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攝像頭模組必備組件-光學鏡頭分析

2020-04-23 11:55:44 來源:安防知識網

[摘要] 光學鏡頭是光學成像系統中的必備組件,是影響成像質量的關鍵因素,鏡頭一般主要由鏡片lens、間隔圈Spacer和鏡筒組成。

  光學鏡頭作為機器視覺系統中必不可少的部件,直接影響成像質量的優劣,影響算法的實現和效果。光學鏡頭從焦距上可分為短焦鏡頭、中,長焦鏡頭;從視場大小分有廣角、標準,遠攝鏡頭;結構上分有固定光圈定焦鏡頭,手動光圈定焦鏡頭,自動光圈定焦鏡頭,手動變焦鏡頭、自動變焦鏡頭,自動光圈電動變焦鏡頭,電動三可變(光圈、焦距、聚焦均可變)鏡頭等。

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  資料來源:中商產業研究院整理

  光學鏡頭研發與制造處于產業鏈中游,其上游為光學鏡頭生產所需的設備儀器及原材料,原材料主要包括玻璃鏡片、塑膠鏡片、電子零件、塑膠原料、金屬部件等。

  下游為光學鏡頭的應用領域,主要包括安防監控設備、手機相機攝像頭模組、車載攝像頭模組、機器視覺系統、VR/AR 設備等。

  光學鏡頭是光學成像系統中的必備組件,是影響成像質量的關鍵因素,鏡頭一般主要由鏡片lens、間隔圈Spacer和鏡筒組成。

  //玻塑混合鏡頭應用領域最廣泛//

  不同類型的光學鏡頭應用領域差異較大,其中:

  》塑料鏡頭主要應用于智能手機領域;

  》玻璃鏡頭主要應用于中高端安防視頻監控、車載成像系統、機器視覺以及中高端新興消費類電子領域;

  》玻塑混合鏡頭應用更加廣泛,上述領域幾乎都能覆蓋。

  衡量鏡頭解析力的常用指標是 MTF(Modulation Transfer Function,調制轉換函數),它衡量的是鏡頭對對比度的還原情況。

  理想鏡頭的還原情況可以達到 100%,最差的鏡頭無法還原對比度,所以 MTF 的值位于 0—1 區間內。MTF 的值越大,表明鏡頭的解析力越好。

  例如在下圖中,黑白條的對比度原本是100%,但經過鏡頭的處理之后,黑白條的中間地帶會由于光線的串擾而呈現灰色,這就是無法完全還原對比度的情況。

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  在這個例子中,這個鏡頭的MTF值為90%,表示可以還原90%的對比度。

  在手機可見光攝像頭中,盡管玻璃材料的透光量要好于塑膠鏡頭,但塑膠易于成型,可以組成各種所需要的組合,對光線的控制也更優,所以塑膠鏡頭的MTF反而會大于玻璃鏡頭。

  基于此,我們認為塑膠鏡頭仍將是未來一段時間內手機可見光鏡頭的主流,但玻璃鏡頭或玻塑混合鏡頭大概率也將會占有一席之地。

  在手機可見光攝像頭中,盡管玻璃材料的透光量要好于塑膠鏡頭,但塑膠易于成型,可以組成各種所需要的組合,對光線的控制也更優,所以塑膠鏡頭的 MTF 反而會大于玻璃鏡頭?;诖?,塑膠鏡頭仍將是未來一段時間內手機可見光鏡頭的主流,但玻璃鏡頭或玻塑混合鏡頭大概率也將會占有一席之地。

  一般而言,鏡片數量越多,鏡頭的成像質量越高。塑膠鏡頭與玻璃鏡頭由于在材料屬性、加工工藝、透光率等方面都存在著很大的差異,因此最終的適用范圍也大有不同。

  塑膠鏡頭是由光學塑膠鏡片組成的鏡頭,由于可塑性強,容易制成非球面形狀,方便小型化等特點,廣泛應用于手機、數碼相機等設備上。玻璃鏡頭是由玻璃鏡片組立而成,由于對模造技術、鍍膜工藝、精密加工等方面有著較高的要求以及其透光率高的特點,更多應用于高端影像領域,如單反相機、高端掃描儀等設備。

  玻璃塑膠混合鏡頭,由部分玻璃鏡片和部分塑膠鏡片共同組成,結合了二者的特點,具有高折射率的光學性能和穩定性,廣泛應用于監控攝像頭、數碼相機、車載攝像頭等鏡頭模組中。

  塑膠鏡頭、玻璃鏡頭及玻璃塑膠混合鏡頭特征對比

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  //光學鏡頭關鍵加工工藝//

  光學鏡頭的難點主要在于設計和制造環節。

  光學鏡頭的難點之一在于設計環節。設計環節需要的是多年的經驗積累,以及想象力的發揮,不僅僅是一門工程,更是一門藝術。

  每一個設計的光學鏡頭都可以專門申請專利,保護設計師的心血結晶。設計環節直接決定廠商能否生產某一規格的鏡頭,是進入這個行業的門票。

  光線在穿過鏡頭時,會發生非常復雜的折射過程才能到達圖像傳感器。這些復雜的折射過程會使圖像傳感器上的成像與根據高斯光學得到的理論結果產生差距,這就是像差。像差無法完全消除,所以這個世界不存在完美的鏡頭。

  光學設計就是通過組合不同形狀、不同數目的透鏡,實現對這些像差的控制,盡可能獲得盡可能完美的成像效果。

  但是因為像差實在太多,所以想實現完全的像差控制是不可能的,只能通過光學設計在眾多像差中取得平衡。光學設計不是工程,而是藝術,是對于美的理解,考驗的是光學設計師的經驗、天賦和靈感。

  萊卡和蔡司作為最優秀的光學廠商,引以為傲的正是其在光學設計上的深厚積累。華為與萊卡合作,主要的合作內容就是萊卡幫助華為改善光學設計。  

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  光學鏡頭的難點之二在于制造環節。

  如果說設計解決的是鏡頭廠商能否生產的問題,那么制造環節就是決定生產良率和一致性的關鍵。

  在模具、成型、組裝等環節,對于生產精度都有非常高的要求,任何一個環節出現差錯都會對最后的成像效果產生非常大的影響。

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  模具環節是塑膠鏡頭制造的最關鍵部分。

  模具的質量直接影響鏡片的成型,所以需要非常高精度的模具,不僅需要有經驗的設計人員來進行設計,還需要制造人員具有精密加工和檢測方面的基礎。

  在成型環節,材料發生了相變化、密度變化、溫度變化以及壓力變化,必須嚴格精確控制這些變量才能使透鏡擁有良好的光學特性。

  這對廠商的生產提出了極高的要求,不僅需要高精度的儀器,還需要有經驗的熟練工人才能完成操作,任何差錯都會影響最后的成像質量。

  組裝環節是按照順序逐一將加工完成的鏡片、隔片、壓圈等部件完成裝配,并實現光學性能的過程,目前主要通過自動化方式實現組裝。

  鏡頭組裝技術要點十分復雜,對部件加工精度、組裝精度具有極高的要求,整體公差一般不超過 3 微米,而大立光等企業甚至達到 2 微米。

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  光學鏡頭設計非常復雜,目前已知的像差就有數百種,仍有大量未知的像差不斷被發現,需要在設計中被考慮進去。

  光線的折射和反射路徑數不勝數,需要設計師去不斷計算和權衡。透鏡的形狀、位置、材料可以有無數種組合方式,讓設計師們有空間去不斷挖掘更好的設計。

  光學鏡頭行業永遠沒有進步的終點,永遠都有探索的空間。手機鏡頭的生產盡管不像相機鏡頭那么困難,但時間和經驗依然很重要。

  例如臺灣的大立光是最早開始研究塑膠鏡頭的廠商之一,成立至今已有接近 40 年的歷史。

  盡管塑膠鏡頭是在智能手機興起之后才開始蓬勃發展,但大立光在此之前已積累了接近 20 年,所以其他廠商始終難以企及大立光的鏡頭品質和生產良率,這也造就了大立光在手機鏡頭領域的霸主地位。

  綜上,隨著終端應用產品市場的迅速興起,下游行業的發展對光學鏡頭的設計水平和精密生產加工能力提出了更高的要求,同時其與日俱增的市場需求也為光學鏡頭行業的可持續健康發展提供了寶貴的契機。

  //光學鏡片決定成像效果//

  除了傳感器之外,光學鏡片的質量也是決定畫面的重要因素。鏡頭一般由多個鏡片+間隔圈+鏡筒組成,理論上鏡片越多,光線的匯聚能力越強,鏡頭的解析力和對比度越高,成像效果越好,但手機鏡頭也會越厚,光線損失也會更嚴重。

  目前市場上大部分手機鏡頭是由4-5片鏡片組成,部分高端智能手機已經采用6片及以上鏡片的配置。潛望式鏡頭技術的出現使鏡片數量不再受限于手機厚度,預計未來鏡片數量的平均中樞會繼續上移,2019年下半年預計6P+鏡頭滲透率將超達到28%。

       //3D鏡頭產業鏈//

  通過對已經上市的主流3D攝像頭產品進行拆解分析,3D攝像頭產業鏈可以被分為:

  1、上游:紅外傳感器、紅外光源、光學組件、光學鏡頭以及CMOS圖像傳感器;

  2、中游:傳感器模組、攝像頭模組、光源代工、光源檢測以及圖像算法;

  3、下游:終端廠商以及應用。

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[責任編輯:汪琴麗]

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