专题特邀:应用自由曲面的紧凑型长焦手机镜头设计

   2024-01-30 960
核心提示:专题特邀:应用自由曲面的紧凑型长焦手机镜头设计

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#自由曲面

编者按

《红外与激光工程》编辑部于2023年第7期推出“自由曲面光学系统设计技术”专栏,专栏邀请高志山教授、袁群教授为其撰写“应用自由曲面的紧凑型长焦手机镜头设计” 研究论文,文中设计了一款F数为5、等效焦距达196 mm、视场范围±3.8°的离轴三反式紧凑型长焦镜头,为紧凑型长焦镜头设计提供了新的解决思路。(查看全文信息请点击文末“阅读原文”)

撰稿人:许宁晏

论文题目:应用自由曲面的紧凑型长焦手机镜头设计(特邀)

作者:许宁晏,高志山,陈露,黄静,邹宇通,袁群

完成单位:南京理工大学 电子工程与光电技术学院;江苏省计量科学研究院(江苏省能源计量数据中心)

导读

随着手机摄影的发展,手机逐渐成为了更多人记录生活的首选工具,在手机镜头不断内卷且同质化的今天,长焦镜头的更新换代却始终能给消费者带来新鲜感,这得益于长焦镜头独有的成像特性。
在同等的距离下,焦距越长,拍摄的画面就越大越清晰,就像把远处的物体拉近了。因此,无论是上课拍课件还是旅游拍风景,相较于广角镜头和主摄镜头,长焦镜头都能呈现更好的拍摄效果。

广角                              主摄                                长焦

但长焦镜头并不是简单地将广角或主摄拍摄画面放大,它还具备压缩空间的视觉效果,即减小不同距离景物之间的空间感,从而使得画面更充实、紧凑而饱满。拍摄相同的物体时,长焦过滤了背景中的干扰元素使得成片画面更加纯净、主体更加突出,因此长焦镜头成为拍摄人像的不二之选。
从光学设计的角度出发,长焦镜头的特点之一就是光路长,为了迎合智能手机小型化、轻量化、超薄化的发展趋势,目前主流的解决方案是采用一个或多个棱镜折叠光路形成潜望式结构折叠光路压缩系统总长。然而,光线经过棱镜多次折转后,光线强度大幅衰减,因此潜望式镜头比普通镜头对传感器尺寸的要求更高;同时受限于手机的体积,感光元件的面积有限,暗光环境下潜望式长焦镜头难以达到理想的成像效果;另外一方面,潜望式长焦光路结构复杂,调校难度高,还需匹配相应的OIS光学防抖技术,使得模组成本高昂。因此,即便潜望式结构是目前手机长焦镜头的最佳解决方案,但2023年来鲜有中低端机型搭载潜望镜头,仅部分厂商推出的高端旗舰机型才有相应的配置。
图1 华为P60 Pro 潜望式长焦示意图
图2 OPPO Reno10 Pro+ 潜望式长焦示意图
如何在满足成像需求的前提下,进一步实现长焦镜头的小型化、轻量化设计是目前手机长焦镜头亟待解决的问题。

研究背景

离轴反射式的光学系统在轻量化、小型化方面具备显著优势,且无色差、无遮拦,已在对地遥感、空间摄影等领域得到广泛应用。而自由曲面具备设计自由度高、面型表征能力强等优势,在进一步提高成像质量的同时可以实现大视场、大孔径、小型化、轻量化等设计目标。将二者结合,利用离轴三反实现无色差、轻量化、小型化,利用自由曲面保障成像质量,从而实现紧凑型长焦手机镜头的设计。
图3 离轴三反的常见结构型式
离轴三反的常规设计方法有围绕初级像差理论展开的同轴系统离轴化设计法;以及根据物像关系,利用等光程理想成像原理和折反射定律等几何光学传播定律,建立光线与表面之间的方程组,并求解曲面离散点数据的直接设计法。
但由于离轴三反的结构型式和自由曲面的面形特点,光学系统不再具备旋转对称特性,且布局型式越紧凑,元件离轴化程度越高,因此,难以通过直接对同轴结构的优化实现设计指标;而直接设计法则需要对大量光线进行采样和追迹,计算量庞大。为简化初始结构设计过程并得到一个较为理想的初始结构,我们将利用圆锥曲面的光学特性进行离轴初始结构的设计。

主要内容

1 设计思想
圆锥曲面是在球面方程的基础上,增加圆锥系数从而得到的面形,相较于球面,它具备独特的光学特性:圆锥曲面具有两个几何意义上的“焦点”,通过圆锥曲面可以实现两个“焦点”之间的完善成像——平行光经抛物面反射后会聚于焦点处;而椭球面的一个焦点发出的光线经反射呈实像于另一焦点;从双曲面的一个焦点发出的光线经过反射呈虚像于另一焦点。
图4 圆锥曲面的成像特性
我们利用圆锥曲面焦点共轭的成像特点构建可对于轴上点完善成像的离轴三反初始结构:三片反射镜分别采用正光焦度的抛物面镜、负光焦度的椭球面镜以及正光焦度的椭球面镜,调整圆锥曲面偏心和旋转参数,使得相邻两个圆锥曲面焦点两两重合。
图5 初始结构设计示意图
这样的设计一方面利用二次曲面焦点共轭成像的光学特性实现轴上点完善成像,另外一方面,也通过正-负-正光焦度组合的方式实现平场设计的效果。
2 设计实例
基于以上初始结构设计思想及理论,进行应用于智能手机的紧凑型长焦镜头案例设计,但仅仅利用圆锥曲面的光学特性难以实现更大视场的成像,故在初始结构的基础上,在三镜上叠加自由曲面以达到扩展视场、提升像质的效果。本文所设计的长焦手机镜头参数如下:
表1 光学系统设计参数
优化后的系统光路由3片反射镜组成,其中主镜为离轴抛物面、次镜椭球面基底的偶次非球面、三镜为椭球面基底的自由曲面。
图6 优化后系统光路图
该紧凑型长焦镜头各视场各波段MTF在截止频率处均高于0.2,相对畸变小于0.5%且无色差,像面相对照度高于95%无暗角,符合手机镜头成像需求。
图7 对经典场景的成像模拟
对经典场景的成像效果进行仿真模拟,该系统成像清晰,边缘视场相对照度略低于中心视场,但像面并不存在暗角,边缘可以看出畸变对像面产生微弱的影响。
无论是潜望式长焦或是离轴三反长焦,镜头模组厚度均取决于传感器尺寸与系统通光口径,而元件的数量和布局方式决定了模组的长和宽。
图8 潜望式长焦模组结构示意图
尽管潜望式结构利用棱镜压缩系统总长,但仍需要约35 mm×25 mm的空间对元件进行布局。文中设计的紧凑型长焦镜头体积为26 mm×24 mm×10 mm,在小型化及轻量化方面均具备明显优势;同时,全反射面的设计无需考虑色差的校正,光能损失更小。

结论

针对紧凑型长焦系统设计需求,我们利用圆锥曲面几何焦点共轭的光学特性,提出了一种离轴三反初始结构设计方法,并在此基础上利用自由曲面扩大视场、提升像质,完成了可搭载于手机的紧凑型长焦镜头设计,其F数为5,等效焦距达196 mm,视场范围±3.8°,成像质量良好,各视场各波段MTF在截止频率处均高于0.2,相对畸变小于0.5%且无色差,像面相对照度高于95%无暗角,为轻量化、小型化、紧凑型长焦镜头的设计提供了新的解决思路。

作者及团队介绍


南京理工大学先进光学设计与检测技术仪器团队依托光学工程家一级重点学科长期从事光学设计理论与方法、光学精密测试技术方面的研究工作,研发了多类型光学模拟器、光干涉测试仪器,在航天载荷、激光聚变、半导体加工等领域发挥了重要作用。


高志山,南京理工大学电子工程与光电技术学院教授、博士生导师,中国光学工程学会理事、中国光学学会理事、中国光学学会光学测试专业委员会副主任、中国航天科工集团第8358所客座研究员、中国宇航学会光电技术专业委员会常委、新版《光学手册》编委、《光学与光子学》丛书编委,出版《现行光学元件检测与国际标准》与《现代光学设计实用方法》。长期从事先进光学设计、光学计量测试、眼视光学等领域的科研与教学工作。作为项目负责人主持包括国家重点研发计划项目在内的国家级、省部级科研项目二十余项。


袁群,南京理工大学电子工程与光电技术学院教授、博士生导师,主要研究方向为自由曲面设计与检测、复杂微结构参数测试与评价、空间载荷的地面模拟测试与评估。承担国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、天文联合基金等科研项目十余项,入选江苏省青蓝工程中青年学术带头人、六大人才高峰计划,南京理工大学卓越计划青年教授。


许宁晏,南京理工大学电子工程与光电技术学院博士研究生,主要从事成像光学系统设计方面的研究。

文章信息

许宁晏,高志山,陈露,黄静,邹宇通,袁群.应用自由曲面的紧凑型长焦手机镜头设计(特邀)[J].红外与激光工程,2023,52(07):20230322. doi: 10.3788/IRLA20230322

全文链接:http://irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20230322(阅读原文)

End

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文章转载自微信公众号:光电e+

 
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