机械电子软件等多学科技术推动光学镜头发展分析

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1、机械电子软件等多学科技术推动光学镜头发展分析 一、 机械电子软件等多学科技术推动光学镜头发展 光学镜头的设计及制造是一项融合光机电算为一体的复杂系统工程，除光学相关技术外，机械、电子和软件等多学科技术支撑行业不断发展、推动行业进步。以变焦镜头的驱动控制为例，变焦镜头的焦距变化是通过镜头内的一个或多个群组沿光轴方向的位置移动来实现的，如何合理地移动镜片群组，并保持必要的精度是除光学设计外，变焦镜头面临的另一个难题。最初诞生的变焦镜头形态为手动变焦镜头，这种镜头在变焦和聚焦时需要手动操作，控制精度较差，应用受到限制。随着驱动技术的进步，电动变焦镜头采用马达配合齿轮减速箱的方式替代人工控制凸轮外

2、环，一定程度上解决了手动操作的麻烦，提升了群组驱动控制的精度，但电动变焦镜头在驱动控制上仍存在不便：A、由于齿轮箱与凸轮结构是多点接触，在频繁驱动过程中容易磨损，造成控制精度的下降，驱动寿命仅数十万次，当进入需要高频率变焦、聚焦的AI时代，过低的马达寿命影响了镜头整体使用寿命；B、驱动控制未实现闭环，群组移动无位置信息的反馈，群组定位精确性较差；C、凸轮结构决定了整个镜筒必须包含移动群组、凸轮轨迹槽、镜筒外壳等多层结构，造成镜头外径和尺寸较大；D、受制于精密加工的工艺极限，凸轮结构难以支持复杂的组合曲线轨迹，且随着镜片群组尺寸的增大，结构精度就越难保证对复杂多组元联动式光学系统的兼容。 为了

3、打破以上困境，镜头工业在驱动技术、精密加工技术、定位控制技术等方面展开了大量研究工作，变焦镜头驱动技术演进，产生了一种全新的变焦镜头形态一体式驱动技术。这一技术通过支架及步进马达的配合形式来驱动群组位移，利用高精度的光耦传感器辅助进行群组定位，形成群组移动的闭环控制。采用一体式驱动技术方案的一体机自动变焦AF镜头（简称一体机镜头）相较同规格的电动变焦镜头，具备小体积、高寿命、高精度、快速变焦、自动聚焦等特点，真正实现变焦过程的全程清晰，极大地拓宽了变焦镜头的应用领域。从手动变焦到电动变焦再到一体式驱动，机械设计、电子及软件控制技术的发展正推动光学镜头的发展。随着AI识别等智能化应用对高速捕捉画

4、面的需求增加，镜头高速精准驱动控制技术仍有较大突破空间，以不断助力镜头实现快速精准变焦、快速自动聚焦性能，满足下游智能化应用需求。 二、 光学镜头变焦光学系统设计技术创新发展 二十世纪初，美国光学专家Allen•Mann首次采用物像交换原理成功设计出了世界上第一款真正意义上的变焦距镜头（美国专利U．S．P．696788）。但初期由于计算机技术的落后和光学冷加工、镀膜技术的不完善，使得变焦光学系统设计技术的实际应用受到较大限制，仍处于研究阶段。1932年德国光学专家赫尔穆特专门为西门子设计了一款焦距25-80mm，变焦倍率3．2倍的变焦镜头。该镜头中由变焦群组和聚焦群组（群组指由光学镜片组成

5、的光学元组件）分别独立运动，不仅实现了焦距的变化，同时保证了成像面在焦距变化过程中的稳定，是双组元变焦光学系统设计技术的突破及应用。随着光学设计技术、光学冷加工技术、精密机械加工技术的发展，变焦镜头的设计与生产进入快速发展时期，变焦镜头成像质量不断提升，成为下游市场的应用热点。发展至今，变焦光学系统设计技术仍然具备极大的创新空间及应用场景。随着各类场景需求的不同，在解决了成像质量的前提下，人们开始追求以扩大变焦倍率、增大光圈、减小镜头体积等为主要研究目标，并由此突破了多组元联动式变焦光学系统设计技术，不断提升变焦镜头的性能，拓宽变焦镜头应用领域。 三、 光学镜头发展历程 我国大陆光学镜头产

6、业起步较晚，2000年之后才有部分光学企业涉足民用光学镜头市场。2008年之前，国内光学镜头市场基本上被被日本、德国品牌所垄断，安防监控市场、手机市场、医疗影像市场的光学图像设备上基本没有中国大陆自主生产的镜头，中国台湾企业生产的镜头产品也仅出现在少数较为低端的设备上。2008年之后，随着镜头制造工业日益成熟，光学产品成本逐步降低，日本的光学技术逐渐扩散到邻近国家和地区，包括中国台湾、韩国以及中国大陆在光学镜头生产上的规模日益扩大，涌现出像中国台湾大立光、亚洲光学等具有世界先进水平的企业。 四、 光学镜头新型光学元件被不断采用 随着光学镜头设计技术的不断进步、几何光学的发展，除了传统单一光

7、轴的光路设计，折射透镜、棱镜和反射镜等新型光学元件被广泛应用于各类光学镜头的设计中，可以有效利用空间体积的重构来减少光学镜头在特定方向上的尺寸或实现特殊的光路设计，如潜望式手机变焦镜头设计、反射式超短焦投影镜头设计等，正逐渐成为光学行业的关键技术热点之一。同时，微透镜阵列、全息透镜、衍射光学元件等新型光学元组件应用逐步增加，给光学镜头设计及应用带来了更多的可能性。 五、 各类材质镜片搭配使用提高光学镜头性能 随着人们对成像理论的理解越来越深刻，产品开发应用经验越来越丰富，在光学镜头设计中，对镜片材质、特性的选择及搭配愈发多样化。例如使用玻璃镜片与塑料镜片的组合来实现成像质量、光学镜头整体体

8、积、重量及规模量产能力之间的平衡，推动了镜头的规模应用；使用具备不同色散特性的镜片材料组合来消除成像色差，实现可见光、红外光、紫外光等不同波长光线的成像，进一步拓宽镜头应用领域；使用具备不同线膨胀系数的镜片搭配组合，抵消温度带来的影响，大幅提升镜头的可靠性、拓展使用场景。 六、 光学镜头各应用领域差异化发展 随着终端产品应用领域的不断拓宽和深化，未来光学镜头设计和生产技术的重点是提高成像质量、增加功能并缩小体积。具体而言，光学镜头产品技术在不同的应用领域正呈现出不同的特点。如在数字安防领域，随着视频监控技术应用范围和场景的逐步扩展，以及其本身向高清化、网络化、智能化方向的进一步延伸，镜头产

9、品在小型轻量化、超高清、大倍率变焦、高可靠性、超大光圈、透雾、宽光谱、红外夜视、光学防抖等技术水平方面的要求正日益突出。 在无人机领域，镜头产品正在向小型轻量化、高清化、变焦等技术趋势发展。在车载领域，镜头产品在高可靠性、超广角、小畸变、红外夜视、防水防雾、玻塑混合等技术方面发展趋势明显。在投影领域，镜头产品正向超短焦、超高清等技术方面发展。在电影领域，镜头产品正向全画幅、超高清、宽银幕变形等技术方向发展。 应用领域需求的快速变化不断地推动着光学镜头产品和技术的革新，也对光学镜头制造企业的综合创新能力提出了更高的要求。能够紧跟市场动态，针对不同应用场景进行深度开发，满足市场及客户需求的企业

10、将获得更大的竞争优势。 七、 光学镜头行业发展现状及前景 光学镜头一般由精密结构件、塑料零件、镜片、光圈等光机电器件和镜筒组成，是光电行业的重要分支及机器视觉系统中不可缺少的部件。光学镜头通过借助光学折射原理将需拍照的景物聚焦到胶片或图像传感器芯片上，从而完成光学成像。按照光学镜片材料构成，光学镜头的可分类为塑料镜头、玻塑混合镜头、玻璃镜头三种类型，其结构均由多片镜片构成，镜片越多，镜头的成像质量越高。 光学镜头属于光电产业链的重要部分。其中上游产业链由光学玻璃、光学塑料等光学原材料供应商和镜片、滤光片等光学元件供应商组成。下游为光电技术与视频监控、人工智能、智能制造、物联网、工业检测、

11、智能车载、激光显示等领域结合而成的各类产品，应用领域广泛。 国内光学镜头企业起步较晚，近年来随着光学产业转移、国内企业持续投入，国产镜头从中低端市场进入，以高性价比与海外品牌竞争，并逐步向高端市场演进，加速。2021年我国光学镜头产量为35．69亿个，同期进口数量为20．63亿个，出口数量为17．29亿个，我国光学镜头需求总量为39．03亿个。 光学镜头作为视频、图像信息的入海口，对信息采集的质量起着关键性作用，是人工智能（AI）和信息化世界的眼睛，是国家战略提出的人工智能、大数据、智慧城市、智慧物联（AIoT）、数字经济发展的实现基础。得益于下游应用行业的高速增长，以光学镜头为核心的光学

12、解决方案具有广阔的市场前景。随着消费者对于手机摄影、摄像及各种拍摄场景下图片画质的要求不断提高，智能手机厂商更加注重手机镜头的光学性能。同时，车载等下游应用领域也对镜头的光学性能不断提出了更高的要求。 光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头，简称镜头，是光电行业的重要分支，也是机器视觉系统中不可缺少的部件，一般由精密五金、塑胶零件、镜片、光圈、驱动马达、传感器等光机电器件和镜筒组成。光学镜头是光学成像系统中的重要核心组成部分，其功能是光学成像，通过借助光学折射原理将需拍照的景物聚焦到胶片或图像传感器芯片上，其中成像的分辨率、对比度、各像差等指标是衡量光学镜头质量的标准，影响成像质量的优劣、算法的

13、实现和效果。 按材质的不同，光学镜头主要可以分为玻璃镜头、塑料镜头和玻璃混合镜头。其中玻璃镜头工艺难度和生产成本较高，透光率达到99%，主要用于高端成像领域，例如视频监控、单反相机、车载镜头等。塑料镜头可塑性强，工艺难度和生产成本较低，但是透光率有所降低，因此广泛应用于智能手机和智能相机等领域。玻璃混合镜头是前两者的结合体，主要搭载于智能手机、安防视频监控、车载镜头等领域。 八、 光学镜头全球现状 随着光学镜头下游应用场景愈发广泛、主要制造生产国出台扶持政策及相关制造技术的进步与创新，全球光学镜头需求量逐年递增，行业市场规模稳定增长。据资料显示，2021年全球光学镜头行业市场规模为70亿美元，同比增长12．9%。随着行业下游需求量的不断增长，近年来全球光学镜头出货量持续增长。据资料显示，2021年全球光学镜头出货量为77亿只，同比增长11．6%。