תכנון אופטי לעצמית למצלמה סלולרית

תקציר: תכנון אופטי לעצמית למצלמה סלולרית מציב אתגר משמעותי בתכנון האופטי. זאת בשל הדרישה לאופטיקה קצרה מאד (בשל העובי הדק של המכשיר), באורך של 4-5 מ"מ  ובמחיר זול. שימוש במצלמות בעלות פיקסלים קטנים ויצור עדשות אספריות בטכנולוגית הזרקות מאפשרת עמידה בדרישות אלו, ויצור מצלמות באיכות גבוהה מאד. טכנולוגית יצור חדשה Wafer Level Optics מוזילה בצורה משמעותית את עלויות יצור והרכבה, אם כי טכנולוגיה זו מוגבלת כיום למצלמות בכושר הפרדה נמוך (מצלמת VGA). בעתיד עם ההתקדמות של טכנולוגיה זו יתכן ויתאפשר גם יצור המצלמה הראשית שהיא בעלת ביצועים גבוהים יותר.

תכנון אופטי לעצמית למצלמה סלולרית

 כדי להקטין את אורך המערכת נדרש שימוש בחישן מצלמה בעל גודל פיקסל קטן מאד, דבר שמקטין את גודל חישן המצלמה ולכן מקטין את אורך המוקד  (f):

f = D/(2*tang (ϴ/2))

כאשר: D –  אלכסון חיישן המצלמה, ϴ – שדה הראיה של המצלמה.

בדרך כלל שדה ראיה (ϴ)  של מצלמה סלולרית כ- 68°, ואלכסון המצלמה (D) כ- 5.5 מ"מ, ומכאן מתקבל שאורך המוקד הנדרש (f) הוא 4.08 מ"מ. אורך מוקד קצר זה מאפשר אורך אופטי קטן מ- 5 מ"מ. יש מאמץ מתמשך להורדת גודל הפיקסל דבר שמוריד את ממדי חישן המצלמה ולכן קטן גם אורך המוקד ובעקבותיו אורך המערכת, או לחילופין הגדלת כמות הפיקסלים לאותו גודל חישן ושיפור כשר הפרדה של המצלמה.

כשר הפרדה של אופטיקה נמדד בקווים/מ"מ. לדוגמה עבור פיקסל של 1.1 מיקרון, גודל מחזור מינימלי של שחור/לבן הוא של 2.2 מיקרון. ולכן התדר הגבוה ביותר הוא של: 1000/2.2 = 455 קווים/מ"מ. תדר זה נקרא תדר Nyquist (Ny). MTF של האופטיקה מוגדר בתדר זה או cתדרים נמוכים יותר, למשל מחזור של 2 פיקסלים שחורים ושניים לבנים,שהוא מחצית תדר Nyquist (Ny/2) , סה"כ מחזור של 4.4 מיקרון המתאים לתדר של 1000/4.4 = 227 קווים/מ"מ.

בטלפונים זולים למצלמה אין מנגנון מיקוד (Fixed focus). טלפונים חכמים בדרך כלל עם מנגנון מיקוד, המבוסס על סליל ומגנט קבוע (voice coil magnetic (VCM) technology). כיום מתפתחות טכנולוגיות חדישות יותר כגון MEMS של חברת Tessera וגם טכנולוגיות אחרות.

עד לאחרונה חלק מהמצלמות הסלולריות ללא מנגנון מיקוד השתמשו בטכנולוגיות עומק שדה מורחב:

 (Extended Depth Of Focus (EDOF)). בטכנולוגיה זו לעצמים ממוקדים MTF נמוך יותר ממערכת רגילה אך מאידך לעצמים שאינם ממוקדים יש MTF גבוה מזה של מצלמה רגילה. לכן עבור עומק שדה רחב יותר יש MTF מעל לסף קריטי. מצב זה מאפשר באמצעות עיבוד תמונה לשפר את ה- MTF ובצורה זו לחקות את מנגנון המיקוד המכני ללא חלקים נעים. לטכנולוגיה זו ביצועים נמוכים יותר משל מנגנון מיקוד אך יתרונה הגדול שאין חלקים נעים. עם ההתקדמות בטכנולוגית מנגנון המיקוד מבחינת אמינות, צריכת הספק, נפח ועלויות, ירדה מאד האטקרקטיביות של טכנולגיה זו.

תכנון אופטי של מצלמה סלולרית צריך לקחת בחשבון את הפרמטרים הבאים:

F-number – ערך נמוך משפר את ביצועי המצלמה בתנאי תאורה נמוכים. מצד שני ערך נמוך מקטין את עומק השדה, רגישות לשגיאות מיקוד ורגישות לטולרנסי יצור. ברוב המצלמות הערך הוא 2.4.

אורך מוקד –  כפי שהוזכר קודם לכן ערך זה נגזר מגודל חיישן המצלמה ושדה הראיה הנדרש.

עוותים – בדרך כלל הדרישה לעוותים הקטנים מ- 2% ו- TV distortion (עוותי קו ישר) קטנים מ- 1%.    בדרך כלל העוותים שליליים זאת כדי לשפר את התאורה היחסית (ראה סעיף הבא).

תאורה יחסית (Relative illumination) – בעדשה אידאלית התאורה יורדת עם שדה הראיה, לפי חזקה רביעית של קוסינוס זווית הראיה (cosine fourth low). עבור זווית ראיה של 34 מעלות קוסינוס הזווית הוא 0.829 ובחזקה קביעית 0.47. לכן בשולי השדה התאורה היא מחצית מהמרכז. ניתן לשפר ערך זה על ידי שימוש בעוות שלילי (המכווץ את התמונה בשולי השדה ולכן משפר את ריכוז האור), ובכך להגיע לערך הגבוה מהתיאורטי לעדשה אידאלית. בדרך כלל הדרישה שהתאורה בקצה תהיה לפחות 50% בהשוואה למרכז השדה.

צבע רוחבי – הדרישה בדרך כלל שלא יהיה יותר מ- 2 פיקסלים, אם כי בפועל בדרך כלל רוב התכנונים עוומדים בדרישה של 1 פיקסל.

CRA (Chief Ray Angle) – זווית זו עולה עם שדה הראיה. כדי לאפשר לחיישן לאסוף בצורה יעילה את האור לתוך הפיקסל, משתמשים במערך של מיקרו עדשות (micro-lens array)  הממקד את הקרינה על השטח הפעיל של הפיקסל. עדשות אלו מתוכננות לזוייות פגיעה מסוימות המוגדרות על ידי חישן ה- CCD. בדרך כלל נתון זה מוכתב למתכנן האופטי שכן הנטיה להשתמש במוצר מדף קיים ולא שהתכנון האופטי יגרור שינוי בקו היצור של המצלמה.

הנחיות יצרן (Manufacture guide lines) – התכנון האופטי צריך להתחשב בהנחיות יצרן, המשתנות מעט מיצרן ליצרן: שיפוע מקסימלי של משטח (slope angles), מינימום עובע מרכזי וקצה, חומרים אופטיים המועדפים על היצרן וכו'.

אנליזת טולרנסים – שוק זה רגיש מאד לעלויות יצור ונצילות (yield) קו יצור. מאמץ רב מושקע בהקטנת רגישות התכנון לטולרנסי יצור והרכבה ושיפור נצילות קו היצור. סימולציות נרחבות מתבצעות כדי להעדיך את נצילות קו היצור ומציאת ערכים אופטמליים לביצועים אופטיים גבוהים מחד ומצד שני שיפור נצילות קו היצור.

קיימות שתי טכנולוגיות לייצור עדשות ספריות פלסטיות:

• הזרקת פלסטיק נוזלי לתבנית (Injection Molding). מאחר ואופטיקה סלולרית קטנה, עדשות פלסטיות יציבות מספיק, שכן פלסטיק חומר פחות קשיח ויציב מזכוכית, אך בגדלים כאלו ביצועיו מספקים. מאידך בישומים בהם נדרשים קטרים גדולים יותר, פלסטיק אינו פתרון מספק ואז משתמשים בעדשות זכוכית. השיטה במקרה זה לא בטכנולגית הזרקה בשל טמפרטורת היתוך גבוהה של זכוכית, אלא בהבאתה לטמפרטורה בה היא עוברת למצב רך ושימוש בטכנולגית כבישה בלחץ (compression Molding). טכנולוגיה יקרה יותר מהזרקה פלסטית. מאידך לזכוכיות יש מגוון רחב יותר של גורמי שבירה/נפיצה ולכן שימוש בעדשות זכוכית מאפשר ביצועים אופטיים טובים יותר.

• Wafer level – בדרך כלל משתמשים בה למצלמות VGA. טכנולוגיה זו משתמשת בטכנולוגית שכפול עדשות, על ידי שימוש בפולימר נוזלי, אותו שופכים לתבנית הכוללת מספר רב של שקעים המתאימים לצורת עדשה אספרית. התבנית מכוסה על ידי פלטת זכוכית שקופה. הקרנת אור אולטרה סגול הופכת את הפולימר הנוזלי למוצק. הופכים את פלטת הזכוכית וחוזרים על אותו תהליך בצד השני:

שכפול עדשות בצד אחד של פלטת זכוכית

פלטת זכוכית

הסרת התבנית  לאחר הקשיה באור אולטרה סגול.

הסרת התבנית לאחר הקשיה באור אולטרה סגול.

שלב שלישי חזרה על התהליך בצד שני:

שלב שלישי חזרה על התהליך בצד שני

שלב רביעי הסרת התבנית:

שלב רביעי הסרת התבנית

ניתן לשלב כמה "קומות" של עדשות (בכל קומה עדשות שונות וחומרים אופטיים שונים) עם מרווחונים מתאימים (בין כל שתי עדשות ולא רק בקצוות, כפי שמופיע בתרשים כדי לא לסבך אותו) ולקבל מערכת של עדשות ולאחר מכן לחתוך אותם (קו מרוסק):

עדשות

תכנון מעשי כזה בדוגמאת תכנון אחרונה בהמשך.

שיטה זו מחקה את שיטות היצור של תעשית מיקרו אלקטרוניקה על WAFER של "10, דבר שמוזיל משמעותית את עלויות היצור

דוגמאות תכנון:

מצלמת 3 Mpixel , אלכסון מצלמה 2.9 מ"מ, F2.0

מצלמת 3 Mpixel , אלכסון מצלמה 2.9 מ"מ, F2.0

מצלמת 8 Mpixel , אלכסון מצלמה 4.54 מ"מ, F2.4

מצלמת 8 Mpixel , אלכסון מצלמה 4.54 מ"מ, F2.4

מצלמת 3 Mpixel , אלכסון מצלמה 4.6 מ"מ, F2.6 Wafer level

מצלמת 3 Mpixel , אלכסון מצלמה 4.6 מ"מ, F2.6 Wafer level