攝像頭模組必備組件-光學(xué)鏡頭分析

光學(xué)鏡頭作為機器視覺系統(tǒng)中必不可少的部件，直接影響成像質(zhì)量的優(yōu)劣，影響算法的實現(xiàn)和效果。光學(xué)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(jié)構(gòu)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。資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理光學(xué)鏡頭研發(fā)與制造處于產(chǎn)業(yè)鏈中游，其上游為光學(xué)鏡頭生產(chǎn)所需的設(shè)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(xué)鏡頭的應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括安防監(jiān)控設(shè)備、手機相機攝像頭模組、車載攝像頭模組、機器視覺系統(tǒng)、VR/AR設(shè)備等。

光學(xué)鏡頭是光學(xué)成像系統(tǒng)中的必備組件，是影響成像質(zhì)量的關(guān)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(yīng)用領(lǐng)域最廣泛不同類型的光學(xué)鏡頭應(yīng)用領(lǐng)域差異較大，其中：塑料鏡頭主要應(yīng)用于智能手機領(lǐng)域；玻璃鏡頭主要應(yīng)用于中高端安防視頻監(jiān)控、車載成像系統(tǒng)、機器視覺以及中高端新興消費類電子領(lǐng)域；玻塑混合鏡頭應(yīng)用更加廣泛，上述領(lǐng)域幾乎都能覆蓋衡量鏡頭解析力的常用指標是MTF（ModulationTransferFunction，調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)），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(qū)間內(nèi)。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(jīng)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(xiàn)灰色，這就是無法完全還原對比度的情況。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(yōu)，所以塑膠鏡頭的MTF反而會大于玻璃鏡頭?；诖耍覀冋J為塑膠鏡頭仍將是未來一段時間內(nèi)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(yōu)，所以塑膠鏡頭的MTF反而會大于玻璃鏡頭。基于此，塑膠鏡頭仍將是未來一段時間內(nèi)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(shù)量越多，鏡頭的成像質(zhì)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(xué)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(yīng)用于手機、數(shù)碼相機等設(shè)備上。玻璃鏡頭是由玻璃鏡片組立而成，由于對模造技術(shù)、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(yīng)用于高端影像領(lǐng)域，如單反相機、高端掃描儀等設(shè)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(jié)合了二者的特點，具有高折射率的光學(xué)性能和穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于監(jiān)控攝像頭、數(shù)碼相機、車載攝像頭等鏡頭模組中。

光學(xué)鏡頭關(guān)鍵加工工藝光學(xué)鏡頭的難點主要在于設(shè)計和制造環(huán)節(jié)。光學(xué)鏡頭的難點之一在于設(shè)計環(huán)節(jié)。設(shè)計環(huán)節(jié)需要的是多年的經(jīng)驗積累，以及想象力的發(fā)揮，不僅僅是一門工程，更是一門藝術(shù)。每一個設(shè)計的光學(xué)鏡頭都可以專門申請專利，保護設(shè)計師的心血結(jié)晶。設(shè)計環(huán)節(jié)直接決定廠商能否生產(chǎn)某一規(guī)格的鏡頭，是進入這個行業(yè)的門票。光線在穿過鏡頭時，會發(fā)生非常復(fù)雜的折射過程才能到達圖像傳感器。這些復(fù)雜的折射過程會使圖像傳感器上的成像與根據(jù)高斯光學(xué)得到的理論結(jié)果產(chǎn)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(xué)設(shè)計就是通過組合不同形狀、不同數(shù)目的透鏡，實現(xiàn)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(xiàn)完全的像差控制是不可能的，只能通過光學(xué)設(shè)計在眾多像差中取得平衡。光學(xué)設(shè)計不是工程，而是藝術(shù)，是對于美的理解，考驗的是光學(xué)設(shè)計師的經(jīng)驗、天賦和靈感。作為最優(yōu)秀的光學(xué)廠商，引以為傲的正是其在光學(xué)設(shè)計上的深厚積累。華為與萊卡合作，主要的合作內(nèi)容就是萊卡幫助華為改善光學(xué)設(shè)計。

六種經(jīng)典基礎(chǔ)光學(xué)設(shè)計方案光學(xué)鏡頭的難點之二在于制造環(huán)節(jié)。如果說設(shè)計解決的是鏡頭廠商能否生產(chǎn)的問題，那么制造環(huán)節(jié)就是決定生產(chǎn)良率和一致性的關(guān)鍵。在模具、成型、組裝等環(huán)節(jié)，對于生產(chǎn)精度都有非常高的要求，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯都會對最后的成像效果產(chǎn)生非常大的影響。手機鏡頭的主要生產(chǎn)流程模具環(huán)節(jié)是塑膠鏡頭制造的最關(guān)鍵部分。模具的質(zhì)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(jīng)驗的設(shè)計人員來進行設(shè)計，還需要制造人員具有精密加工和檢測方面的基礎(chǔ)。在成型環(huán)節(jié)，材料發(fā)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(xué)特性。這對廠商的生產(chǎn)提出了極高的要求，不僅需要高精度的儀器，還需要有經(jīng)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(zhì)量。組裝環(huán)節(jié)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(xiàn)光學(xué)性能的過程，目前主要通過自動化方式實現(xiàn)組裝。鏡頭組裝技術(shù)要點十分復(fù)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(yè)甚至達到2微米。鏡頭組裝的基本流程光學(xué)鏡頭設(shè)計非常復(fù)雜，目前已知的像差就有數(shù)百種，仍有大量未知的像差不斷被發(fā)現(xiàn)，需要在設(shè)計中被考慮進去。光線的折射和反射路徑數(shù)不勝數(shù)，需要設(shè)計師去不斷計算和權(quán)衡。透鏡的形狀、位置、材料可以有無數(shù)種組合方式，讓設(shè)計師們有空間去不斷挖掘更好的設(shè)計。光學(xué)鏡頭行業(yè)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(chǎn)盡管不像相機鏡頭那么困難，但時間和經(jīng)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(fā)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(zhì)和生產(chǎn)良率，這也造就了大立光在手機鏡頭領(lǐng)域的霸主地位。綜上，隨著終端應(yīng)用產(chǎn)品市場的迅速興起，下游行業(yè)的發(fā)展對光學(xué)鏡頭的設(shè)計水平和精密生產(chǎn)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(xué)鏡頭行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展提供了寶貴的契機。鏡頭產(chǎn)業(yè)鏈通過對已經(jīng)上市的主流3D攝像頭產(chǎn)品進行拆解分析，3D攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈可以被分為：1、上游：紅外傳感器、紅外光源、光學(xué)組件、光學(xué)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(yīng)用。光學(xué)鏡片決定成像效果除了傳感器之外，光學(xué)鏡片的質(zhì)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(jīng)采用6片及以上鏡片的配置。潛望式鏡頭技術(shù)