机械电子软件等多学科技术推动光学镜头发展

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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 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环，

2、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。 为了打破

3、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面的

4、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

5、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将获得更大的竞争优势。 三、 光学镜头行业技术创新及发展 非球面镜片在提高光学性能、解决畸变、压缩镜头尺寸等问题上具备突出优势。一枚非球面镜片

6、对球差、场曲等光学像差的矫正效果相当于数枚球面镜片，因此在光学镜头设计中引入非球面镜片，可以在保证成像性能的前提下，有效压缩光学系统的长度和体积，实现镜头的小型轻量化设计。 日本厂商尼康、佳能等在1960年左右即开始了非球面镜片设计、制造相关的技术研究并推出使用非球面镜片的相机镜头，是光学镜头行业的一大进步。后国内光学厂商也相继突破该项技术，能够在设计中应用非球面镜片，但对该项技术的掌握程度仍存在差异。 组合使用各类特征复杂矢量曲面镜片技术至今仍是光学镜头设计技术的一大热点，镜片的使用从传统球面不断向非球面、自由曲面等发展，在矫正像差、提高成像质量、扩大视场、减少镜片数量、压缩镜头尺寸等方

7、面的性能不断提升，光学设计具备更大自由度和灵活性，满足各个场景下的清晰成像需求。 四、 光学镜头行业发展历程 光学镜头行业产业链上游为原材料环节，主要包括光学塑胶、光学玻璃等；中游为光学镜头生产供应环节；下游主要应用于手机、摄像机、光学仪器、车载摄像头模组、安防监控设备、机器视觉、VR/AR设备等领域。 智能手机是光学镜头主要下游应用领域之一，随着近年来我国智能手机的不断普及，使得我国智能手机市场逐渐趋于饱和，市场需求主要为必要的替换需求，使得我国智能手机出货量呈下降趋势。2021年受5G升级的影响，智能手机出货量有所增长，达3．4亿台，同比增长13．3%。 五、 光学镜头新型光学元件

8、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。 六、 光学镜头产业链 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。光学镜头

9、及镜头模组是光学成像系统中的核心组成部分，其通过光学折射原理将需拍摄的景物聚焦到图像传感器芯片上，实现光学成像。 作为产业链中游，光学镜头是光电技术结合最紧密的部分，是制造各种光电产品、光学仪器的核心，需要根据下游不同应用领域的差异化需求进行研发、设计和生产，具备较高的技术门槛。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、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。 随着光电子技术以及移动互联网、物联网、人工智能等技术快速发展，作为重要信息输入端口的光学镜头，应用范围从传统的相机、光学显微镜、望远镜等领域向视频监控、智能手机等领域充分渗透，并不断拓展到机器

10、视觉、自动驾驶、人工智能、生物识别、物联网等热门应用领域。光学镜头设计及精密制造技术、光学材料开发及光学元件加工技术的不断进步使光学镜头在功能和性能方面得到快速发展，成为智慧城市、智慧交通、智能制造、航空航天、空间探测、遥感观测、半导体制造、生物医疗等关键领域发展的重要支撑。 七、 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，

11、2021年全球光学镜头出货量为77亿只，同比增长11．6%。 八、 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

12、凸轮外环，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。

13、 为了打破上述困境，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

14、高速捕捉画面的需求增加，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。 九、 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。