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研究生:楊青航
研究生(外文):Ching-Hang Yang
論文名稱:一千萬畫素手機鏡頭設計
指導教授:孫文信
指導教授(外文):Wen-Shing Sun
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:光電科學與工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:62
中文關鍵詞:鏡頭設計千萬畫素手機
外文關鍵詞:Lens designmobile phone
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本論文提出1000萬畫素手機鏡頭設計,本設計為四片塑膠非球面鏡片之鏡頭,其像方所有視角主光線角度都小於25°,而鏡頭第一面至成像面之總長度為9.96 mm,以方便於手機鏡頭所使用。在鏡頭成像品質方面,MTF在所有視場之空間頻率在120 lp/mm 以內都大於52%;橫向色差在所有視場都小於0.94 μm,比一個畫素1.4 μm還小,其橫向色差對感測器而言不容易分辨;而光學畸變與電視畸變對所有的視場都小於0.62%。在所有的非球面其模仁加工之鏡面上其斜率都小於1,即其角度都小於45°。
The paper presents 10 million pixel camera design for mobile phone, the design of the four aspheric lens of plastic, the image side’s chief ray angles less than 24° at all field, the total length from first surface to image was 9.96 mm to facilitate the mobile phone used. Imaging quality of the lens, MTF’s spatial frequencies in 120 lp / mm is over than 52% at all field; lateral color is less than 0.94 μm at all field, smaller than a pixel size 1.4 μm, the lateral color issue not easy to detected in this sensor; the optical and TV distortion are less than 0.62% at all field. In all aspheric mold processed the slope of the lens surface are less than 1 and the angle is less than 45 °.
目錄
論文摘要 i
Abstract ii
誌 謝 辭 iii
目錄 iv
圖目錄 viii
表目錄 x
第1章 緒論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2 論文架構 2
第2章 成像原理與像差理論 4
2-1 成像基本結構 4
2-1-1 系統基本結構 4
2-1-2 透鏡 5
2-1-3 成像位置-光感應器 5
2-2 幾何光學原理與成像介紹 5
2-2-1 幾何光學基本原理 5
2-2-2 球面折射 7
2-2-3 薄透鏡公式(Thin-Lens Equation): 9
2-2-4 調制轉換函數 (Modulation Transfer Function, MTF) 10
2-3 幾何像差 11
2-3-1 球面像差 (Spherical aberration) 11
2-3-2 彗星像差 (Coma aberration) 11
2-3-3 斜射像散 (Astigmatism) 12
2-3-4 場曲 (Field Curvature) 13
2-3-5 畸變 (Distortion) 13
2-3-6 色差 (Chromatic Aberration) 14
第3章 成像系統設計 15
3-1 導論 15
3-2 設計流程 15
3-3 鏡頭初階規格設定 18
3-3-1 像高(Image height)設定 18
3-3-2 光圈(Pupil) F/# 18
3-3-3 系統半視角設定 (Half view of angle) 18
3-3-4 有效焦距 (Effective Focal Length)計算 18
3-4 優化目標的制定 19
3-4-1 MTF (Modulation transfer function)要求 19
3-4-2 橫向色差 (Lateral color) 19
3-4-3 光學畸變 (Optical distortion) 20
3-4-4 電視畸變 (TV distortion) 20
3-4-5 像方主光線角度 (Chief Ray Angle) 21
3-4-6 相對照度 (Relative illumination) 21
3-4-7 系統全長(Total length) 21
3-5 設計與優化過程 22
3-5-1 鏡組資料 24
3-5-2 MTF優化結果 25
3-5-3 橫向色差 (Lateral color)優化結果 27
3-5-4 畸變(Distortion)優化結果 29
3-5-5 相對照度(Relative illumination)優化結果 29
3-5-6 像方主光線角度(Chief Ray Angle)優化結果 31
3-5-7 系統全長(Total Length)優化結果 32
3-6 優化成果檢視 32
3-6-1 規格確認 32
3-6-2 鏡片厚薄比 34
3-6-3 模仁加工角度確認 34
第4章 公差分析 40
4-1 公差介紹 40
4-2 公差分析 40
4-3 公差分析結果與說明 44
第5章 結論與未來展望 45
5-1 結論 45
5-2 未來展望 45
參考文獻 47
參考文獻
[1] Virendra N.Mahajan, Optical Imaging and Aberrations, Part I – Ray Geometrical Optics, SPIE PRESS, Bellingham(1998)
[2] 手機鏡頭發展趨勢http://cc.kmu.edu.tw/~u99761018/f7.html

[3] 交大光電工程導論
[4] 孫文信,幾何光學上課講義,中央大學光電科學與工程學系,2007。
[5] 眼球成像 http://www.eyehe.com/columns/news/21713.html
[6] 像散http://www.dcfever.com/learn/viewglossary.php?glossary_id=47
[7] 畸變http://www.robotworld.org.tw/index.htm?pid=10&News_ID=5505
[8] Sensor資料 http://www.ovt.com/products/category.php?id=24 Omnivision web
[9] Optical Research Associates(ORA) http://www.opticalres.com/cv/cvprodds_f.html
[10] 球面像差https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%90%83%E9%9D%A2%E5%83%8F%E5%B7%AE
[11] 彗星像差 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BD%97%E5%BD%A2%E5%83%8F%E5%B7%AE
[12] 羅翊戩,「數位相機之鏡頭設計」, 國立中央大學光電科學研究所,碩士論文,Taiwan(2006)
[13] 幾何光學講義 http://sparc.nfu.edu.tw/~disteach/%E6%AA%94%E6%A1%88/97%E5%B9%B4%E4%B8%8A%E5%AD%B8%E6%9C%9F%E8%AA%B2%E7%A8%8B%E5%85%A7%E5%AE%B9/%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E5%85%89%E5%AD%B8/%E5%B9%BE%E4%BD%95%E5%85%89%E5%AD%B8%E8%AC%9B%E7%BE%A9.pdf
[14] 牟益弘,「三百萬畫素二點七五倍光學變焦手機鏡頭設計與分析」, 國立中央大學光電科學與工程學系,碩士論文,Taiwan(2008)
[15] Code V Introduction User’s Guide, Optical Research Association
[16] Code V Reference Manual, Optical Research Associates
[17] Code V Prompting Guide
[18] 潘群立,「三百萬畫素攝影機鏡頭設計」,國立中央大學,碩士論文,2012。
[19] Rudolf Kingslake, “Optical System Design”, Institute of Optics University of Rochester, New York(1983)
[20] Fischer, Robert Edward, et al. "Optical system design." (2000): 155-166.
[21] Mo Jalie, The Principles of Ophthalmic Lens, The Association of Dispensing Opticians, London, 1992.
[22] E. Ringaby, and P. E. Forssen, "Efficient Video Rectification and Stabilisation for Cell-Phones," International Journal of Computer Vision 96, 335-352 (2012).
[23] R. Turchetta, N. Guerrini, and I. Sedgwick, "Large area CMOS image sensors," Journal of Instrumentation 6 (2011).

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