攝像模組光學(xué)基本知識(shí)

1、 一一 光學(xué)基本知識(shí)及常見問(wèn)題光學(xué)基本知識(shí)及常見問(wèn)題 二二 光學(xué)制造光學(xué)制造 三三 光學(xué)設(shè)計(jì)與光電產(chǎn)品開發(fā)光學(xué)設(shè)計(jì)與光電產(chǎn)品開發(fā) 摘要摘要: :一一 光學(xué)術(shù)語(yǔ)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

2、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) 焦點(diǎn)像方主面焦距鏡頭 一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)成像亮度指標(biāo), 一般簡(jiǎn)稱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

3、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, 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)Mech.FOV 62.5? 0.72BImage PlaneIRF 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)

4、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) C 0.1(at infinite,air)BImage PlaneIRF光學(xué)總長(zhǎng) 機(jī)械后焦是指從鏡頭機(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E（機(jī)械后焦）BImage PlaneIRF光學(xué)后焦（2）光學(xué)后焦（1） 景深反映了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)

5、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

6、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)X100(%)(B+C)/2(B+C)/2-ATV DIST=枕形畸變桶形畸變 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)

7、達(dá)到50%以上. 8 相對(duì)照度(Relative illumination又簡(jiǎn)寫為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

8、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,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

9、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(chǎn)品開發(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),

10、 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/B27013 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)