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    [原创]SYNOPSYS 光学设计软件课程七十四:四反潜望长焦设计 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-07-23
    1.基础背景
    XsR%_eT  
    .K7A!;  
    ,F *e^#>  
    何为潜望式长焦镜头?顾名思义,潜望式镜头其实是借鉴了潜艇中潜望镜的基本原理。世界上最早记载潜望镜原理的古书,是公元前二世纪我国的《淮南万毕术》。书中记载了这样的一段话:“取大镜高悬,置水盘于其下,则见四邻矣。”可见那个时候的人们就已经开始懂得通过光的反射来观察外界。
    vEgJmHv;  
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    pGcc6q1  
    4sJx_Qi  
    6?a(@<k_  
    1.1潜望镜工作原理
    T.|0;Eb  
    H?~u%b@   
    而到了20世纪初,随着潜艇和坦克的出现,潜望镜在军事中的运用日益频繁。潜望镜,就是指从海面下伸出海面或从低洼坑道伸出地面,用以窥探海面或地面上活动的装置。其构造与普通望远镜相似,只不过另加两个反射镜使物体光线经两次反射后传入眼中。而这一折叠光路的设计,也正是潜望式镜头最基础的工作原理。
    <r\)hx0ov  
    对于当前的相机镜头来说,一般都假设其成像模型为小孔成像模型,因此成像位置位于镜头的焦点附近。依据这一原理,其拍摄的物体越近,其成像的焦距便越短,反之如果需要拍摄的物体越远,则成像时的焦距也就越长。潜望式长焦镜头的最大优点便是能够让手机拍摄到更远处的景物 B!N807  
    yNT2kB'  
    (dT!u8Oe  
    图1.1.1普通长焦镜头成像
    ^Qr P.l#pZ  
    图1.1.2潜望式长焦镜头成像
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    2.关于手机上长焦镜头和潜望式长焦镜头的区别
    XWvs~Xw@  
    I|ULf  
    a-} %R  
    潜望式长焦是一种手机镜头的设计方式,通过光线在镜头内部的反射,实现了更长的物理焦距,提高了手机的远摄能力。潜望式长焦镜头将光路弯折了90度,将镜组躺在手机里,传感器立起来,从而突破了机身厚度的限制。潜望式长焦和长焦的区别在于,潜望式是一种实现方式,而长焦是一种效果。 >3kR~:;  
    传统的潜望长焦架构通常采用45°棱镜,外界环境光透过摄像头 deco玻璃后,被45°棱镜反射,光路转向90°,光线经过镜片组后聚焦到CIS上成像。 2+P3Sii  
    '~f@p~P  
    SKtEEFyIR_  
    9D| FqU |  
    2.1潜望式长焦的优势
    R5i8cjKZ?w  
    GHlra^  
    长焦模组的视角由等效焦距决定,和是不是使用潜望式没有区别。所以并不是说它不是潜望式就做不了长焦了。但是正因为长焦模组的等效焦距很长(一般都超过 80mm,大多数在 100mm 等效左右),导致传统结构如果要控制厚度,同时又不想牺牲等效焦距,那么只能用小底(1/5.5" 左右)而潜望式长焦模组由于将光路弯折了 90°,所以把模组的厚度(Z 轴高度)转化为长度(X 轴长度)。这样在 Z 轴高度不变的情况下实际焦距能做得更长,换言之就是在等效焦距一致的情况下底能做得更大:1/3.4" 左右,像素也能做得更多了,或者相反也可以。 zbi  
    Ab"uN  
    2.2传统长焦的优势
    D4vmBVT  
    A,og9<+j-  
    (G"qIw   
    传统长焦的优势在于结构简单。由于不需要棱镜或者其他的结构用于反射,所以传统长焦拥有更少的光损,更小的模组体积。另外,虽然潜望式的底比传统能做得更大,但是不代表弱光下传统长焦就差很远,毕竟传统长焦光圈更容易做大。一样算等效光圈的话:毕竟传统长焦光圈更容易做大。一样算等效光圈的话:1/5.5" 的传统长焦为 F26.4而 1/3.4" 的潜望式则为 F24.48,不算光学系统损耗潜望式进光量也就多了16%,没到一档。 $Us@fJr  
    潜望长焦很大程度上决定了手机拍摄能力的上限,Apple 在 iPhone15 Pro Max 中首次引入了潜望长焦模组,根据Apple 官网和专利显示,有别于传统的单次反射转折90°方案,苹果的潜望镜头采用四次反射棱镜架构,今天我们以苹果四反潜望长焦专利为基础,使用 Synopsys 设计出一款三片式镜头的四反潜望长焦镜头,来进行实际案例的设计: =;a4 Dp  
    c%U$qao=c+  
    M$?6 '  
    .;F+ QP0  
    EGDE4n5>I  
    3.架构解析
    ]q3Kd{B  
    ?rOb?cu-  
    为了解决潜望长焦模组的空间占用问题,对传统的潜望长焦架构进行了升级: 6P~"7k  
    1.把镜片组从棱镜后方,前置到棱镜上方。 [!q&r(-K  
    2.棱镜的楔角θ做到33°以下,这样会把棱镜压扁压平,降低了棱镜高度。设计四次往复反射,能够尽可能的压缩了模组的横向长度。 #,PAM.rH  
    *~cs8<.!1  
    来看第1点, 镜片组前置先对环境光进行聚焦,而单反架构镜片组在棱镜后方,环境光过来后没有收束的动作,尤其是潜望长焦的视场角比较大的时候,四反架构相比单反架构,可以大幅缩减棱镜尺寸和镜片组口径,如下图所示,相同焦距和孔径下,显然单反架构镜片组尺寸更大。从这一点来讲,镜片组前置的四反架构更容易再镜片组尺寸相同的条件下,系统达成更大的光圈,更符合暗环境拍摄需求。
    FezW/+D  
    %~;Q_#CR/K  
    [s34N+vU  
    u7C{>  
    棱镜的楔角θ做到33°以下,iPhone是做到30°左右。把棱镜压扁压平,让光路在其中往复反射四次,除了四个反射表面还有入光和出光面,一共经历6个表面。其中,S2和S5不满足全内反射条件,所以该表面要镀反射膜。S1和S3表面有部分重合,S1是入射面,S3是反射面,因为S3满足全内反射条件,所以S1和S3重合不影响,S4和S6同理。由光线的折射反射定律在此棱镜中的实际光线路径,通过多次在棱镜中反射,相比单反架构的直接出射,极大降低了横向长度,尤其是镜头焦距越长,相比单反架构横向长度压缩越明显。
    /SKr.S61e  
    PHK#b.B>a8  
    .apX72's,  
    3.1初始结构搜索
    @r]s9~Lx9  
    yki k4MeB  
    Synopsys 支持初始结构的搜索功能,设置要求的基础技术参数,输入 DSEARCH, 55cldo   
    ,%'0e /  
    搜索宏,镜头文件,请评论区留言获取代码。
    m c+wRx  
     ke#;1  
    从系统找到的十个初始结构中,找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析:调整光线长度,放置四个反射镜来实现光路的折返。
    .fsk DW  
    )ra66E  
    (rG1_lUDu  
    u/[]g+  
    cGc|n3(  
    lp}WBd+  
    ],YYFU}  
    :.Qe=}9  
    3.2光学总体高度解析
    :|M/+XPu  
    \zI&n &T  
    潜望长焦镜头的总体高度由三部分组成: QP[a^5;Tt  
    d:镜片组高度,叠加镜片组和棱镜间隙的总体高度 h3lDDyu  
    h:棱镜的厚度 9i<-\w^$  
    b:光线穿越棱镜的工作距 z^/GTY  
    tv OAN|+F  
    w~U`+2a3  
    &a=e=nR5  
    在设计上严格要求光学总体高度不能超标。通常在设计阶段提高优化效率,我们把棱镜后的长焦系统简化成下图来处理,假定棱镜前方的镜片组高度不变,则潜望长焦镜头的总体高度主要由玻璃板的厚度h,后方的工作距b共同决定。
    {g- DM}q  
    cXY'>N  
    cQ.;dtT0  
    hcgc =$^  
    假设边缘光线以θ角入射到玻璃板,对应的折射角为i,边缘光线在玻璃板的入光面高度为d,在玻璃板出光面高度为d2,则很容易推导: ww($0A`ek  
    Uo}&-$B  
    7Hl_[n|  
    e^NEj1  
    如果我们把玻璃厚度在当前基础上增加Δh,同理可得: f 4I#a&DO  
    KF_Wu}q d  
    1bJ]3\  
    , imvA5  
    由于潜望长焦镜头的视场角不大,基本满足近轴关系。据此可知在玻璃厚度增加Δh的时候,后工作距减少量为Δh与玻璃折射率之比。
    +w.Kv ;  
    3> #mO}\  
    P"x-7>c>Y  
    我们接着计算潜望镜头用折叠棱镜后的总体高度,把表达1和ΔB带入高度表达式,我们可以推导出: @7s,| \  
    @pG lWw9*  
    (Q5@MfK`  
    !e'0jf-~  
    从上式可知,可以通过增加棱镜厚度来缩减多反架构潜望模组的整体高度,具体的变化关系就是ΔTTL,式中的Δh指的是光在棱镜材料中的路径长度增量,式中的θ指的是棱镜的楔角,式中的n指的是棱镜材料折射率。 v$m[#&O^V?  
    *sB-scD  
    7+a%ehwU  
    3.3棱镜光路分析
    ) , ]2`w&k  
    S[ ~O')  
    该四反棱镜结果如下所示,红色为中心光线,我们来计算该光线在棱镜中的长度。
    = b<<5N s  
    )6>|bmpU  
    假设棱镜的高度为h,楔角为θ,则中心光线在棱镜中走过的路径是5段折线,每段的长度以及总长度计算如下: 9J7J/]7f  
    NVJ&C]H6  
    +qUkMx  
     l}0V+  
    如果楔角θ=30°,我们很容易看到总长P=5h Ww96|m  
    +&7Kk9^  
    3.4棱镜长度解析
    zZ9<4"CIk  
    t\pK`DM-[  
    对于棱镜的长度,同样我们也可以通过棱镜厚度h和楔角θ进行分解计算。 v] T(z L|  
    =kb6xmB^t  
    zNny\Z  
    f5aF6FBH  
    按照光路顺序,我们把棱镜长度依次拆解为5段,求得棱镜的总体长度为: $}nh[@  
    x$n~f:1Y  
    =~hsKBt*  
    !(*a+ur&i  
    +lW}ixt  
    根据P公式可知,光线总路径长度确定前提下,楔角越小棱镜越厚。根据L公式可知,棱镜厚度确定的前提下,楔角越大棱镜越长。综合以上结论,棱镜楔角优选取值为28°~33°之间的范围。 ,MM>cOQ  
    3.5 棱镜设置解析
    ;4G\]%c)E{  
    3kiE3*H  
    xIQ/$[&v  
    2]D$|M?$~  
    本次设计,棱镜楔角我们设定30°,在Synopsys中,我们使用WS插入反射镜通过计算反射镜的角度,光线每次改变方向,我们都要来切换到新的方向下的角度,通过多次角度切换从而建立起多次反射光路。如果没有计算正确,棱镜各个表面没有衔接起来,会显得棱镜很怪异,我们需要对相关表面设置对应的光学口径,和角度,当所有镜子正确衔接后,棱镜外形就能正常显示。 `pi-zE)  
    aZj J]~bO  
    ;tp]^iB#  
    3.6基本参数
    y|6@-:B.  
    [v0ri<sm  
    q#99iiG1  
    -XVEV  
    全视场点列图和点列图 ,g/ _eROJ  
    u  m: 0y,  
    i_=?eUq%q/  
    \\S/ NA  
    tL~,ZCQz  
    {N!E5*$Tr  
    3vdu;W=Sz  
    思维发散
    >gk z4.*  
    %j'G.*TD  
    =#i4MXRZ{  
    iPhone 15 Pro Max 的望远镜头用了不同的设计来达到了同样的功能,只是过程不同,但结果相似目的相同,虽然是四次反射,但这样的设计目的与两次反射是一样的,至于为什么用四次反射而不是两次90度反射呢?原因很简单,因为四次反射能够精简镜头模组的空间,如果设计两次90度反射,那么棱镜的长度会比现在还要的长一点。 "x(>Sj\%I  
    ~h)@e\Kc  
    那么 iPhone 15 Pro Max 望远镜头还算是潜望式镜头吗?我认为在狭义上不是,但广义上它是,潜望式镜头的定义是光路必须经过90°反射,一般是双反射,其实即使是单反射,也算是潜望式,但 iPhone 15 Pro Max 并不是90°反射,在这里推测可能是60°-120°-120°-60°四次反射,并且苹果官方似乎也从未在官方推文上表明他们的镜头是潜望式。所以可以发现 Apple的iPhone 15 Pro Max 当然没有重新定义所谓的潜望式镜头,它其实是以很苹果的方式。简化的设计更少的元件,做出看起来好像更复杂的镜头功能,与此同时,画质上有可能会更好。这种解决方式,非常符合苹果的平衡精神,目前是 iPhone 最强的望远镜头。首次利用四重反射棱镜实现相较于主摄的5倍光学变焦。
    RpO@pd m  
    Z5G]p4  
    本文根据 Apple 的长焦专利架构,解析了四次反射棱镜式潜望长焦的设计逻辑,大家可以根据这个逻辑来进行2次反射,3次反射,甚至5次反射潜望的架构分析,在有限的空间内做出更好的长焦镜头。
    1BQ0M{&  
    c62dorDqy  
    总结
    本文根据 Apple 的长焦专利架构,使用 Synopsys 展示了一个类似三片式四反潜望长焦镜头的设计,解析了四次反射棱镜式潜望长焦的设计逻辑,向大家展示了数值计算确认结构配置的重要性。如需文中 Synopsys 光学设计初始宏和文档,请评论区留言获取代码。 vi]r  
    *jM_wwG  
    =db'#m{$  
    C8IkpAD  
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    追光跑的橘子君 光币 +5 优秀资料,加分! 2024-09-18
     
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    只看该作者 1楼 发表于: 2024-09-18
    优秀资料,加分!
    离线peppa154
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    只看该作者 2楼 发表于: 2024-12-21
    需要文中 Synopsys 光学设计初始宏和文档,非常感谢!
    离线小火龙果
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    只看该作者 3楼 发表于: 2024-12-23
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    peppa154:需要文中 Synopsys 光学设计初始宏和文档,非常感谢![表情]  (2024-12-21 14:49)  QSw<%pcJE@  
    {D`'0Z1"  
    您好,获取文档可添加工作人员微信asd18086002623