Ansys Zemax | 手机镜头设计 – 第 1 部分：光学设计
软件: ANSYS
高端智能手机镜头模组设计、分析与可制造性评估
智能手机内置光学嵌入：全场景、高质量成像挑战和应对策略
随着智能手机的日常普及，它们不仅成为日常通讯工具，还是不可或缺的摄影设备，为用户提供了多场景下的高质量图像体验。这一现象推动了智能手机内部光学系统，特别是镜头模组的设计与生产，面临着从概念提出到高效批量生产以及结构变形预测等一系列挑战。
系列文章首章：OpticStudio中的镜头设计、分析与可制造性考量
本次系列文章是聚焦于智能手机镜头模组设计的全面剖析，其第一部分特别支撑 OpticStudio 软件在镜头设计与分析中的应用，同时展望了制造环节的考量。
1\. 手机镜头概览
参数配置
智能手机镜头模组在有限空间内集成了轻型组件，能够适应高速场景下的捕光和成像需求。此类镜头采用短光学总长（TOTR）设计，有效焦距f在特定场景下达到约2.4mm，对应艾里斑半径为1.22λf，反映了其在低F条件下的高光学性能。同时，覆盖95度的广角视场及2.5μm像素尺寸，接近Airy斑限制，强调了对空间性能的优秀控制，支持至少200线对/毫米的分辨率要求。1MP分辨率虽不是现代相机的顶尖值，但它充分展示了现代小型光学产品应用的主题和方法。
2\. 物料与设计回顾
为满足镜头组件的极高性能要求，专利技术中采用了扩展偶次或Q型非球面设计。设计过程中，料性选择尤为重要，塑料材料在大批量生产中因其成本效益和可加工性而被广泛运用。添加耐环境红外滤光片以隔离干扰性噪声，光阑设置在第一个扩展非球面结构边缘，优化了光学性能。
例如，关注一种模组设计的起始部分，可以发现其成分、尺寸、性能指标以及所需应用的基本参数，这是系统集成和优化的基础。材料选择（例如，专利提及的石英玻璃NBK7与丙烯酸PMMA塑料）直接影响了系统对光波的折射特性和稳定性。
3\. 技术核心：非球面设计
优化场景的关键在于考虑球差、彗差、像散、场曲、畸变、色差等一系列光学缺陷的校正。设计中对三阶像差的精细校正，限制场曲并找寻合适的折射率差异实现高效校准。
为了应对塑料因折射率有限而难以直接通过校正方式有效校准的问题，设计团队选择以高度非球面面型调整透镜，逐一优化覆盖各种视场的性能。选择的扩展非球面多项式表面（包括480阶）提供了一种精密解决非球面形貌复杂性的途径。它们主要用于校正场曲并支持形成具有精确光学特性的系统。
优化过程中的挑战在于调试不同项级别的相互效应，高阶系数可能引发制造难度，影响最终产品的可制造性和测试的可靠度。
为了克服这些挑战，Q型非球面表面因其正交项的特性提供了优化策略，直接控制了关键参数（如斜率、曲率、矢高偏离）以提升制造的可行度和测试的准确性，同时保留了更高的计算效率与精准度的妥协。
通过添加额外的空气间隔和调整形状设计，可以解决优化过程中发现的薄层厚度问题，确保了安装的可行性和光学性能的一致性。
4\. 制造挑战及制造技术
制造挑战在于如何将非球面结构与塑料结合，在保持成本效益的同时提供可靠的光学性能和机械稳定性。这里介绍了OpticStudio提供的元件控制工具，包括表面矢高、曲率和斜率的优化，以及衡量可制造性的重要指标，如斜率分割、直白面识别和进行立方生长以检测波前畸变等。
分析部分则是通过相对照度（RI）评估、图像模拟、MTF特性曲线在不同视场角下性能评估，以及FWHM/峰值相对于波长的MTF特性分析，对光学设置进行综合检验，从而确保设计满足可制造性和光学性能要求。
最终，文章涵盖了使用OpticStudio在设计、分析和可能的优化过程中的工具和方法，为光学设计与优化提供了一个系统性框架。后续章节将通过OpticsBuilder实现更深入的光机械封装设计，展示从设计到封装的无缝衔接，旨在提供一个全面的视觉与物理组件集成视角。
智能手机内置光学嵌入：全场景、高质量成像挑战和应对策略
随着智能手机的日常普及，它们不仅成为日常通讯工具，还是不可或缺的摄影设备，为用户提供了多场景下的高质量图像体验。这一现象推动了智能手机内部光学系统，特别是镜头模组的设计与生产，面临着从概念提出到高效批量生产以及结构变形预测等一系列挑战。
系列文章首章：OpticStudio中的镜头设计、分析与可制造性考量
本次系列文章是聚焦于智能手机镜头模组设计的全面剖析，其第一部分特别支撑 OpticStudio 软件在镜头设计与分析中的应用，同时展望了制造环节的考量。
1\. 手机镜头概览
参数配置
智能手机镜头模组在有限空间内集成了轻型组件，能够适应高速场景下的捕光和成像需求。此类镜头采用短光学总长（TOTR）设计，有效焦距f在特定场景下达到约2.4mm，对应艾里斑半径为1.22λf，反映了其在低F条件下的高光学性能。同时，覆盖95度的广角视场及2.5μm像素尺寸，接近Airy斑限制，强调了对空间性能的优秀控制，支持至少200线对/毫米的分辨率要求。1MP分辨率虽不是现代相机的顶尖值，但它充分展示了现代小型光学产品应用的主题和方法。
2\. 物料与设计回顾
为满足镜头组件的极高性能要求，专利技术中采用了扩展偶次或Q型非球面设计。设计过程中，料性选择尤为重要，塑料材料在大批量生产中因其成本效益和可加工性而被广泛运用。添加耐环境红外滤光片以隔离干扰性噪声，光阑设置在第一个扩展非球面结构边缘，优化了光学性能。
例如，关注一种模组设计的起始部分，可以发现其成分、尺寸、性能指标以及所需应用的基本参数，这是系统集成和优化的基础。材料选择（例如，专利提及的石英玻璃NBK7与丙烯酸PMMA塑料）直接影响了系统对光波的折射特性和稳定性。
3\. 技术核心：非球面设计
优化场景的关键在于考虑球差、彗差、像散、场曲、畸变、色差等一系列光学缺陷的校正。设计中对三阶像差的精细校正，限制场曲并找寻合适的折射率差异实现高效校准。
为了应对塑料因折射率有限而难以直接通过校正方式有效校准的问题，设计团队选择以高度非球面面型调整透镜，逐一优化覆盖各种视场的性能。选择的扩展非球面多项式表面（包括480阶）提供了一种精密解决非球面形貌复杂性的途径。它们主要用于校正场曲并支持形成具有精确光学特性的系统。
优化过程中的挑战在于调试不同项级别的相互效应，高阶系数可能引发制造难度，影响最终产品的可制造性和测试的可靠度。
为了克服这些挑战，Q型非球面表面因其正交项的特性提供了优化策略，直接控制了关键参数（如斜率、曲率、矢高偏离）以提升制造的可行度和测试的准确性，同时保留了更高的计算效率与精准度的妥协。
通过添加额外的空气间隔和调整形状设计，可以解决优化过程中发现的薄层厚度问题，确保了安装的可行性和光学性能的一致性。
4\. 制造挑战及制造技术
制造挑战在于如何将非球面结构与塑料结合，在保持成本效益的同时提供可靠的光学性能和机械稳定性。这里介绍了OpticStudio提供的元件控制工具，包括表面矢高、曲率和斜率的优化，以及衡量可制造性的重要指标，如斜率分割、直白面识别和进行立方生长以检测波前畸变等。
分析部分则是通过相对照度（RI）评估、图像模拟、MTF特性曲线在不同视场角下性能评估，以及FWHM/峰值相对于波长的MTF特性分析，对光学设置进行综合检验，从而确保设计满足可制造性和光学性能要求。
最终，文章涵盖了使用OpticStudio在设计、分析和可能的优化过程中的工具和方法，为光学设计与优化提供了一个系统性框架。后续章节将通过OpticsBuilder实现更深入的光机械封装设计，展示从设计到封装的无缝衔接，旨在提供一个全面的视觉与物理组件集成视角。
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