光學設(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
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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(shè)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。
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克服障礙以創(chuàng)建體積更小、更輕量化的光學系統(tǒng)
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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(shè)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(shè)計和生產(chǎn)性能最佳、最高效和最強大的光學設(shè)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(lǐng)先。
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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(shè)計中非常有用，因為由此產(chǎn)生的光線可以從光導中進出。
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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)）
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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(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)。
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使用衍射技術(shù)簡化智能手機鏡頭設(shè)計的優(yōu)勢