AA調焦與手機鏡頭的MTF

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本文系微信公眾號《大話成像》，知乎專欄《all in camera》原創文章

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作者：Jerry Li

本篇文章特別邀請在鏡頭製造行業有多年工作經驗的專家Jerry專門為大話成像（All in camera ）撰寫。

手機模組最近一些年發展突飛猛進。最近幾年為了在鏡頭MTF已經確定下來的基礎上更進一步的提高鏡頭的調焦方式由HA向AA轉變。從生產良率來看確實有所提高，但是很少有人去分析AA對不同狀況下鏡頭MTF的問題能夠補償到什麼程度而又會引起什麼樣的影像問題呢？

作者最近在嘗試盡量讓Monte CarloMTF模擬盡量接近實際生產結果的過程中想到一些事情。因為手機鏡頭鏡片組裝的時候是有配對偏心的，所以公差設定的時候不能隨機生成X方向的公差，只能選擇極坐標設定Y向公差。然後設定一個鏡片旋轉角度的誤差（例如繞Z軸旋轉±10度誤差）來達到生成X方向公差的目的。這樣下來，同樣的設計，公差Y向分布後配對比XY方向隨機分布而且偏心不配對的鏡頭MTF良率高非常多。因此本文限定範圍講解手機鏡頭的MTF的問題和AA的影響，所引用的數據及模擬盡量貼近手機鏡頭的特點。

由於手機攝像模組Sensor PixelSize很小，但是手機用戶對拍照解析力要求並不低，這導致設計偏心對MTF感度大。雖然手機鏡頭鏡片尺寸小，有成型精度高的優勢，以及鏡片之間通過有效徑以外的結構相互勘合以減小相對偏心和減小鏡筒與鏡片徑向ラプ量導致的面型變化及偏心問題，但是MTF良率依舊還是難以保障的大問題。

在我們分析鏡頭MTF之前要先介紹MTF四種不良現象：場曲，像面Tilt，MTF峰值低，像散。PS：為方便圖示，下面使用未經校正有巨大像差的鏡片做模擬說明。

1） 場曲

當中心視場焦點落在Image Plane上時，周邊視場焦點落在Image Plane同一側的焦外區域，稱之為場曲。測量MTF through Focus，數據會顯示周邊視場MTF曲線均偏向同一個方向。

2） 像面Tilt

當中心視場焦點落在Image Plane上時，周邊視場焦點分別落在Image Plane兩側的焦外區域，稱之為像面Tilt。測量MTF through Focus時周邊視場MTF曲線向不同的方向偏離。

3） MTF峰值低

鏡片的偏心過大除了導致像面Tilt以外，還會引起MTF峰值的降低。此外，鏡片面形也是導致MTF峰值低的一個原因。

4） 像散

同一個視場S&T方向焦點不在一個焦平面內稱為像散。因為敏感度的差異，受偏心的影響T方向的像面移動量是S方向的數倍，使得S&T焦點不在同一平面上。另外鏡片不同角度面形的差異也會導致S& T方向焦距不一樣，導致像散發生。

在實際生產中，多枚鏡片多個公差以及和鏡片裝配的偏心組合在一起，使得實際的MTF曲線變得複雜。儘管如此，我們還是可以通過測量場曲，像面Tilt以及觀察像散和MTF峰值來判斷單個鏡頭的品質。下面選取幾顆有代表性的鏡頭，輔以AA調整進行MTF說明。

1）視場設定，ratio4:3, diagonal 0.8F×4。

2）Lens Level MTF withtolerance（without sensor tolerance）

假定MTF規格40% @0.8F，空間頻率110lp/mm.（0.6F only for final check，spec 50%）

1. 圖例說明（MTF圖放左側為ST，放右側為HV模擬數據）

b Lens MTF sample

Lens_sample9（來料中不錯的鏡頭）

整體看起來比較好的一顆鏡頭，MTF峰值非常高，沒有場曲，像面tilt還可以。這樣的鏡頭，sensortilt要盡量小才能保持較高的MTF。

PS：像面Tilt根據周邊視場像面位置的計算出傾斜量，單位是分。

Lens_sample15（一般來料的鏡頭）

一般來料的鏡頭應該有不少下圖這樣。場曲、像面Tilt不小也不大。如果sensor tilt方向和鏡頭像面Tilt方向是一致的，則模組MTF會提高。反之，模組MTF就會下降。這裡按照AA製程來調整Sensor tilt（實際應該是調整Holder&VCM&鏡頭組件的tilt，這裡調整sensor tilt便於光學模擬），並且不考慮模組固化時偏心變化量。由於模組測量H&v方向MTF，所以sensor tilt調整時MTF會依照H& V方向來計算。

H& V像面tilt調整符合sensor tilt後結果如下。Block3Horizontal MTF明顯提高。

上面AA調整完後，Hx(y)和Vx(y)數值相等，方向相反。因為sensortilt調整時HVx(y) 的變化量以及方向是相同的，如果進一步調整縮小Vx(y)那麼Hx(y)就會變大。也就是說調整完後，最後會殘留像面Tilt。這個殘留Tilt是鏡頭像散造成的

只有通過鏡頭自身偏心改善才能徹底消除。

要注意的是，Block3的S&T的像散和H&V的不一樣，從下面點像模擬的光斑形狀來看，block3出現十字彌散斑，這是鏡頭MTF像散大的一種表現。

嘗試將block3做through focus 點像模擬確認。很明顯，Horizontal MTF在defocus -15um時能量最集中，而vertical MTF看起來在Defocus +7.5um時能量最收斂。Sagittal和Tangential MTF在defocus -7.5um或者0位置感覺已經最好了

如果按照Vertical Tilt來AA的話（盡量提高VerticalMTF），結果如下只有Block1& 3

Lens_sample16（一般來料的鏡頭）

這顆鏡頭整體看起來品質較差，勉強過MTF規格。

H&V 方向符合Sensor tilt調整後的結果如下，H& V @0.8F的MTF看起來不錯，像面很集中。

從調整前後的MTF曲線來看，根據lens_sample15的經驗，Block4也有十字彌散斑，只不過這次十字對準的是S&T方向了，嚴重程度較lens_sample15輕。

Lens_sample38（來料MTF不良的像面Tilt大的鏡頭）

這顆鏡頭有8um的場曲以及17分(R)的像面Tilt，軸上MTF值也只有約20%。

調整後無論S& T還是H&VMTF都達到了規格，所以用AA可以降低鏡頭來料規格。假如只看H& V MTF曲線的話，感覺還可以。

Lens_sample44(來料MTF不良的MTF峰值低的鏡頭)

下面是Balance 0.6F &0.8F 像面Tilt調整的最佳結果，因為0.6F & 0.8F 像面Tilt方向相反，無法同時調整到OK狀態。不過這樣的鏡頭通過AA就算勉強達到規格了，實際拍的照片也不會很好（焦外會比較差）。

Lens_sample50(來料MTF不良的MTF峰值低的鏡頭)

這顆鏡頭雖然S& T方向的像散偏大，但是H&V方向的像散很小。另外一個優點是場曲非常小。

H&V像面平均Tilt調整後的結果，可以算是一顆MTF良品。

Lens_sample52（來料MTF不良的場曲大的鏡頭）

鏡頭來料周邊視場MTF曲線像面位置一致偏大，有明顯的場曲，另外Block4的像散也有點嚴重。

調整後的結果，H&V方向的像散嚴重。S&T方向，像面Tilt已經很小了，但是場曲(R)達到了0.015。AA只能調整Tilt，場曲太大的鏡頭是無法調整OK的。同樣，即使勉強調成良品，由於場曲的關係，中心和周邊合焦點不在同一平面上，區域對焦時，中心~周邊合焦位置有差異，清晰度的一致性也會較差。

上述7顆鏡頭MTF舉例，說明了一顆鏡頭（模組）我們不能僅僅只看軸上的MTF，同時也要看焦外的情況，如果有可能的話，直接測量和管控像面更好。如果僅僅管控軸上MTF，即使MTF不良的鏡頭，只要滿足一定的條件，搭配合適tilt的sensor，也可以做成一顆良品模組。但是這樣的模組，拍照時存在很多缺陷。

另外，從鏡頭和sensor tilt調整的結果可以了解到。模組MTF是鏡頭和sensor搭配的結果。越是像面tilt小的鏡頭，sensor tilt越小，越能體現鏡頭的優勢。像面tilt較大的鏡頭，反倒是sensor tilt較大的條件下，才有可能做成良品模組。如果用AA的話，可以降低鏡頭來料MTF規格，但是會調出一些場曲大以及有像散的模組，除非模組端控制焦外MTF。現在鏡頭光圈有越做越大的趨勢，AA也用的越來越普及，如果要好的虛化效果，焦外MTF也是有必要關注的。

筆者嘗試做了1000pcs的Monte Carlo模擬，將0.8F軸上MTF最小值和FieldCurve& Image Tilt分別按照8um和20分的規格乘以一個經驗係數，得到R^2 0.785的相關係數。另外從分布圖形來看，MTF越高的鏡頭，MTF(0.8F min)和Field_curve*Image_tilt係數的相關性越高；MTF越差的鏡頭，這個相關性就越低。如果鏡頭實測數據是接近下圖模擬數據的，那麼現在一般管控鏡頭軸上MTF，如果提高規格，也是可以間接達到縮小Field_curve和Image_tilt的目的。另外現在有廠家開始管控鏡頭的DOF，也是另一種間接控制Field curve和Image tilt的方法。

附上述鏡頭來料及AA後的MTF 2D圖。一般模組MTF管控center/0.6F/0.8F對角4點，在這4點之外的地方，MTF也可能存在問題。管控測量的視場越多，越能保證模組MTF的品質。左邊為H方向右邊為V方向。

鏡頭的MTF的問題，每種類型和每一批次可能的問題都不一樣。需要在實際工作中多作分析。

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