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光學(xué)設(shè)計(jì) | 推動(dòng)高精度且微型化攝像頭以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求

發(fā)布日期:
2024-01-17

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光學(xué)設(shè)計(jì)人員面臨著一項(xiàng)持續(xù)挑戰(zhàn),即滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)攝像頭等體積更小、更輕量化設(shè)備的需求,同時(shí)要不斷提高圖像質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō),能否獲得最佳質(zhì)量取決于鏡頭數(shù)量:可裝入設(shè)備的鏡頭越多,分辨率和色彩精度就越高。


就智能手機(jī)攝像頭而言,目前市場(chǎng)上的設(shè)備多達(dá)八個(gè)鏡頭。截至2022年,專(zhuān)利申請(qǐng)顯示的設(shè)計(jì)至少還包括兩個(gè)鏡頭。


為了達(dá)到這一點(diǎn),制造商首先必須放棄使用球面玻璃鏡頭的傳統(tǒng)方法(如圖1所示),因?yàn)楫?dāng)時(shí)不需要極高的精度和微型化。取而代之的是,非球面塑料鏡頭成為常態(tài)。這種塑料材質(zhì)可確保鏡頭輕薄小巧。非球面形狀有助于復(fù)雜的鏡頭配置,使用強(qiáng)大的光學(xué)軟件計(jì)算的“強(qiáng)力”來(lái)控制和聚焦光線(xiàn)路徑,直到它們產(chǎn)生理想的圖像,如圖2所示。



光學(xué)設(shè)計(jì) | 推動(dòng)高精度且微型化攝像頭以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求

圖1:早期的光學(xué)器件使用玻璃透鏡和直接的計(jì)算,將光線(xiàn)投射到生成圖像的表面并將其聚焦。

在本例中,鏡頭系統(tǒng)的寬度約為15毫米,投影表面距離超過(guò)30毫米

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光學(xué)設(shè)計(jì) | 推動(dòng)高精度且微型化攝像頭以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求

圖 2. 考慮到如今對(duì)小型輕型光學(xué)系統(tǒng)的需求,這里使用了精確定向的非球面塑料透鏡。光學(xué)設(shè)計(jì)人員將功能強(qiáng)大的光學(xué)仿真軟件的"超強(qiáng)"計(jì)算能力,應(yīng)用到了這些鏡頭系統(tǒng)中,以便在小型機(jī)械外殼(例如智能手機(jī)攝像頭)中實(shí)現(xiàn)出眾的圖像質(zhì)量。

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克服障礙以創(chuàng)建體積更小、更輕量化的光學(xué)系統(tǒng)

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無(wú)論鏡頭有多小或使用何種材料,更多的鏡頭始終會(huì)增加設(shè)備的重量。這種增加的重量不僅會(huì)給消費(fèi)者帶來(lái)不便,還會(huì)影響功耗和可制造性。智能手機(jī)使用自動(dòng)對(duì)焦機(jī)制和音圈電機(jī)等功能,通過(guò)在設(shè)備外殼內(nèi)上下移動(dòng)鏡頭,以對(duì)其進(jìn)行物理操作。但是,鏡頭系統(tǒng)越重,就越難在這樣有限的空間中執(zhí)行這些操作。


只有通過(guò)光學(xué)仿真軟件的進(jìn)步以及精密工具的并行制造進(jìn)步,才能實(shí)現(xiàn)更小、更輕的鏡頭系統(tǒng)。借助仿真技術(shù),我們能夠通過(guò)推薦的鏡頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)確定光線(xiàn)路徑,并預(yù)測(cè)和校正光線(xiàn)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生的任何不利影響。工具的進(jìn)步使光學(xué)公司能夠制造其工程師可以設(shè)計(jì)的體積最小、最復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。


我們一直在尋求利用光學(xué)和光機(jī)械最新發(fā)展的方法,幫助我們的客戶(hù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)性能最佳、最高效和最強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)備。手機(jī)公司和鏡頭供應(yīng)商經(jīng)常使用Ansys Zemax解決方案來(lái)構(gòu)建這些仿真,其速度和準(zhǔn)確性足以在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中保持領(lǐng)先。

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衍射光學(xué):一個(gè)光柵可取代對(duì)多個(gè)鏡頭的需求

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為了幫助應(yīng)對(duì)微型化系統(tǒng)的性能挑戰(zhàn),一些光學(xué)團(tuán)隊(duì)正在尋求使用衍射光柵來(lái)代替某些鏡頭。衍射光柵是由具有恒定周期的微小凹槽或凸點(diǎn)的重復(fù)圖案組成的表面。當(dāng)光線(xiàn)照射到這些表面時(shí),它會(huì)以不同的角度方向?qū)⒐庾V衍射成各種可見(jiàn)顏色,產(chǎn)生彩虹效應(yīng)。


從科學(xué)層面來(lái)看,衍射光柵在技術(shù)上是一種光譜儀,將可見(jiàn)光分裂成一組精確方向上的波長(zhǎng)。該功能使得衍射光柵在光學(xué)設(shè)計(jì)中非常有用,因?yàn)橛纱水a(chǎn)生的光線(xiàn)可以從光導(dǎo)中進(jìn)出。

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光學(xué)設(shè)計(jì) | 推動(dòng)高精度且微型化攝像頭以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求

圖 3. 擴(kuò)散光柵表面的三個(gè)示例:任意光柵(左側(cè)),傾斜光柵(中間)和帶鋁鍍膜的閃耀/階梯光柵(右側(cè))

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衍射光學(xué)主要用于提供增強(qiáng)的色彩校正,這是圖像質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵組成部分,但對(duì)于塑料鏡頭而言極具挑戰(zhàn)性,因?yàn)樗芰乡R頭對(duì)其在單個(gè)鏡頭內(nèi)進(jìn)行色彩控制的能力具有嚴(yán)格的限制。為了使用塑料鏡頭獲得良好的圖像,您需要更多的塑料鏡頭,這是其在我們的現(xiàn)代設(shè)備中流行的原因所在。如果額外的鏡頭總會(huì)增加最終產(chǎn)品的成本和重量,那么衍射光柵可以在一個(gè)光子元件中充當(dāng)多個(gè)鏡頭,從而減少您需要的總體鏡頭數(shù)量。設(shè)計(jì)中可能需要8個(gè)鏡頭才能實(shí)現(xiàn)的卓越圖像質(zhì)量,在包含衍射元件的設(shè)計(jì)中只需一半或更少的數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)。

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使用衍射技術(shù)簡(jiǎn)化智能手機(jī)鏡頭設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

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是否使用衍射技術(shù)的決策取決于公司愿意做出的業(yè)務(wù)權(quán)衡。衍射光柵是復(fù)雜的光學(xué)元件,其生產(chǎn)成本通常比鏡頭高得多。部分成本源于光柵的高精度設(shè)計(jì)和制造要求,以避免通常與之相關(guān)的“彩虹”顏色耀斑。將CD倒置并在手中輕輕移動(dòng)時(shí),您會(huì)看到炫目的畫(huà)面,這是衍射光柵效應(yīng)的一種日常體驗(yàn)。在某些產(chǎn)品中,為了美觀而添加這種特性是有趣的,但作為光學(xué)系統(tǒng)功能,這是不需要的。


盡管如此,如果適合您的光學(xué)產(chǎn)品的衍射元件值得投資,那么它為您的設(shè)計(jì)提供的簡(jiǎn)化將帶來(lái)各種優(yōu)勢(shì)。您不僅可以在更小的空間內(nèi)以更輕的重量實(shí)現(xiàn)圖像質(zhì)量要求,而且,如果您的光學(xué)元件恰到好處,您還可以獲得單靠鏡頭無(wú)法實(shí)現(xiàn)的色彩校正水平。這是因?yàn)?,通過(guò)使用單個(gè)元件代替多個(gè)鏡頭,您無(wú)需通過(guò)比較元件之間的衍射指數(shù)來(lái)“消除”顏色;它是一體化的。衍射元件本身可校正顏色,而無(wú)需額外的計(jì)算。衍射元件對(duì)于塑料鏡頭特別有用,因?yàn)檠苌渲笖?shù)的有限變化使色彩校正成為一項(xiàng)獨(dú)特的挑戰(zhàn)。


使用衍射光學(xué)元件簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是,減少了制造過(guò)程中的放置誤差。元件越少,引入正確放置問(wèn)題的閾值就越高,您越不必?fù)?dān)心系統(tǒng)的公差分析。


但是,總體而言,最大的優(yōu)勢(shì)是部件數(shù)量減少,這意味著團(tuán)隊(duì)可以節(jié)省時(shí)間和資金。材料投資減少,工作周期本身也隨之減少,部分原因是公差考慮因素減少。由于需要對(duì)齊和構(gòu)建的部件較少,制造變得更加輕松,同時(shí)減少了構(gòu)建所需的時(shí)間。


如上所述,這些節(jié)省可能會(huì)與生產(chǎn)衍射光柵的成本相抵消,但在許多情況下,凈節(jié)省仍然可以使衍射成為一種可行的選擇。衍射甚至還具有生態(tài)優(yōu)勢(shì),因?yàn)楦p的設(shè)備在電池層面上更節(jié)能,更短的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期可減少環(huán)境足跡和材料浪費(fèi)。


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