光學(xué)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備多達(dá)八個鏡頭。截至2022年，專利申請顯示的設(shè)計至少還包括兩個鏡頭。

為了達(dá)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(dāng)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(fù)雜的鏡頭配置，使用強大的光學(xué)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(xué)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(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)計人員將功能強大的光學(xué)仿真軟件的"超強"計算能力，應(yīng)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(xué)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(shè)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(shè)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(xué)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(shè)計來確定光線路徑，并預(yù)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(xué)公司能夠制造其工程師可以設(shè)計的體積最小、最復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。

我們一直在尋求利用光學(xué)和光機械最新發(fā)展的方法，幫助我們的客戶設(shè)計和生產(chǎn)性能最佳、最高效和最強大的光學(xué)設(shè)備。手機公司和鏡頭供應(yīng)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(zhǔn)確性足以在競爭激烈的市場中保持領(lǐng)先。

衍射光學(xué)：一個光柵可取代對多個鏡頭的需求

為了幫助應(yīng)對微型化系統(tǒng)的性能挑戰(zhàn)，一些光學(xué)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(fù)圖案組成的表面。當(dāng)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(yīng)。

從科學(xué)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(xué)設(shè)計中非常有用，因為由此產(chǎn)生的光線可以從光導(dǎo)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(xué)主要用于提供增強的色彩校正，這是圖像質(zhì)量的一個關(guān)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(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(dāng)多個鏡頭，從而減少您需要的總體鏡頭數(shù)量。設(shè)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(shè)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(shè)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(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時，您會看到炫目的畫面，這是衍射光柵效應(yīng)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(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(xué)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(xué)元件簡化設(shè)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?fù)?dān)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(shè)備在電池層面上更節(jié)能，更短的設(shè)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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