機(jī)械電子軟件等多學(xué)科技術(shù)推動(dòng)光學(xué)鏡頭發(fā)展

機(jī)械電子軟件等多學(xué)科技術(shù)推動(dòng)光學(xué)鏡頭發(fā)展機(jī)械電子軟件等多學(xué)科技術(shù)推動(dòng)光學(xué)鏡頭發(fā)展光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)及制造是一項(xiàng)融合光機(jī)電算為一體的復(fù)雜系統(tǒng)工程，除光學(xué)相關(guān)技術(shù)外，機(jī)械、電子和軟件等多學(xué)科技術(shù)支撐行業(yè)不斷發(fā)展、推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步。以變焦鏡頭的驅(qū)動(dòng)控制為例，變焦鏡頭的焦距變化是通過鏡頭內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)群組沿光軸方向的位置移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如何合理地移動(dòng)鏡片群組，并保持必要的精度是除光學(xué)設(shè)計(jì)外，變焦鏡頭面臨的另一個(gè)難題。最初誕生的變焦鏡頭形態(tài)為手動(dòng)變焦鏡頭，這種鏡頭在變焦和聚焦時(shí)需要手動(dòng)操作，控制精度較差，應(yīng)用受到限制。隨著驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)變焦鏡頭采用馬達(dá)配合齒輪減速箱的方式替代人工控制凸輪外環(huán)，一定程度上解決了手動(dòng)操作的麻煩，提升了群組驅(qū)動(dòng)控制的精度，但電動(dòng)變焦鏡頭在驅(qū)動(dòng)控制上仍存在不便：A、由于齒輪箱與凸輪結(jié)構(gòu)是多點(diǎn)接觸，在頻繁驅(qū)動(dòng)過程中容易磨損，造成控制精度的下降，驅(qū)動(dòng)壽命僅數(shù)十萬次，當(dāng)進(jìn)入需要高頻率變焦、聚焦的AI時(shí)代，過低的馬達(dá)壽命影響了鏡頭整體使用壽命；B、驅(qū)動(dòng)控制未實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，群組移動(dòng)無位置信息的反饋，群組定位精確性較差；C、凸輪結(jié)構(gòu)決定了整個(gè)鏡筒必須包含移動(dòng)群組、凸輪軌跡槽、鏡筒外殼等多層結(jié)構(gòu)，造成鏡頭外徑和尺寸較大；D、受制于精密加工的工藝極限，凸輪結(jié)構(gòu)難以支持復(fù)雜的組合曲線軌跡，且隨著鏡片群組尺寸的增大，結(jié)構(gòu)精度就越難保證對(duì)復(fù)雜多組元聯(lián)動(dòng)式光學(xué)系統(tǒng)的兼容。為了打破以上困境，鏡頭工業(yè)在驅(qū)動(dòng)技術(shù)、精密加工技術(shù)、定位控制技術(shù)等方面展開了大量研究工作，變焦鏡頭驅(qū)動(dòng)技術(shù)演進(jìn)，產(chǎn)生了一種全新的變焦鏡頭形態(tài)一體式驅(qū)動(dòng)技術(shù)。這一技術(shù)通過支架及步進(jìn)馬達(dá)的配合形式來驅(qū)動(dòng)群組位移，利用高精度的光耦傳感器輔助進(jìn)行群組定位，形成群組移動(dòng)的閉環(huán)控制。采用一體式驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案的一體機(jī)自動(dòng)變焦AF鏡頭（簡(jiǎn)稱一體機(jī)鏡頭）相較同規(guī)格的電動(dòng)變焦鏡頭，具備小體積、高壽命、高精度、快速變焦、自動(dòng)聚焦等特點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)變焦過程的全程清晰，極大地拓寬了變焦鏡頭的應(yīng)用領(lǐng)域。從手動(dòng)變焦到電動(dòng)變焦再到一體式驅(qū)動(dòng)，機(jī)械設(shè)計(jì)、電子及軟件控制技術(shù)的發(fā)展正推動(dòng)光學(xué)鏡頭的發(fā)展。隨著AI識(shí)別等智能化應(yīng)用對(duì)高速捕捉畫面的需求增加，鏡頭高速精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)仍有較大突破空間，以不斷助力鏡頭實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)變焦、快速自動(dòng)聚焦性能，滿足下游智能化應(yīng)用需求。光學(xué)鏡頭各應(yīng)用領(lǐng)域差異化發(fā)展隨著終端產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬和深化，未來光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)的重點(diǎn)是提高成像質(zhì)量、增加功能并縮小體積。具體而言，光學(xué)鏡頭產(chǎn)品技術(shù)在不同的應(yīng)用領(lǐng)域正呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。如在數(shù)字安防領(lǐng)域，隨著視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用范圍和場(chǎng)景的逐步擴(kuò)展，以及其本身向高清化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向的進(jìn)一步延伸，鏡頭產(chǎn)品在小型輕量化、超高清、大倍率變焦、高可靠性、超大光圈、透霧、寬光譜、紅外夜視、光學(xué)防抖等技術(shù)水平方面的要求正日益突出。在無人機(jī)領(lǐng)域，鏡頭產(chǎn)品正在向小型輕量化、高清化、變焦等技術(shù)趨勢(shì)發(fā)展。在車載領(lǐng)域，鏡頭產(chǎn)品在高可靠性、超廣角、小畸變、紅外夜視、防水防霧、玻塑混合等技術(shù)方面發(fā)展趨勢(shì)明顯。在投影領(lǐng)域，鏡頭產(chǎn)品正向超短焦、超高清等技術(shù)方面發(fā)展。在電影領(lǐng)域，鏡頭產(chǎn)品正向全畫幅、超高清、寬銀幕變形等技術(shù)方向發(fā)展。應(yīng)用領(lǐng)域需求的快速變化不斷地推動(dòng)著光學(xué)鏡頭產(chǎn)品和技術(shù)的革新，也對(duì)光學(xué)鏡頭制造企業(yè)的綜合創(chuàng)新能力提出了更高的要求。能夠緊跟市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行深度開發(fā)，滿足市場(chǎng)及客戶需求的企業(yè)將獲得更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。光學(xué)鏡頭行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展非球面鏡片在提高光學(xué)性能、解決畸變、壓縮鏡頭尺寸等問題上具備突出優(yōu)勢(shì)。一枚非球面鏡片對(duì)球差、場(chǎng)曲等光學(xué)像差的矯正效果相當(dāng)于數(shù)枚球面鏡片，因此在光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)中引入非球面鏡片，可以在保證成像性能的前提下，有效壓縮光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度和體積，實(shí)現(xiàn)鏡頭的小型輕量化設(shè)計(jì)。日本廠商尼康、佳能等在1960年左右即開始了非球面鏡片設(shè)計(jì)、制造相關(guān)的技術(shù)研究并推出使用非球面鏡片的相機(jī)鏡頭，是光學(xué)鏡頭行業(yè)的一大進(jìn)步。后國內(nèi)光學(xué)廠商也相繼突破該項(xiàng)技術(shù)，能夠在設(shè)計(jì)中應(yīng)用非球面鏡片，但對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的掌握程度仍存在差異。組合使用各類特征復(fù)雜矢量曲面鏡片技術(shù)至今仍是光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)技術(shù)的一大熱點(diǎn)，鏡片的使用從傳統(tǒng)球面不斷向非球面、自由曲面等發(fā)展，在矯正像差、提高成像質(zhì)量、擴(kuò)大視場(chǎng)、減少鏡片數(shù)量、壓縮鏡頭尺寸等方面的性能不斷提升，光學(xué)設(shè)計(jì)具備更大自由度和靈活性，滿足各個(gè)場(chǎng)景下的清晰成像需求。光學(xué)鏡頭行業(yè)發(fā)展歷程光學(xué)鏡頭行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游為原材料環(huán)節(jié)，主要包括光學(xué)塑膠、光學(xué)玻璃等；中游為光學(xué)鏡頭生產(chǎn)供應(yīng)環(huán)節(jié)；下游主要應(yīng)用于手機(jī)、攝像機(jī)、光學(xué)儀器、車載攝像頭模組、安防監(jiān)控設(shè)備、機(jī)器視覺、VR/AR設(shè)備等領(lǐng)域。智能手機(jī)是光學(xué)鏡頭主要下游應(yīng)用領(lǐng)域之一，隨著近年來我國智能手機(jī)的不斷普及，使得我國智能手機(jī)市場(chǎng)逐漸趨于飽和，市場(chǎng)需求主要為必要的替換需求，使得我國智能手機(jī)出貨量呈下降趨勢(shì)。2021年受5G升級(jí)的影響，智能手機(jī)出貨量有所增長(zhǎng)，達(dá)3．4億臺(tái)，同比增長(zhǎng)13．3%。光學(xué)鏡頭新型光學(xué)元件被不斷采用隨著光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步、幾何光學(xué)的發(fā)展，除了傳統(tǒng)單一光軸的光路設(shè)計(jì)，折射透鏡、棱鏡和反射鏡等新型光學(xué)元件被廣泛應(yīng)用于各類光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)中，可以有效利用空間體積的重構(gòu)來減少光學(xué)鏡頭在特定方向上的尺寸或?qū)崿F(xiàn)特殊的光路設(shè)計(jì)，如潛望式手機(jī)變焦鏡頭設(shè)計(jì)、反射式超短焦投影鏡頭設(shè)計(jì)等，正逐漸成為光學(xué)行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)熱點(diǎn)之一。同時(shí)，微透鏡陣列、全息透鏡、衍射光學(xué)元件等新型光學(xué)元組件應(yīng)用逐步增加，給光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)及應(yīng)用帶來了更多的可能性。光學(xué)鏡頭產(chǎn)業(yè)鏈光學(xué)鏡頭屬于光電產(chǎn)業(yè)鏈的重要部分。其中上游產(chǎn)業(yè)鏈由光學(xué)玻璃、光學(xué)塑料等光學(xué)原材料供應(yīng)商和鏡片、濾光片等光學(xué)元件供應(yīng)商組成。光學(xué)鏡頭及鏡頭模組是光學(xué)成像系統(tǒng)中的核心組成部分，其通過光學(xué)折射原理將需拍攝的景物聚焦到圖像傳感器芯片上，實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像。作為產(chǎn)業(yè)鏈中游，光學(xué)鏡頭是光電技術(shù)結(jié)合最緊密的部分，是制造各種光電產(chǎn)品、光學(xué)儀器的核心，需要根據(jù)下游不同應(yīng)用領(lǐng)域的差異化需求進(jìn)行研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，具備較高的技術(shù)門檻。下游為光電技術(shù)與視頻監(jiān)控、人工智能、智能制造、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)檢測(cè)、智能車載、激光顯示等領(lǐng)域結(jié)合而成的各類產(chǎn)品，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。隨著光電子技術(shù)以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展，作為重要信息輸入端口的光學(xué)鏡頭，應(yīng)用范圍從傳統(tǒng)的相機(jī)、光學(xué)顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域向視頻監(jiān)控、智能手機(jī)等領(lǐng)域充分滲透，并不斷拓展到機(jī)器視覺、自動(dòng)駕駛、人工智能、生物識(shí)別、物聯(lián)網(wǎng)等熱門應(yīng)用領(lǐng)域。光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)及精密制造技術(shù)、光學(xué)材料開發(fā)及光學(xué)元件加工技術(shù)的不斷進(jìn)步使光學(xué)鏡頭在功能和性能方面得到快速發(fā)展，成為智慧城市、智慧交通、智能制造、航空航天、空間探測(cè)、遙感觀測(cè)、半導(dǎo)體制造、生物醫(yī)療等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)展的重要支撐。光學(xué)鏡頭全球現(xiàn)狀隨著光學(xué)鏡頭下游應(yīng)用場(chǎng)景愈發(fā)廣泛、主要制造生產(chǎn)國出臺(tái)扶持政策及相關(guān)制造技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng)新，全球光學(xué)鏡頭需求量逐年遞增，行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)定增長(zhǎng)。據(jù)資料顯示，2021年全球光學(xué)鏡頭行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模為70億美元，同比增長(zhǎng)12．9%。隨著行業(yè)下游需求量的不斷增長(zhǎng)，近年來全球光學(xué)鏡頭出貨量持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)資料顯示，2021年全球光學(xué)鏡頭出貨量為77億只，同比增長(zhǎng)11．6%。多學(xué)科技術(shù)推動(dòng)光學(xué)鏡頭發(fā)展光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)及制造是一項(xiàng)融合光機(jī)電算為一體的復(fù)雜系統(tǒng)工程，除光學(xué)相關(guān)技術(shù)外，機(jī)械、電子和軟件等多學(xué)科技術(shù)支撐行業(yè)不斷發(fā)展、推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步。以變焦鏡頭的驅(qū)動(dòng)控制為例，變焦鏡頭的焦距變化是通過鏡頭內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)群組沿光軸方向的位置移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如何合理地移動(dòng)鏡片群組，并保持必要的精度是除光學(xué)設(shè)計(jì)外，變焦鏡頭面臨的另一個(gè)難題。最初誕生的變焦鏡頭形態(tài)為手動(dòng)變焦鏡頭，這種鏡頭在變焦和聚焦時(shí)需要手動(dòng)操作，控制精度較差，應(yīng)用受到限制。隨著驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)變焦鏡頭采用馬達(dá)配合齒輪減速箱的方式替代人工控制凸輪外環(huán)，一定程度上解決了手動(dòng)操作的麻煩，提升了群組驅(qū)動(dòng)控制的精度，但電動(dòng)變焦鏡頭在驅(qū)動(dòng)控制上仍存在不便：A、由于齒輪箱與凸輪結(jié)構(gòu)是多點(diǎn)接觸，在頻繁驅(qū)動(dòng)過程中容易磨損，造成控制精度的下降，驅(qū)動(dòng)壽命僅數(shù)十萬次，當(dāng)進(jìn)入需要高頻率變焦、聚焦的AI時(shí)代，過低的馬達(dá)壽命影響了鏡頭整體使用壽命；B、驅(qū)動(dòng)控制未實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，群組移動(dòng)無位置信息的反饋，群組定位精確性較差；C、凸輪結(jié)構(gòu)決定了整個(gè)鏡筒必須包含移動(dòng)群組、凸輪軌跡槽、鏡筒外殼等多層結(jié)構(gòu)，造成鏡頭外徑和尺寸較大；D、受制于精密加工的工藝極限，凸輪結(jié)構(gòu)難以支持復(fù)雜的組合曲線軌跡，且隨著鏡片群組尺寸的增大，結(jié)構(gòu)精度就越難保證對(duì)復(fù)雜多組元聯(lián)動(dòng)式光學(xué)系統(tǒng)的兼容。為了打破上述困境，鏡頭工業(yè)在驅(qū)動(dòng)技術(shù)、精密加工技術(shù)、定位控制技術(shù)等方面展開了大量研究工作，變焦鏡頭驅(qū)動(dòng)技術(shù)演進(jìn)，產(chǎn)生了一種全新的變焦鏡頭形態(tài)一體式驅(qū)動(dòng)技術(shù)。這一技術(shù)通過支架及步進(jìn)馬達(dá)的配合形式來驅(qū)動(dòng)群組位移，利用高精度的光耦傳感器輔助進(jìn)行群組定位，形成群組移動(dòng)的閉環(huán)控制。采用一體式驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案的一體機(jī)自動(dòng)變焦AF鏡頭（簡(jiǎn)稱一體機(jī)鏡頭）相較同規(guī)格的電動(dòng)變焦鏡頭，具備小體積、高壽命、高精度、快速變焦、自動(dòng)聚焦等特點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)變焦過程的全程清晰，極大地拓寬了變焦鏡頭的應(yīng)用領(lǐng)域。從手動(dòng)變焦到電動(dòng)變焦再到一體式驅(qū)動(dòng)，機(jī)械設(shè)計(jì)、電子及軟件控制技術(shù)的發(fā)展正推動(dòng)光學(xué)鏡頭的發(fā)展。隨著AI識(shí)別等智能化應(yīng)用對(duì)高速捕捉畫面的需求增加，鏡頭高速精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)仍有較大突破空間，以不斷助力鏡頭實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)變焦、快速自動(dòng)聚焦性能，滿足下游智能化應(yīng)用需求。光學(xué)鏡頭變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展二十世紀(jì)初，美國光學(xué)專家Allen?Mann首次采用物像交換原理成功設(shè)計(jì)出了世界上第一款真正意義上的變焦距鏡頭（美國專利U．S．P．696788）。但初期由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的落后和光學(xué)冷加工、鍍膜技術(shù)的不完善，使得變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用受到較大限制，仍處于研究階段。1932年德國光學(xué)專家赫爾穆特專門為西門子設(shè)計(jì)了一款焦距25-80mm，變焦倍率3．2倍的變焦鏡頭。該鏡頭中由變焦群組和聚焦群組（群組指由光學(xué)鏡片組成的光學(xué)元組件）分別獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，不僅實(shí)現(xiàn)了焦距的變化，同時(shí)保證了成像面在焦距變化過程中的穩(wěn)定，是雙組元變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)