ANSYS部落格
March 15, 2023
將攝影鏡頭縮小和簡化以滿足市場需求
光學設計人員一直面臨消費者對更小、更輕盈裝置（如相機）的需求，同時不斷提升影像品質的挑戰。通常，達到最佳的圖影像質會取決於透鏡數量越多的透鏡安裝在裝置中，就能達到更高的解析度和色彩精準度。
就智慧型手機相機而言，目前市面上的裝置最多有八個鏡頭。截至 2022 年，專利的申請報告顯示現今市面上的鏡頭包括至少兩個以上的設計。
為了達成這個目標，製造商必須放棄在精準度和微型化非必要時代所使用的球形玻璃透鏡（如圖1所示）的傳統方法。取而代之，非球面塑膠鏡片成了常態。塑膠材質提供了透鏡的薄度和輕量化。非球面的形狀可以使用強大的光學軟體用「暴力」的方式計算來調整和聚焦光線，直到它們產出理想的影像（如圖2所示）。
圖 1、較早期的光學系統用玻璃透鏡和簡單計算，將光線投影和聚焦到能夠產生影像的表面上。在此範例中，這個鏡頭系統大約有 15 毫米寬，距離投射面超過 30 毫米。
圖 2、現代對微型化、輕量化光學系統的需求，促使使用非球面塑膠透鏡，並將其精確定位。光學設計人員使用來自強大光學模擬軟件計算的「暴力方法」，將這些透鏡系統應用於小型機械外殼中（例如智慧型手機相機），以實現卓越的影像品質。
克服障礙以創造更小、更輕量的光學系統
無論使用何種材料或再小的尺寸，但凡增加更多鏡片，都會增加裝置的重量。這不僅對消費者不便，同時也會影響耗電和生產力。智慧型手機利用像自動對焦機制和音圈馬達等功能，透過將鏡頭在裝置內上下移動，從而實現物理操控鏡頭的功能。但是鏡頭系統越重，就越難在有限的空間內進行這些操作。
只有透過光學模擬軟體的進步以及精密工具製造方面的平行進展，才能實現製造較小、更輕的鏡頭系統。模擬技術得以辨識出一個可預測的鏡頭系統設計中的光線路徑，預測和修正光線對於影像品質產生的任何不良影響。工具技術的進步讓光學公司能夠製造其工程師設計之最微小且最複雜的光學系統。
Ansys 持續尋求不同方法，利用光學和光學機械的最新進展，協助客戶設計並生產最出色、最有效率和最強大的光學裝置。手機公司和鏡頭供應商經常使用 Ansys Zemax 解決方案進行這些模擬，以速度和精準度在激烈的市場中保持領先。
繞射光學：一個光柵可以代替多個透鏡的需求
為了應對微型化系統的效能挑戰，一些光學團隊正考慮使用繞射光柵取代某些透鏡。繞射光柵是由重複的微小凹槽或突起構成的表面，具有恆定的周期。當光線撞擊到這些表面時，它會將光譜繞射成不同方向上的各種可見色彩，產生彩虹效果。
在科學層面上，繞射光柵在技術上是分光儀，可以將可見光分裂成一系列精確方向的波長。這種能力使得繞射光柵在光學設計中非常有用，因為由此產生的光線可以在光導管內外進行操作。
上圖呈現三種不同的繞射光柵表面結構：無規則光柵（左圖）、傾斜光柵 (中圖)及具有鋁鍍層的閃耀階梯光柵（右圖）。
繞射光學主要有助於增強色彩修正，為影像品質的關鍵因素之一。對於塑膠鏡片來說，色彩控制的能力非常有限，特別是在單一鏡片內實現色彩控制更是具有挑戰性，因此，繞射光學格外有用。為使塑膠鏡片獲得良好的影像，您將需要更多的鏡片，這也是現代裝置內部充滿著鏡片的原因。另外，若額外的鏡頭總會增加最終產品的成本和重量，繞射光柵提供多重鏡頭的服務，即在一個光子元件中作為多個透鏡，從而減少整體所需的鏡頭數量。如果設計中包括繞射元件，那只需要一半或更少的數量就能實現相同的影像品質。
利用繞射效應從而簡化智慧型手機鏡頭設計的好處
使用繞射技術與否的決定取決於公司願意做出的商業平衡利益。繞射光柵是複雜的光學元件，通常製造成本比鏡頭高許多。部分的成本來自於光柵的必要設計和高精密度品質的製造，以避免通常與其相關的「彩虹」色彩光暈。想像一下，當您在手中反轉 CD 並稍微移動時，您看到的那種閃耀光芒便是繞射光柵效應的日常體驗。這是一種可以用於某些產品的美學效果，但作為光學系統的特性，卻不被需要的。
然而，如果您的光學產品值得合適的繞射元件投資，它提供的簡化將為您的設計帶來多種好處。您除了可以在更小的空間和較輕的重量下達到影像品質要求，如果光學系統設計恰當，還可以達到比單一鏡頭更高的色彩校正水平。這是因為單一元件取代多個鏡片，您不需要透過比較元件之間的繞射指數來「消除」顏色，而所有這些都在單一元件中完成。繞射元件本身可在不需要額外的計算下修正色彩。繞射元件特別適用於塑膠鏡片，因為折射率變化有限，使得色彩修正成為獨特的挑戰。
使用繞射光學簡化設計的另一項優勢是在製造過程中可以減少佈局的錯誤。元件越少，引入正確架置問題的門檻就會越高，所需要擔心系統的容差也就越少。然而，最大的優勢在於較少的零件可使團隊節省時間和金錢。由於容許的公差降低，材料投資和工作週期本身都有所減少。擁有較少需要對齊和組裝的零件，使製造更加容易，減少建造所需的時間。
這些節省可能會被製造繞射光柵的成本抵銷，如上所述，但省下來的淨成本仍可以使繞射在許多情況下成為一個有效的選擇。此外，這也帶有生態效益，因為較輕的裝置在電池層面上更具能源效率，而較少的設計和生產週期則會轉化為更小的環境足跡和較少的物料浪費。
如要深入了解關於繞射光柵的更多見解和細節，以及如何在 Ansys 產品中進行模擬，請閱讀我們最近關於使用 Ansys Lumerical Sub-wavelength Model (LSWM) 與 Ansys Speos的部落格文章。
這個系列的下一篇部落格文章將討論嚴謹耦合波分析 (RCWA) 在增加光柵系統光學效率方面的角色，以及RCWA 技術在光學設計中的其他創新優勢。