭和SENSOR的匹配 15 關于低高度鏡頭及鍍膜的作用,,是指一個光學系統(tǒng)從起像方主面到焦點間的距離, 它反映了一個光學系統(tǒng)對物體聚焦的能力. (示意圖如下頁),1 焦距(Focal Length或EFFL),,一個光

3、學系統(tǒng)成像亮度指標, 一般簡稱F數(shù)(如傳統(tǒng)相機上所標識), 在同樣的光強度照射下, 其數(shù)值越小, 則像面越亮, 其數(shù)值越大, 則像面越暗. 對于一般的成像光學系統(tǒng)來說, F2.8-3.2就比較合適, 如果要求F數(shù)越小, 則設計越難, 結構越復雜, 制造成本就越高.,2 相對孔徑(FNo.):,一個光學系統(tǒng)所能成像的角度范圍. 角度越大, 則這個光學系統(tǒng)所能成像的范圍越寬, 反之則越窄. 在實際產品當中, 又有光學FOV和機械FOV之分,

4、 光學FOV是指SENSOR或膠片所能真正成像的有效FOV范圍, 機械FOV一般大于光學FOV, 這是有其他考慮和用途, 比如說需要用機械FOV來參考設計Module或者手機蓋的通光孔直徑大小. (示意圖如下頁),3 視場角(FOV),,光學總長是指從系統(tǒng)第一個鏡片表面到像面的距離; 而鏡頭總長是指最前端表面(一般指Barrel表面)到像面(例如Sensor表面)的距離.一般來說, 鏡頭太長或太短其設計都會變得困難, 制造時對工藝要求較

5、高. (示意圖如下頁, UNION的鏡頭規(guī)格書中圖面所標注的E即為機械總長),4 鏡頭總長和光學總長(TTL),,機械后焦是指從鏡頭機械后端面到像面的距離, 而光學后焦是指從鏡頭最后一個鏡片的最后一面到像面的距離. 它們兩者的差別隨不同光學系統(tǒng)的不同而不同. 同時在光學行業(yè)內對光學后焦也有兩種表達, 聯(lián)合光電目前采用光學后焦1的描述. (示意圖如下頁),5 機械后焦(MBF)和光學后焦,,景深反映了一個光學系統(tǒng)對空間物體成像清晰程

6、度.而最佳對焦距離是指一個光學系統(tǒng)景深最佳時的調焦距離, 這里講的最佳在實際應用時其實是相對而言的. 對焦距離取決于使用者(客戶或消費者)希望光學系統(tǒng)所能拍攝的距離范圍. 理論上的超焦距距離不一定是該鏡頭的最佳調焦距離. 如果在最佳調焦距離調好焦以后, 再確認遠景和近景時, 鏡頭的解像力理論上都會下降, 故為達到一定的景深范圍一定要選擇合適的調焦距離.,6 最佳對焦距離和景深,畸變是指光學系統(tǒng)對物體所成的像

7、相對于物體本身而言的失真程度.光學畸變是指光學理論上計算所得到的變形度, TV畸變則是指實際拍攝圖像時的變形程度, DC相機的標準是測量芯片(Sensor)短邊處的變形.一般來說光學畸變不等于TV畸變, 特別是對具有校正能力的芯片來說. 畸變通常分兩種: 桶形畸變和枕形畸變. (示意圖如下頁),7 光學畸變(Opt distortion)和TV畸變(TV distortion),,它是指一個光學系統(tǒng)所成像在邊緣處的亮度相對于中心區(qū)域

8、亮度的比值, 無單位. 在實際測量的結果中, 它不僅同光學系統(tǒng)本身有關, 也同所使用的感光片(SENSOR)有關. 同樣的鏡頭用于不同的芯片可能會有不同的測量結果. 關于鏡頭亮度的均勻性: 從光學設計理論上講, 鏡頭周邊照度相對中心一定會有下降．一般要求光學設計應達到50%以上.,8 相對照度(Relative illumination又簡寫為RI):,它是指光學系統(tǒng)(鏡頭)所能拍攝范圍內的光(主光線)在通過光學系統(tǒng)(鏡

9、頭)后到達像面(如SENSOR)時同像面所成的最大夾角. 出射角越小設計越困難,相應的成本也會增加, 鏡頭的總長也會相對變長. 一般說來, 要求鏡頭的CRA要小于SENSOR所要求的CRA, 但考慮到SENSOR本身對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(Max chief angle),它主要用于調整整個系統(tǒng)的色彩還原性. 它往往隨著芯片的不同而使用不同的波長范圍, 因為芯片對不同

10、波長范圍的光線其感應靈敏度不一樣. 一般說來, 要求鏡頭的IRF截止波長要同SENSOR所要求的IRF截止波長相匹配, 否則可能會出現(xiàn)色彩還原性不好. 不過色彩還原性或偏色問題也同模組的軟件調整有關系.,10 IR Filter(濾光片),它從一定程度上反映了一個光學系統(tǒng)對物體成像的分辨能力.一般來說, MTF越高,其分辨力越強, MTF越低, 其分辨力越低.由于MTF也只是從一個角度來評價鏡頭的分辨率,也存在一些不足,

11、 故在目前的生產中, 大多數(shù)還是以逆投影檢查分辨為主. (示意圖如下頁),11 MTF,MTF的全稱是調制傳遞函數(shù), 這是從光的波動理論發(fā)展而得到的一種描述光學系統(tǒng)分辨率的表達方式, 其基本計算公司如下: S (V)=4/π{M(v)/1-M(v)/3+M(v)/5-M(v)/7+M(v)/9-M(v)/11+ ¨¨¨ 注: 這里, S(V) is squave wave

12、response, M(v) is the sinuoidal modulation response, and v is the spatial frequency.,關于MTF的計算:,,12 產品開發(fā)及樣品周期 1) 非球面鏡片開模周期: 一般為4-5星期; 2) 黑色部品模具周期: 3-4星期. 3) 產品開發(fā)周期: 模具+試作一般需要2個月. 4) 鏡頭樣品生產周期: 塑膠鏡片成形時間一般為6-8個小時, 鍍

13、膜5-6個小時, 組立4-8個小時, 檢測及數(shù)據(jù)準備4-5個小時, 所以在沒有庫存而模具又能夠及時切換的情況下,從接到P/O或聯(lián)絡到樣品完成最快需要3個工作日.,,目前常用鏡片材質: 塑膠鏡片: ZENOEX, PC, PMMA 玻璃鏡片: 國產環(huán)保材料庫中的材料 濾光片: K9/B270,13 鏡頭常用鏡片材質,關于鏡頭和SENSOR的匹配, 一般需要考慮以下幾個問題: 1 分辨率或者像素; 2 芯片

14、大小和鏡頭像面大小; 3 鏡頭后焦及模組的封裝方式.,14 關于鏡頭和SENSOR的匹配,關于低高度鏡頭設計難點: 1 由于鏡頭高度很短, 光路通過的路程短卻要達到相同的成像效果, 故對光學設計工程師的理論知識要求很高; 2 由于鏡頭很短, 所有的光學零件都變得很薄, 尤其是鏡片, 這時候起加工工藝性要求很高, 要么沒有量產性, 要么加工成本非常高.,15 關于低高度鏡頭及鍍膜的作用,關于鍍膜: