攝像模組光學(xué)基本知識(shí)

1、一 光學(xué)基本知識(shí)及常見(jiàn)問(wèn)題 二 光學(xué)制造 三 光學(xué)設(shè)計(jì)與光電產(chǎn)品開(kāi)發(fā),摘要:,一 光學(xué)術(shù)語(yǔ) 1 焦距(Focal Length或EFFL) 2 相對(duì)孔徑(FNo.) 3 視場(chǎng)角(FOV) 4 鏡頭總長(zhǎng)和光學(xué)總長(zhǎng)(TTL) 5 機(jī)械后焦(MBF)和光學(xué)后焦 6 最佳對(duì)焦距離和景深 7 光學(xué)畸變(Opt distortion)和TV畸變(TV distortion,8 相對(duì)照度(Relative illumination) 9 最大出射角(Max chief angle) 10 IR Filter(濾光片) 11 MTF 12 鏡頭生產(chǎn)周期 13 鏡頭常用鏡片材質(zhì) 14 關(guān)于鏡頭和SENSOR的匹

2、配 15 關(guān)于低高度鏡頭及鍍膜的作用,是指一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)從起像方主面到焦點(diǎn)間的距離, 它反映了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)物體聚焦的能力. (示意圖如下頁(yè)),1 焦距(Focal Length或EFFL),一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)成像亮度指標(biāo), 一般簡(jiǎn)稱(chēng)F數(shù)(如傳統(tǒng)相機(jī)上所標(biāo)識(shí)), 在同樣的光強(qiáng)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(duì)于一般的成像光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō), F2.8-3.2就比較合適, 如果要求F數(shù)越小, 則設(shè)計(jì)越難, 結(jié)構(gòu)越復(fù)雜, 制造成本就越高.,2 相對(duì)孔徑(FNo.):,一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)所能成像的角度范圍. 角度越大, 則這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)所能成像的范圍越寬, 反之則越窄. 在實(shí)際產(chǎn)品當(dāng)中

3、, 又有光學(xué)FOV和機(jī)械FOV之分, 光學(xué)FOV是指SENSOR或膠片所能真正成像的有效FOV范圍, 機(jī)械FOV一般大于光學(xué)FOV, 這是有其他考慮和用途, 比如說(shuō)需要用機(jī)械FOV來(lái)參考設(shè)計(jì)Module或者手機(jī)蓋的通光孔直徑大小. (示意圖如下頁(yè)),3 視場(chǎng)角(FOV),光學(xué)總長(zhǎng)是指從系統(tǒng)第一個(gè)鏡片表面到像面的距離; 而鏡頭總長(zhǎng)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(lái)說(shuō), 鏡頭太長(zhǎng)或太短其設(shè)計(jì)都會(huì)變得困難, 制造時(shí)對(duì)工藝要求較高. (示意圖如下頁(yè), UNION的鏡頭規(guī)格書(shū)中圖面所標(biāo)注的E即為機(jī)械總長(zhǎng)),4 鏡頭總長(zhǎng)和光學(xué)總長(zhǎng)(TTL),機(jī)械后焦是指從

4、鏡頭機(jī)械后端面到像面的距離, 而光學(xué)后焦是指從鏡頭最后一個(gè)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(xué)系統(tǒng)的不同而不同. 同時(shí)在光學(xué)行業(yè)內(nèi)對(duì)光學(xué)后焦也有兩種表達(dá), 聯(lián)合光電目前采用光學(xué)后焦1的描述. (示意圖如下頁(yè)),5 機(jī)械后焦(MBF)和光學(xué)后焦,景深反映了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)空間物體成像清晰程度.而最佳對(duì)焦距離是指一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)景深最佳時(shí)的調(diào)焦距離, 這里講的最佳在實(shí)際應(yīng)用時(shí)其實(shí)是相對(duì)而言的. 對(duì)焦距離取決于使用者(客戶(hù)或消費(fèi)者)希望光學(xué)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(diào)焦距離. 如果在最佳調(diào)焦距離調(diào)好焦以后, 再確認(rèn)遠(yuǎn)景和近景時(shí), 鏡頭的解像力理論上都

5、會(huì)下降, 故為達(dá)到一定的景深范圍一定要選擇合適的調(diào)焦距離.,6 最佳對(duì)焦距離和景深,畸變是指光學(xué)系統(tǒng)對(duì)物體所成的像相對(duì)于物體本身而言的失真程度.光學(xué)畸變是指光學(xué)理論上計(jì)算所得到的變形度, TV畸變則是指實(shí)際拍攝圖像時(shí)的變形程度, DC相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)是測(cè)量芯片(Sensor)短邊處的變形.一般來(lái)說(shuō)光學(xué)畸變不等于TV畸變, 特別是對(duì)具有校正能力的芯片來(lái)說(shuō). 畸變通常分兩種: 桶形畸變和枕形畸變. (示意圖如下頁(yè)),7 光學(xué)畸變(Opt distortion)和TV畸變(TV distortion),它是指一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)所成像在邊緣處的亮度相對(duì)于中心區(qū)域亮度的比值, 無(wú)單位. 在實(shí)際測(cè)量的結(jié)果中, 它不僅

6、同光學(xué)系統(tǒng)本身有關(guān), 也同所使用的感光片(SENSOR)有關(guān). 同樣的鏡頭用于不同的芯片可能會(huì)有不同的測(cè)量結(jié)果. 關(guān)于鏡頭亮度的均勻性: 從光學(xué)設(shè)計(jì)理論上講, 鏡頭周邊照度相對(duì)中心一定會(huì)有下降一般要求光學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到50%以上.,8 相對(duì)照度(Relative illumination又簡(jiǎn)寫(xiě)為RI):,它是指光學(xué)系統(tǒng)(鏡頭)所能拍攝范圍內(nèi)的光(主光線)在通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)(鏡頭)后到達(dá)像面(如SENSOR)時(shí)同像面所成的最大夾角. 出射角越小設(shè)計(jì)越困難,相應(yīng)的成本也會(huì)增加, 鏡頭的總長(zhǎng)也會(huì)相對(duì)變長(zhǎng). 一般說(shuō)來(lái), 要求鏡頭的CRA要小于SENSOR所要求的CRA, 但考慮到SENSOR本身對(duì)CRA的要求

7、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(diào)整整個(gè)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(zhǎng)范圍, 因?yàn)樾酒瑢?duì)不同波長(zhǎng)范圍的光線其感應(yīng)靈敏度不一樣. 一般說(shuō)來(lái), 要求鏡頭的IRF截止波長(zhǎng)要同SENSOR所要求的IRF截止波長(zhǎng)相匹配, 否則可能會(huì)出現(xiàn)色彩還原性不好. 不過(guò)色彩還原性或偏色問(wèn)題也同模組的軟件調(diào)整有關(guān)系.,10 IR Filter(濾光片),它從一定程度上反映了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)物體成像的分辨能力.一般來(lái)說(shuō), MTF越高,其分辨力越強(qiáng), MTF越低, 其分辨力越低.由于MTF也只是從一個(gè)角度來(lái)評(píng)價(jià)鏡頭的分辨率

8、,也存在一些不足, 故在目前的生產(chǎn)中, 大多數(shù)還是以逆投影檢查分辨為主. (示意圖如下頁(yè)),11 MTF,MTF的全稱(chēng)是調(diào)制傳遞函數(shù), 這是從光的波動(dòng)理論發(fā)展而得到的一種描述光學(xué)系統(tǒng)分辨率的表達(dá)方式, 其基本計(jì)算公司如下: S (V)=4/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 response, M(v) is the sinuoidal modulation response, and v is the spatial frequency.,關(guān)于MTF的計(jì)算:,12 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及樣品周期 1

9、) 非球面鏡片開(kāi)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(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期: 模具+試作一般需要2個(gè)月. 4) 鏡頭樣品生產(chǎn)周期: 塑膠鏡片成形時(shí)間一般為6-8個(gè)小時(shí), 鍍膜5-6個(gè)小時(shí), 組立4-8個(gè)小時(shí), 檢測(cè)及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備4-5個(gè)小時(shí), 所以在沒(méi)有庫(kù)存而模具又能夠及時(shí)切換的情況下,從接到P/O或聯(lián)絡(luò)到樣品完成最快需要3個(gè)工作日.,目前常用鏡片材質(zhì): 塑膠鏡片: ZENOEX, PC, PMMA 玻璃鏡片: 國(guó)產(chǎn)環(huán)保材料庫(kù)中的材料 濾光片: K9/B270,13 鏡頭常用鏡片材質(zhì),關(guān)于鏡頭和SENSOR的匹配, 一般需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題: 1 分辨率或者像素; 2 芯片大小和鏡頭像面大小; 3 鏡頭后焦及模組的封裝方式.,14 關(guān)于鏡頭和SENSOR的匹配,關(guān)于低高度鏡頭設(shè)計(jì)難點(diǎn): 1 由于鏡頭高度很短, 光路通過(guò)的路程短卻要達(dá)到相同的成像效果, 故對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)工程師的理論知識(shí)要求很高; 2 由于鏡頭很短, 所有的光學(xué)零件都變得很薄, 尤其是鏡片, 這時(shí)候起加工工藝性要求很高, 要么沒(méi)有量產(chǎn)性, 要么加工成本非常