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光學鏡頭行業(yè)技術(shù)發(fā)展、創(chuàng)新及趨勢
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2023-02-10

光學鏡頭行業(yè)經(jīng)歷數(shù)百年的發(fā)展、積淀悠久，前沿技術(shù)不斷支持行業(yè)創(chuàng)新，并隨著下游不同應(yīng)用領(lǐng)域需求的增長進入快速發(fā)展階段。發(fā)展概況如下：

（1）行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展

①非球面鏡片等復雜面型鏡片的采用極大提升了光學設(shè)計自由度

非球面鏡片在提高光學性能、解決畸變、壓縮鏡頭尺寸等問題上具備突出優(yōu)勢。一枚非球面鏡片對球差、場曲等光學像差的矯正效果相當于數(shù)枚球面鏡片，因此在光學鏡頭設(shè)計中引入非球面鏡片，可以在保證成像性能的前提下，有效壓縮光學系統(tǒng)的長度和體積，實現(xiàn)鏡頭的小型輕量化設(shè)計。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、制造相關(guān)的技術(shù)研究并推出使用非球面鏡片的相機鏡頭，是光學鏡頭行業(yè)的一大進步。后國內(nèi)光學廠商也相繼突破該項技術(shù)，能夠在設(shè)計中應(yīng)用非球面鏡片，但對該項技術(shù)的掌握程度仍存在差異。

組合使用各類特征復雜矢量曲面鏡片技術(shù)至今仍是光學鏡頭設(shè)計技術(shù)的一大熱點，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、擴大視場、減少鏡片數(shù)量、壓縮鏡頭尺寸等方面的性能不斷提升，光學設(shè)計具備更大自由度和靈活性，滿足各個場景下的清晰成像需求。

②各類材質(zhì)鏡片搭配及混合使用、進一步提高光學鏡頭性能

隨著人們對成像理論的理解越來越深刻，產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗越來越豐富，在光學鏡頭設(shè)計中，對鏡片材質(zhì)、特性的選擇及搭配愈發(fā)多樣化。例如使用玻璃鏡片與塑料鏡片的組合來實現(xiàn)成像質(zhì)量、光學鏡頭整體體積、重量及規(guī)模量產(chǎn)能力之間的平衡，推動了鏡頭的規(guī)模應(yīng)用；使用具備不同色散特性的鏡片材料組合來消除成像色差，實現(xiàn)可見光、紅外光、紫外光等不同波長光線的成像，進一步拓寬鏡頭應(yīng)用領(lǐng)域；使用具備不同線膨脹系數(shù)的鏡片搭配組合，抵消溫度帶來的影響，大幅提升鏡頭的可靠性、拓展使用場景。

③變焦光學系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展

二十世紀初，美國光學專家 Allen·Mann 首次采用“物像交換”原理成功設(shè)計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）。但初期由于計算機技術(shù)的落后和光學冷加工、鍍膜技術(shù)的不完善，使得變焦光學系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的實際應(yīng)用受到較大限制，仍處于研究階段。1932 年德國光學專家赫爾穆特專門為西門子設(shè)計了一款焦距 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（群組指由光學鏡片組成的光學元組件）分別獨立運動，不僅實現(xiàn)了焦距的變化，同時保證了成像面在焦距變化過程中的穩(wěn)定，是雙組元變焦光學系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的突破及應(yīng)用。隨著光學設(shè)計技術(shù)、光學冷加工技術(shù)、精密機械加工技術(shù)的發(fā)展，變焦鏡頭的設(shè)計與生產(chǎn)進入快速發(fā)展時期，變焦鏡頭成像質(zhì)量不斷提升，成為下游市場的應(yīng)用熱點。

發(fā)展至今，變焦光學系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)仍然具備極大的創(chuàng)新空間及應(yīng)用場景。隨著各類場景需求的不同，在解決了成像質(zhì)量的前提下，人們開始追求以擴大變焦倍率、增大光圈、減小鏡頭體積等為主要研究目標，并由此突破了多組元聯(lián)動式變焦光學系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，不斷提升變焦鏡頭的性能，拓寬變焦鏡頭應(yīng)用領(lǐng)域。

④新型光學元件被不斷采用

隨著光學鏡頭設(shè)計技術(shù)的不斷進步、幾何光學的發(fā)展，除了傳統(tǒng)單一光軸的光路設(shè)計，折射透鏡、棱鏡和反射鏡等新型光學元件被廣泛應(yīng)用于各類光學鏡頭的設(shè)計中，可以有效利用空間體積的重構(gòu)來減少光學鏡頭在特定方向上的尺寸或?qū)崿F(xiàn)特殊的光路設(shè)計，如潛望式手機變焦鏡頭設(shè)計、反射式超短焦投影鏡頭設(shè)計等，正逐漸成為光學行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)熱點之一。同時，微透鏡陣列、全息透鏡、衍射光學元件等新型光學元組件應(yīng)用逐步增加，給光學鏡頭設(shè)計及應(yīng)用帶來了更多的可能性。

⑤機械、電子、軟件等多學科技術(shù)推動光學鏡頭發(fā)展

光學鏡頭的設(shè)計及制造是一項融合光機電算為一體的復雜系統(tǒng)工程，除光學相關(guān)技術(shù)外，機械、電子和軟件等多學科技術(shù)支撐行業(yè)不斷發(fā)展、推動行業(yè)進步。

以變焦鏡頭的驅(qū)動控制為例，變焦鏡頭的焦距變化是通過鏡頭內(nèi)的一個或多個群組沿光軸方向的位置移動來實現(xiàn)的，如何合理地移動鏡片群組，并保持必要的精度是除光學設(shè)計外，變焦鏡頭面臨的另一個難題。最初誕生的變焦鏡頭形態(tài)為手動變焦鏡頭，這種鏡頭在變焦和聚焦時需要手動操作，控制精度較差，應(yīng)用受到限制。隨著驅(qū)動技術(shù)的進步，電動變焦鏡頭采用馬達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操作的麻煩，提升了群組驅(qū)動控制的精度，但電動變焦鏡頭在驅(qū)動控制上仍存在不便：

A、由于齒輪箱與凸輪結(jié)構(gòu)是多點接觸，在頻繁驅(qū)動過程中容易磨損，造成控制精度的下降，驅(qū)動壽命僅數(shù)十萬次，當進入需要高頻率變焦、聚焦的 AI 時代，過低的馬達壽命影響了鏡頭整體使用壽命；

B、驅(qū)動控制未實現(xiàn)閉環(huán)，群組移動無位置信息的反饋，群組定位精確性較差；

C、凸輪結(jié)構(gòu)決定了整個鏡筒必須包含移動群組、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)精度就越難保證對復雜多組元聯(lián)動式光學系統(tǒng)的兼容。

為了打破上述困境，鏡頭工業(yè)在驅(qū)動技術(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)動技術(shù)演進，產(chǎn)生了一種全新的變焦鏡頭形態(tài)——一體式驅(qū)動技術(shù)。這一技術(shù)通過支架及步進馬達的配合形式來驅(qū)動群組位移，利用高精度的光耦傳感器輔助進行群組定位，形成群組移動的閉環(huán)控制。采用一體式驅(qū)動技術(shù)方案的一體機自動變焦 AF 鏡頭（簡稱“一體機鏡頭”）相較同規(guī)格的電動變焦鏡頭，具備小體積、高壽命、高精度、快速變焦、自動聚焦等特點，真正實現(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。

從手動變焦到電動變焦再到一體式驅(qū)動，機械設(shè)計、電子及軟件控制技術(shù)的發(fā)展正推動光學鏡頭的發(fā)展。隨著 AI 識別等智能化應(yīng)用對高速捕捉畫面的需求增加，鏡頭高速精準驅(qū)動控制技術(shù)仍有較大突破空間，以不斷助力鏡頭實現(xiàn)快速精準變焦、快速自動聚焦性能，滿足下游智能化應(yīng)用需求。

（2）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，未來光學鏡頭設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)的重點是提高成像質(zhì)量、增加功能并縮小體積。具體而言，光學鏡頭產(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。如在數(shù)字安防領(lǐng)域，隨著視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用范圍和場景的逐步擴展，以及其本身向高清化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向的進一步延伸，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、光學防抖等技術(shù)水平方面的要求正日益突出。

在無人機領(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著光學鏡頭產(chǎn)品和技術(shù)的革新，也對光學鏡頭制造企業(yè)的綜合創(chuàng)新能力提出了更高的要求。能夠緊跟市場動態(tài)，針對不同應(yīng)用場景進行深度開發(fā)，滿足市場及客戶需求的企業(yè)將獲得更大的競爭優(yōu)勢。

編輯：如皋

來源：中潤光學 思瀚