百万像素照相手机CMOS模组调焦方法的探讨

    1 引 言

    CMOS模组(或CCD模组)作为照相手机的取像装置包括传感器(CMOS/CCD sensor)、光学镜头(lens)、软排线FPC等部件。其最重要的性能指标是影像品质(清晰度),具体的叙述即:在特定的距离范围内(如:无穷远]~ 250mm的近距离范围);在特定的视场范围内(如:CMOS/CCD中心~ 0.7对角线之视场范围内);在特定的空间频率下(如:30lp/mm,40 lp/mm等),其影像之MTF(Modulationtransfer function)或称为亮暗比(Contrast)高于规格值。

    为获得良好的影像品质即拍照效果,CMOS(或CCD)模组需同时满足下列两条:镜头的影像品质良好;镜头被调到正确的位置(找到最佳像平面的位置)。前一条不属讨论的范围,本文要讨论研究的是第二条,即CMOS(或CCD)模组的调焦。

    2 CMOS模组调焦的基本原理

    2.1 景深与焦深

    景深是表述CMOS模组像质最重要的特性,因为手机照相的距离需从近距离到无穷远,而镜头与CMOS之间距离是固定的,所以CMOS模组需选择景深较长的镜头。欲分析镜头的景深,需从离焦(defocus)的计算开始。

    一般而言,相机的成像位置是在焦点附近。当物距为]时,成像在焦点上,见图1,设f为镜头之有效焦距(EFL),若物距从]移近到S(Smf)时,其成像位置与焦点之距离X为

X = f2/S

    式中X为离焦距离。

    当镜头与CMOS的距离保持固定不变(定焦)的情况下,若物距从]到S都希望有良好的影像品质,则相当于固定物距时,在f到f+X之间,仍有良好之影像品质。从]到S之间的范围,称之为镜头的景深,f ~ f+X之间的范围X称之为焦深。

    例如,若镜头的EFL为5mm,要求景深为]~250mm,则镜头的焦深需大于(5@5)/250 =011mm。实际上镜头的景深不容易测得,而焦深则相对容易测量,所以需将景深转换成焦深。

    2.2 离焦对镜头模组影像品质的影响

    对于镜头的影像品质可以用空间调制传递函数MTF来进行客观、综合的评价,通常MTF随着镜头与CMOS之间的距离的改变而变化,MTF最高位置即为影像品质最佳处。MTF对离焦位置的变化,通称为离焦曲线(Through focus curve)。图2,纵坐标是MTF值,单位lp/mm(每毫米能分辨的黑白线对数),横坐标是镜头到CMOS成像面的距离,单位mm。调焦就是调整镜头和CMOS间的距离即在横坐标上左右移动,找到成像最清晰的点,称最佳像平面,这是最常用的调焦方法之一。

    从最佳像平面往前或往后,MTF都会下降,也就是说,影像变模糊了。当MTF下降时,其影像清晰度并不能很快被人眼感觉到,所以在最佳像平面附近,有一段范围,人眼仍觉得清晰度是可接受的。当下降到某个特定值,如30,25或20(lp/mm),被人眼感觉模糊时,这段离焦范围就是焦深,图中Hc点是MTF最高点,HHd是最佳像平面,当MTF从最大值h下降到c(设c为可以接受的合格水平),过c的水平线和离焦曲线相交,交点的横坐标为A和B,B_A就是焦深,这个值可以用MTF测试机测得。