基于zemax手机镜头的光学设计起步——DeepSeek整理

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如今，智能手机拍照功能越来越强大，这背后离不开手机镜头的光学设计。今天，咱们就来唠唠这个神秘又有趣的领域，带你从零开始了解手机镜头光学设计。
一、手机镜头背后的 “大靠山” —— 供应商先来说说那些给手机镜头提供各种关键部件的 “大佬” 们。

• 镜头模组供应商 ：像日本的 KANTATSU、中国台湾的 LARGAN、内地的舜宇，这些可都是镜头模组界的明星企业，手机厂商都得靠它们来造出能用的镜头模组。
  
• CMOS 供应商 ：索尼、三星、豪威（OV）三家在手机感光元件市场争得火热。它们的 CMOS 传感器质量，直接决定了手机拍照的清晰度和色彩，“像素” 这个词，和它们脱不开关系。
  
  
  

二、手机镜头光学结构大揭秘


手机镜头里面，可藏着不少 “宝贝”，先来看看常见的 5P 镜头布局。

• 孔径光阑 ：在 5P、6P、7P 镜头模组里，光阑一般由外部模组结构件把第一片镜片的前 / 后表面 “包围” 起来形成。它就像个 “阀门”，控制着光线进入镜头的多少，对照片的亮度和清晰度有着举足轻重的作用。
  
• 镜片组 ：这是镜头的 “心脏” 部位。现在的手机镜头，多用注塑镜片，也有玻璃镜片和注塑镜片一起用的情况。为啥不用常规的冷加工玻璃球面镜片呢？因为要在手机那么小的机身里塞进镜头，还得保证拍照效果，注塑镜片更合适。不过塑料镜片在光学均匀性和物化性能上，比玻璃差一些，所以玻璃 + 注塑的组合还在不断研究。
  
• IR Filter（红外截止滤光片） ：用 N-BK7 基底加红外截止膜片做成的，能滤除红外波段的光，要是没有它，红外光会跑进来捣乱，照片颜色就不准了。
  
• CMOS/CCD 探测面 ：这就是传说中的感光元件，手机拍照的 “像素” 就靠它了，它能把光线信号变成电信号，让手机能显示照片。
  
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三、手机镜头的 “小目标” —— 主要性能要求手机镜头要是想拍出好照片，得达到一些基本要求。

• 视场 ：一般在 30° - 36° 的 1/2 FOV（半视场角）范围内，这决定了镜头能 “看” 到多大范围的景物。
  
• 镜头总长 ：主流长度要小于 4mm，毕竟手机都往轻薄方向发展，镜头也得跟着 “瘦身”，不然手机得有多厚啊。
  
• F#（光圈数） ：通常在 2.0 - 2.9 之间，这个数值越小，进光量越大，一般拍照效果就越好。
  
• 畸变 ：控制在小于 2% 的范围内，不然拍出来的照片边缘容易变形扭曲，看着很别扭。
  
• MTF（调制传递函数） ：在 250lp/mm（每毫米线对数）下要大于 0.3，这个指标越高，照片越清晰，能看到的细节就越多。
  
• 渐晕 ：在全视场范围内要大于 20%，保证照片边缘的亮度和中心差不多，不至于边缘太暗，影响观感。
  
• CMOS 匹配参数 ：像面尺寸、像元大小要和 EFL（有效焦距）、BFL（后焦距）、Spot Radius（斑点半径）相匹配，这样才能让镜头和感光元件完美协作。
  
  
  

四、光学设计的灵魂工程 —— 材料选择光学设计圈子里，材料选择可是个关键环节。就像大神 Milton Laikin 在《LENS DESIGN》里说的，选玻璃材料是光学设计的灵魂时刻。
（一）主流光学塑料厂商

• 日本大阪气体化学 — OKP 系列 ：这是设计里经常用到的高折射率高色散材料，很多镜头都离不开它。
  
• 日本 ZEONEX — COP ：光学性能稳定，在不少手机镜头里都能看到它的身影。
  
• 日本三井化学 APEL — COC ：也是光学塑料领域的大咖，这三家厂商的材料各有特点，具体选哪家得看镜头的设计需求。
  
  
  

（二）主流低温模压玻璃厂商

• 国内市场 ：成都光明、新华光这两家公司是常用的光学玻璃供应商，很多国产手机镜头都用它们的玻璃。
  
• 国际市场 ：Schott、Sumita、Ohara、Hoya 等光学巨头都有自己的低温模压玻璃产品，不过现在很多国产材料也能替代进口货。
  
  
  

五、手把手教你用 ZEMAX 仿真手机镜头（以台湾大立光美国专利为例）台湾大立光的专利 US20180180857A1 中有个 6P 镜头，咱们就拿它来练手，看看咋用 ZEMAX 仿真。
（一）镜头形态仿真专利里的镜头看着有点复杂，但别怕，咱们一步步来。
想把它在 ZEMAX 里仿真出来，先要输入镜头数据。比如焦距、FNO 算出 EPD≈1.47mm，把这数值填进 ZEMAX 的 General 设置里；接着根据 HFOV=29 添加控制视场；波长选 F/C/d，这是可见光成像常用的波长组合。然后把镜片数据敲进 LDE 里，先看一眼 2D Layout 的初步效果。
刚输完数据后的 Layout 看着不对劲，EFL（有效焦距）、BFL（后焦距）都不符合预期。这时候别慌，冷静排查。借助文献里每片镜片的 FL（焦距）值，用 EFLY（ZEMAX 里一个分析工具）来初步排查，发现第 6 片镜片的 FL 由文献标称的 9.5 变成模型里的 - 2.36。分析后怀疑是专利里把第 13 面（也就是第 6 片镜片的某个面）的 Radius（曲率半径）写错了。
于是先试着把第 13 面的 Radius 改成 - 4，更新后看 Layout，系统参数开始变得合理。再以第 6 片焦距为评价标准，优化第 13 面的曲率半径，得出可靠的数值。这时从 Layout 上就能感觉到像质还不错。
进一步检查 Distortion（畸变）、Field Curve（场曲）、Longitudinal Aberration（轴向像差）、MTF 与 Spot Radius（斑点半径），发现和文献里的性能图基本一致，除了畸变稍微大了点（约 3%），但像质真的很好，300 线的 MTF 都能在 0.3 以上，接近衍射极限，这说明大立光这个镜头设计很厉害。
（二）替换光学材料文献里的两款材料分别对应三井 APEL 的 APL5514ML（折射率 1.544，阿贝数 55.9）和大阪气体化学的 OKP - 1（折射率 1.64，阿贝数 23.3）。把玻璃材料替换成这些实际的光学塑料后，系统性能和之前几乎一样，像质依旧很棒，这说明在光学设计里，合理选择材料，能让镜头性能保持稳定，而且不用再额外优化参数，对初学者来说很友好，算是迈出了 ZEMAX 模型搭建的第一步。
最后说一句，这个镜头的 HFOV（半视场角）对应的像高只有 2mm，所以适合用在前置 7MP（百万像素）CMOS 的手机上，而不是 13MP 以上的高像素 CMOS。
通过这篇文章，希望能让你对手机镜头光学设计有个初步了解，从认识供应商、光学结构，到掌握性能要求、材料选择，再到 ZEMAX 仿真，一步步带你入门，开启探索手机镜头光学设计的大门。

知乎原文：

文中专利：