光學設計人員面臨著一項持續(xù)挑戰(zhàn)，即滿足消費者對攝像頭等體積更小、更輕量化設備的需求，同時要不斷提高圖像質(zhì)量。一般來說，能否獲得最佳質(zhì)量取決于鏡頭數(shù)量：可裝入設備的鏡頭越多，分辨率和色彩精度就越高。

就智能手機攝像頭而言，目前市場上的設備多達八個鏡頭。截至2022年，專利申請顯示的設計至少還包括兩個鏡頭。

為了達到這一點，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），因為當時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雜的鏡頭配置，使用強大的光學軟件計算的“強力”來控制和聚焦光線路徑，直到它們產(chǎn)生理想的圖像，如圖2所示。

圖1：早期的光學器件使用玻璃透鏡和直接的計算，將光線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30毫米

圖 2. 考慮到如今對小型輕型光學系統(tǒng)的需求，這里使用了精確定向的非球面塑料透鏡。光學設計人員將功能強大的光學仿真軟件的"超強"計算能力，應用到了這些鏡頭系統(tǒng)中，以便在小型機械外殼（例如智能手機攝像頭）中實現(xiàn)出眾的圖像質(zhì)量。

克服障礙以創(chuàng)建體積更小、更輕量化的光學系統(tǒng)

無論鏡頭有多小或使用何種材料，更多的鏡頭始終會增加設備的重量。這種增加的重量不僅會給消費者帶來不便，還會影響功耗和可制造性。智能手機使用自動對焦機制和音圈電機等功能，通過在設備外殼內(nèi)上下移動鏡頭，以對其進行物理操作。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。

只有通過光學仿真軟件的進步以及精密工具的并行制造進步，才能實現(xiàn)更小、更輕的鏡頭系統(tǒng)。借助仿真技術(shù)，我們能夠通過推薦的鏡頭系統(tǒng)設計來確定光線路徑，并預測和校正光線對圖像質(zhì)量產(chǎn)生的任何不利影響。工具的進步使光學公司能夠制造其工程師可以設計的體積最小、最復雜的光學系統(tǒng)。

我們一直在尋求利用光學和光機械最新發(fā)展的方法，幫助我們的客戶設計和生產(chǎn)性能最佳、最高效和最強大的光學設備。手機公司和鏡頭供應商經(jīng)常使用Ansys Zemax解決方案來構(gòu)建這些仿真，其速度和準確性足以在競爭激烈的市場中保持領先。

衍射光學：一個光柵可取代對多個鏡頭的需求

為了幫助應對微型化系統(tǒng)的性能挑戰(zhàn)，一些光學團隊正在尋求使用衍射光柵來代替某些鏡頭。衍射光柵是由具有恒定周期的微小凹槽或凸點的重復圖案組成的表面。當光線照射到這些表面時，它會以不同的角度方向?qū)⒐庾V衍射成各種可見顏色，產(chǎn)生彩虹效應。

從科學層面來看，衍射光柵在技術(shù)上是一種光譜儀，將可見光分裂成一組精確方向上的波長。該功能使得衍射光柵在光學設計中非常有用，因為由此產(chǎn)生的光線可以從光導中進出。

圖 3. 擴散光柵表面的三個示例：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)）

衍射光學主要用于提供增強的色彩校正，這是圖像質(zhì)量的一個關鍵組成部分，但對于塑料鏡頭而言極具挑戰(zhàn)性，因為塑料鏡頭對其在單個鏡頭內(nèi)進行色彩控制的能力具有嚴格的限制。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)代設備中流行的原因所在。如果額外的鏡頭總會增加最終產(chǎn)品的成本和重量，那么衍射光柵可以在一個光子元件中充當多個鏡頭，從而減少您需要的總體鏡頭數(shù)量。設計中可能需要8個鏡頭才能實現(xiàn)的卓越圖像質(zhì)量，在包含衍射元件的設計中只需一半或更少的數(shù)量即可實現(xiàn)。

使用衍射技術(shù)簡化智能手機鏡頭設計的優(yōu)勢

是否使用衍射技術(shù)的決策取決于公司愿意做出的業(yè)務權(quán)衡。衍射光柵是復雜的光學元件，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計和制造要求，以避免通常與之相關的“彩虹”顏色耀斑。將CD倒置并在手中輕輕移動時，您會看到炫目的畫面，這是衍射光柵效應的一種日常體驗。在某些產(chǎn)品中，為了美觀而添加這種特性是有趣的，但作為光學系統(tǒng)功能，這是不需要的。

盡管如此，如果適合您的光學產(chǎn)品的衍射元件值得投資，那么它為您的設計提供的簡化將帶來各種優(yōu)勢。您不僅可以在更小的空間內(nèi)以更輕的重量實現(xiàn)圖像質(zhì)量要求，而且，如果您的光學元件恰到好處，您還可以獲得單靠鏡頭無法實現(xiàn)的色彩校正水平。這是因為，通過使用單個元件代替多個鏡頭，您無需通過比較元件之間的衍射指數(shù)來“消除”顏色；它是一體化的。衍射元件本身可校正顏色，而無需額外的計算。衍射元件對于塑料鏡頭特別有用，因為衍射指數(shù)的有限變化使色彩校正成為一項獨特的挑戰(zhàn)。

使用衍射光學元件簡化設計的另一個優(yōu)勢是，減少了制造過程中的放置誤差。元件越少，引入正確放置問題的閾值就越高，您越不必擔心系統(tǒng)的公差分析。

但是，總體而言，最大的優(yōu)勢是部件數(shù)量減少，這意味著團隊可以節(jié)省時間和資金。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。由于需要對齊和構(gòu)建的部件較少，制造變得更加輕松，同時減少了構(gòu)建所需的時間。

如上所述，這些節(jié)省可能會與生產(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，因為更輕的設備在電池層面上更節(jié)能，更短的設計和生產(chǎn)周期可減少環(huán)境足跡和材料浪費。

審核編輯：黃飛

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