光学设计 | 推动高精度且微型化摄像头以满足市场需求

本文原刊登于Ansys Blog：《Shrinking and Simplifying Camera Lenses to Meet Market Demands》

作者：Kerry Herbert | Ansys产品营销经理

编辑整理：谷晨风 | Ansys高级应用工程师

光学设计人员面临着一项持续挑战，即满足消费者对摄像头等体积更小、更轻量化设备的需求，同时要不断提高图像质量。一般来说，能否获得最佳质量取决于镜头数量：可装入设备的镜头越多，分辨率和色彩精度就越高。

就智能手机摄像头而言，目前市场上的设备多达八个镜头。截至2022年，专利申请显示的设计至少还包括两个镜头。

为了达到这一点，制造商首先必须放弃使用球面玻璃镜头的传统方法（如图1所示），因为当时不需要极高的精度和微型化。取而代之的是，非球面塑料镜头成为常态。这种塑料材质可确保镜头轻薄小巧。非球面形状有助于复杂的镜头配置，使用强大的光学软件计算的“强力”来控制和聚焦光线路径，直到它们产生理想的图像，如图2所示。

图1：早期的光学器件使用玻璃透镜和直接的计算，将光线投射到生成图像的表面并将其聚焦。

在本例中，镜头系统的宽度约为15毫米，投影表面距离超过30毫米

图 2. 考虑到如今对小型轻型光学系统的需求，这里使用了精确定向的非球面塑料透镜。光学设计人员将功能强大的光学仿真软件的"超强"计算能力，应用到了这些镜头系统中，以便在小型机械外壳（例如智能手机摄像头）中实现出众的图像质量。

无论镜头有多小或使用何种材料，更多的镜头始终会增加设备的重量。这种增加的重量不仅会给消费者带来不便，还会影响功耗和可制造性。智能手机使用自动对焦机制和音圈电机等功能，通过在设备外壳内上下移动镜头，以对其进行物理操作。但是，镜头系统越重，就越难在这样有限的空间中执行这些操作。

只有通过光学仿真软件的进步以及精密工具的并行制造进步，才能实现更小、更轻的镜头系统。借助仿真技术，我们能够通过推荐的镜头系统设计来确定光线路径，并预测和校正光线对图像质量产生的任何不利影响。工具的进步使光学公司能够制造其工程师可以设计的体积最小、最复杂的光学系统。

我们一直在寻求利用光学和光机械最新发展的方法，帮助我们的客户设计和生产性能最佳、最高效和最强大的光学设备。手机公司和镜头供应商经常使用Ansys Zemax解决方案来构建这些仿真，其速度和准确性足以在竞争激烈的市场中保持领先。

为了帮助应对微型化系统的性能挑战，一些光学团队正在寻求使用衍射光栅来代替某些镜头。衍射光栅是由具有恒定周期的微小凹槽或凸点的重复图案组成的表面。当光线照射到这些表面时，它会以不同的角度方向将光谱衍射成各种可见颜色，产生彩虹效应。

从科学层面来看，衍射光栅在技术上是一种光谱仪，将可见光分裂成一组精确方向上的波长。该功能使得衍射光栅在光学设计中非常有用，因为由此产生的光线可以从光导中进出。

图 3. 扩散光栅表面的三个示例：任意光栅（左侧），倾斜光栅（中间）和带铝镀膜的闪耀/阶梯光栅（右侧）

衍射光学主要用于提供增强的色彩校正，这是图像质量的一个关键组成部分，但对于塑料镜头而言极具挑战性，因为塑料镜头对其在单个镜头内进行色彩控制的能力具有严格的限制。为了使用塑料镜头获得良好的图像，您需要更多的塑料镜头，这是其在我们的现代设备中流行的原因所在。如果额外的镜头总会增加最终产品的成本和重量，那么衍射光栅可以在一个光子元件中充当多个镜头，从而减少您需要的总体镜头数量。设计中可能需要8个镜头才能实现的卓越图像质量，在包含衍射元件的设计中只需一半或更少的数量即可实现。

是否使用衍射技术的决策取决于公司愿意做出的业务权衡。衍射光栅是复杂的光学元件，其生产成本通常比镜头高得多。部分成本源于光栅的高精度设计和制造要求，以避免通常与之相关的“彩虹”颜色耀斑。将CD倒置并在手中轻轻移动时，您会看到炫目的画面，这是衍射光栅效应的一种日常体验。在某些产品中，为了美观而添加这种特性是有趣的，但作为光学系统功能，这是不需要的。

尽管如此，如果适合您的光学产品的衍射元件值得投资，那么它为您的设计提供的简化将带来各种优势。您不仅可以在更小的空间内以更轻的重量实现图像质量要求，而且，如果您的光学元件恰到好处，您还可以获得单靠镜头无法实现的色彩校正水平。这是因为，通过使用单个元件代替多个镜头，您无需通过比较元件之间的衍射指数来“消除”颜色；它是一体化的。衍射元件本身可校正颜色，而无需额外的计算。衍射元件对于塑料镜头特别有用，因为衍射指数的有限变化使色彩校正成为一项独特的挑战。

使用衍射光学元件简化设计的另一个优势是，减少了制造过程中的放置误差。元件越少，引入正确放置问题的阈值就越高，您越不必担心系统的公差分析。

但是，总体而言，最大的优势是部件数量减少，这意味着团队可以节省时间和资金。材料投资减少，工作周期本身也随之减少，部分原因是公差考虑因素减少。由于需要对齐和构建的部件较少，制造变得更加轻松，同时减少了构建所需的时间。

如上所述，这些节省可能会与生产衍射光栅的成本相抵消，但在许多情况下，净节省仍然可以使衍射成为一种可行的选择。衍射甚至还具有生态优势，因为更轻的设备在电池层面上更节能，更短的设计和生产周期可减少环境足迹和材料浪费。