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非球面是个什么球?其在手机镜头中有何应用

2015-08-27 11:29:01 慧眼网

本文主要介绍了什么是非球面及非球面镜片的种类和相应的加工工艺与检测方法,另就非球面镜片在手机镜头中的应用进行简要的说明。帮助读者对非球面技术有一个初步的了解。

非球面就不是个球面

非球面最简单的定义为“回转对称的不是球面的表面”,这个定义比较广,有很多符合该条件的表面,再缩小一点就是符合特定表达式的回转对称的且表面是光滑连续的表面。

最常用的非球面表达式是一个圆锥曲面做为基准面再迭加一系列的高次多项式构成,表达式如下:

文二图一.jpg

文二图二.jpg,如图一所示,r为离非球面轴的径向距离,z为相应的垂直距离,c=1/R为顶点曲率,R为顶点曲率半径;k表示圆锥系数,如图一所示,不同k值代表不同的圆锥曲线形式;a_n为多项式系数,n=4,6,8,10…20。

文二图三.png

图 一

随着技术的进步还有不同的表达式,如常用的奇次非球面或Qcon,Qbfs型非球面,为设计和加工带来更大的方便,这里就不一一赘诉了;

非球面可以校正像差

理论上非球面可以校正除色差以外的大部分像差(球差,慧差,场曲、像散、畸变)。在产品开发中引入非球面可以大大增加光学设计时的自由度,并且可以大大降低系统的复杂程度,提高系统诸多指标如成像质量、减少重量等。在现代光学系统当中,有时非球面的使用是必不可少的,如手机摄像头用镜头。总体来讲,非球面的导入使很多之前不能解决的问题得到有效解决,并且在质量上更胜从前。

图二所示的为非球面校正球差的例子,图三所示为非球面在眼镜片中的应用,除了减轻了镜片的重量,也提高了镜片的成像效果;

文二图四.png

图 二

文二图五.png

图 三

非球面镜片的加工方法与种类

文二图六.png

图四说明了塑料非球面镜片射出成型用的模仁加工过程,图五是单点金刚石车削的示意图;

文二图七.png

图 四

文二图八.png

图 五

从种类上讲目前主要分为玻璃非球面镜片与塑料非球面镜片,理论上讲玻璃非球面有诸多优点比如:抗变形、耐高温高湿、防刮、种类丰富等,但在成本、重量、产能方面会存在一些不足,所以大部分时候只在高档数码相机和数码摄像机中使用光学玻璃非球面镜片,而在其他大多数光电产品中一般都使用光学塑料非球面来进行取代。

光学塑料非球面优势:

1.能进行大批量生产和降低制造成本

2.可以设计非常复杂的形状

3.重量轻,体积小,精度高,符合光电产品小型化的发展路线,耐冲击

4.可以同时加工出光学面和定位面

当然光学塑料非球面也不是全能的,比如光学塑料对温度和湿度等环境的变化影响比较大,光学系统性能容易受外界环境的影响。光学塑料非球面注塑成型过程对镜片表面面形精度影响也比较大,需要严格管控成型镜片的面形等。

非球面镜片的检测

非球面和球面的最大的不同是,球面上的任意一点曲率都是相同的,而非球面表面任意一点的曲率理论上讲都可以是不同的,所以对其检测带来了一些困难。衡量非球面镜片精度的最主要两个指标及其测量方法如下表:

文二图九.png

注:偏心检测的精度目前还存在不确定性,主要是因为目前的检测方法都有局限性,对加工会带来一定的困扰。

文二图十.png

图 六、面精度检测,左为TAYLOR SURF的接触式检测,右为UA3P的准接触式检测

文二十一.png

图 七、反射式偏心检测原理(基于中心近轴球面的,所以有局限性)

正是由于非球面的加工制造有一定的难度,所以会造成一定的壁垒,到目前为止真正能做到高精度的非球面镜片的厂家并不是很多,这里面需要在模具、材料、成型、检测、大规模生产等方面有很大的投入,并且需要有技术方面的积累。

非球面在手机镜头中的应用,塑料材质好成型

随着手机摄像功能的不断加强,像素大小不断变小(如图八所示),镜头高度不断压缩(如图九所示),相对孔径不断增加,手机镜头的结构也日趋复杂,从1个塑料镜片发展到现在6个塑料镜片构成,镜片的结构与尺寸也有很大的变化; 图十中是一个典型的5P结构13M手机镜头。从图十可以看出,塑料非球面可以容易做出各种形状的镜片,且大部分精度可以得到较好的保证,另因为目前手机造型设计对摄像模组的尺寸限制,需要尽可能采用塑料材质。

文二图十二.png

图 八

文二图十三.png

图 九

文二图十四.png

图 十

 

本文由舜宇光学公司提供


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