缩小和简化相机镜头以满足市场需求

光学设计人员面临着一个持续的挑战，即满足消费者对更小、更轻的设备(如相机)的需求，同时不断提高图像质量。一般来说，获得最佳画质取决于镜头数量:设备中可以容纳的镜头越多，分辨率和色彩精度就越高。

以智能手机相机为例，目前市场上的设备最多有8个镜头。截至2022年，专利申请显示的设计至少包括两个以上。

为了达到这一点，制造商必须首先放弃使用球形玻璃透镜的旧方法(如图1所示)，因为当时不需要极高的精度和小型化。代替这些，非球面塑料镜片成为标准。塑料保证了薄和轻的重量。非球面的形状使复杂的透镜配置，使用强大的光学软件计算的“蛮力”来引导和聚焦光线路径，直到它们产生理想的图像，如图2所示。

克服障碍，创造更小，更轻量的光学系统

不管它们有多小，或者你使用什么材料，更多的镜头总是会增加设备的重量。这种增加的重量不仅给消费者带来不便，而且对功耗和可制造性也有影响。智能手机使用自动对焦机制和音圈马达等功能，通过在设备外壳内上下移动镜头来物理操纵镜头。但镜头系统越重，在如此有限的空间内执行这些操作就越困难。

制造更小、更轻的透镜系统只能通过光学模拟软件的进步，以及精密工具的并行制造进步来实现。模拟可以通过提出的透镜系统设计来识别光线路径，并预测和纠正光线对图像质量的任何不良影响。工具的进步使光学公司能够制造他们的工程师可以设计的最小和最复杂的光学系统。

我们一直在寻求利用光学和光力学的最新发展来帮助我们的客户设计和生产最好，最高效，最强大的光学设备的方法。手机公司和镜头供应商经常使用Ansys Zemax解决方案为了在竞争激烈的市场中保持步伐所需的速度和准确性来构建这些模拟。

衍射光学:一个光栅取代了对多个透镜的需求

为了帮助满足小型化系统的性能挑战，一些光学团队正在寻求使用衍射光栅来代替某些透镜。衍射光栅是由重复图案的微小沟槽或凸起组成的表面，具有恒定的周期。当光线照射到这些表面时，它会在不同的角度方向将光谱衍射成各种可见颜色，从而产生彩虹效应。

在科学层面上，衍射光栅在技术上是光谱仪，将可见光在精确的方向上分成一组波长。这种能力使得衍射光栅对光学设计很有用，因为由此产生的光线可以被操纵进出光导。

衍射光学主要有助于提供增强的色彩校正-图像质量的关键组成部分，特别是具有挑战性的塑料镜头-它们对单个镜头内的色彩控制能力有严格的限制。为了用塑料镜头获得好的图像，你需要更多的塑料镜头，这就是导致镜头在现代设备中传播的原因。如果额外的透镜总是会增加你的最终产品的成本和重量，衍射光栅提供了在一个光子元件中充当多个透镜的服务，减少了你需要的透镜数量。一个设计，否则可能需要8个镜头，以达到卓越的图像质量，可以实现使用一半或更少的数量，当设计包括衍射元件。

利用衍射技术简化智能手机镜片设计的好处

是否使用衍射技术的决定取决于公司愿意做出的商业权衡。衍射光栅是一种复杂的光学器件，其生产成本通常比透镜高得多。这种成本的一部分来自这样一个事实，即光栅必须以高精度设计和制造，以避免通常与之相关的“彩虹”色耀斑。想象一下，当你拿着一张CD倒过来，在手里轻轻移动它时，你所看到的眩光——这是衍射光栅效应的日常体验。在某些产品中，为了美观起见，这是一个有趣的品质，但作为光学系统的功能，这是不需要的。

尽管如此，如果为您的光学产品选择合适的衍射元件是值得投资的，那么它为您的设计提供的简化将带来各种好处。你不仅可以在更小的空间里用更少的重量达到图像质量要求，而且如果你的光学装置恰到好处，你还可以获得单独使用镜头无法实现的色彩校正水平。这是因为，通过使用单个元素代替多个镜头，你不需要通过比较元素之间的衍射指数来“抵消”颜色;都是一体的。衍射元件本身对颜色进行校正，而不需要额外的计算。衍射元件对塑料透镜特别有用，其中衍射指数的有限变化使色彩校正成为一项独特的挑战。

使用衍射光学元件简化设计的另一个优点是减少了制造过程中的放置误差。元素越少，引入正确放置问题的门槛就越高，您也就越不需要担心系统的容忍度。

然而，总的来说，最大的优点是更少的部件意味着团队可以节省时间和金钱。材料投资减少了，工作周期本身也减少了，部分原因是公差考虑的减少。有更少的部件对齐和构建使得制造更容易，并减少了构建所需的时间。

如上所述，这些节省可能被生产衍射光栅的成本所抵消，但净节省仍然可以使衍射在许多情况下成为可行的选择。甚至还有生态效益，因为更轻的设备在电池层面上更节能，更少的设计和生产周期意味着更小的环境足迹和更少的材料浪费。

有关衍射光栅的更多见解和详细信息，包括如何在Ansys产品中模拟它们，请阅读我们的最近的博客文章关于使用Ansys数值亚波长模型(LSWM)与Ansys Speos．

本系列的下一篇博文将讨论严格耦合波分析(RCWA)在提高衍射光栅系统的衍射效率方面的作用，以及RCWA技术在光学设计中的其他创新优势。