CN111308593A - 用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法，该方法包括以下步骤：构建一个抛物曲面；利用矩阵变换对抛物曲面进行坐标变换，获得下一抛物曲面，之后对所述下一抛物曲面重复该操作，以此方式迭代，获得若干抛物曲面；对若干抛物曲面进行拼接处理，形成自由曲面。本发明首次提出将自由曲面应用于手机镜头，解决了现有手机镜头存在凸起、无法进一步超薄化等问题。且通过矩阵变换层层迭代的方式获取自由曲面的每个抛物曲面即“微元”，解决了现有自由曲面的存在的抛物曲面个数众多且不完全是标准抛物曲面，无法单独一个个表示的问题。

Description

用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法

技术领域

本发明属于光学成像系统设计领域，特别是一种用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法。

背景技术

近年来，随着超精密加工技术的发展，自由曲面的加工技术得到了不断地突破，这为自由曲面在各个领域的发展应用提供了技术支持。自由曲面由于其自身独特的造型设计，已经广泛的应用于模具、汽车以及航空等领域的形状复杂的零件生产中。同时，在光学设计领域也开始尝试利用二元光学元件、光学自由曲面进行设计，其主要分为三个方面：照明系统、聚光光伏系统以及成像系统。

在成像系统中，自由曲面能够矫正像差，提高成像质量，减少系统单元数量和质量，而且就目前为止，自由曲面在手机镜头设计上的应用仍为空白，因此自由曲面光学设计在手机镜头中的运用将会带动手机镜头的一次技术革新。目前，市场上手机镜头多采用多片非球面镜组合而成，因此大部分手机镜头都会略突出于手机表面，其根本原因还是由于限制光学结构的问题，更高的像素要求以及色散和边缘畸变进一步优化要求等因素使得镜头镜片组合数越来越多，模组越来越厚。摄像头凸起是手机更好的成像性能要求与机身超薄化外观的妥协的缺憾。而自由曲面的设计与手机镜头设计的结合应用将会有效的解决这一问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，构建若干抛物曲面；

步骤2，对若干抛物曲面进行拼接处理，形成自由曲面。

进一步地，步骤1所述构建若干抛物曲面，具体过程包括：

步骤1-1，构建一个抛物曲面；

步骤1-2，利用矩阵变换对步骤1-1的抛物曲面进行坐标变换，获得下一抛物曲面，之后对所述下一抛物曲面重复该操作，以此方式迭代，获得若干抛物曲面。

进一步地，步骤1-1所述构建一个抛物曲面，具体构建方式为：以待设计镜头的焦距和孔径作为抛物曲面的焦距，构建一个抛物曲面。

进一步地，步骤1-2中的迭代方式可替换为：利用矩阵变换对步骤1-1的抛物曲面进行若干不同的坐标变换，获得若干抛物曲面。

进一步地，步骤1-2中所述矩阵变换的具体公式为：

该矩阵变换表达式表示二维空间中任一点(x,y)绕任意点(m,n)逆时针旋转θ角度后的坐标(x',y')；其中

均为平移矩阵，平移值分别为(t_x,t_y)、(-t_x,t_y)，t_x＝-m，t_y＝-n；

为旋转矩阵。

进一步地，步骤2中所述对若干抛物曲面进行拼接处理，具体通过旋转、平移抛物曲面实现。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)首次提出将自由曲面应用于手机镜头，解决了现有手机镜头存在凸起、无法进一步超薄化(手机镜头焦距短，一般2～3mm，具有较大的视场，非球面透镜，一般因消色差要求，需要2～3片，尽管通过缩小入瞳来减小体积，但镜头总长发展到了极限，很难再小)等问题；2)通过矩阵变换层层迭代的方式获取自由曲面的每个抛物曲面即“微元”，解决了现有自由曲面存在的抛物曲面个数众多且不完全是标准抛物曲面，无法单独一个个表示的问题；3)减小了镜头的体积，实现了手机镜头进一步超薄化，顺应当下手机快递更新换代的潮流，为厂商提供了更多的设计空间和新的创新方向。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为一个实施例中用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法的流程图。

具体实施方式

抛物线独特的光学性质——经抛物线焦点的光线经抛物线反射后的光线平行于抛物线的对称轴。汽车前灯反射镜曲面设计为抛物曲面(即由抛物绕其轴线旋转一周而成的曲面)。即抛物线若由反射光的材料制成，则平行于抛物线的对称轴行进并撞击其凹面的光被反射到其焦点，而不管抛物线在哪里发生反射。相反，从焦点处的点源产生的光被反射成平行(“准直”)光束，并且平行于抛物线的对称轴。声音和其他形式的能量也会产生相同的效果。这种反射性质是抛物线的许多实际应用的基础。

由于手机镜头是一种空间立体的实物，抛物线不能满足于设计的要求，但其独特的光学性质仍可以被利用，于是本发明将二维平面的抛物线拓展成了三维的抛物曲面，将其应用于本发明的手机镜头设计中。本发明将一个抛物曲面视为一个“微元”，若干微元即可组成一个自由曲面。

经上述分析，在一个实施例中，结合图1，提供了一种用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，构建若干抛物曲面；

步骤2，对若干抛物曲面进行拼接处理，形成自由曲面。

本发明首次提出将自由曲面应用于手机镜头，解决了现有手机镜头存在凸起、无法进一步超薄化等问题。这里，抛物曲面的数目由待设计镜头的尺寸参数、工作参数决定。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤1所述构建若干抛物曲面，具体过程包括：

步骤1-1，构建一个抛物曲面；

步骤1-2，利用矩阵变换对步骤1-1抛物曲面进行坐标变换，获得下一抛物曲面，之后对所述下一抛物曲面重复该操作，以此方式迭代，获得若干抛物曲面。

这里，通过矩阵变换层层迭代的方式获取自由曲面的每个抛物曲面即“微元”，解决了现有自由曲面的抛物曲面个数众多且不完全是标准抛物曲面，无法单独一个个表示的问题。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤1-1所述构建一个抛物曲面，具体构建方式为：以待设计镜头的焦距和孔径作为抛物曲面的焦距，构建一个抛物曲面。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤1-2中的迭代方式可替换为：利用矩阵变换对步骤1-1抛物曲面进行若干不同的坐标变换，获得若干抛物曲面。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤1-2中所述矩阵变换的具体公式为：

该矩阵变换表达式表示二维空间中任一点(x,y)绕任意点(m,n)逆时针旋转θ角度后的坐标(x',y')；其中

均为平移矩阵，平移值分别为(t_x,t_y)、(-t_x,t_y)，t_x＝-m，t_y＝-n；

为旋转矩阵。

这里，矩阵变换包括平移、旋转等过程。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤2中所述对若干抛物曲面进行拼接处理，具体通过旋转、平移抛物曲面实现。

这里，旋转、平移使得曲面在连续性与光滑性上能够满足可生产加工的要求，自由度高。

这里，拼接处理也可以应用现有曲面拼接方法实现。

综上，本发明首次提出将自由曲面应用于手机镜头，解决了现有手机镜头存在凸起、无法进一步超薄化等问题。且通过矩阵变换层层迭代的方式获取自由曲面的每个抛物曲面即“微元”，解决了现有自由曲面存在的抛物曲面个数众多且不完全是标准抛物曲面，无法单独一个个表示的问题。

Claims (6)

1.用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，构建若干抛物曲面；

步骤2，对若干抛物曲面进行拼接处理，形成自由曲面。

2.根据权利要求1所述的用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法，其特征在于，步骤1所述构建若干抛物曲面，具体过程包括：

步骤1-1，构建一个抛物曲面；

步骤1-2，利用矩阵变换对步骤1-1的抛物曲面进行坐标变换，获得下一抛物曲面，之后对所述下一抛物曲面重复该操作，以此方式迭代，获得若干抛物曲面。

3.根据权利要求2所述的用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法，其特征在于，步骤1-1所述构建一个抛物曲面，具体构建方式为：以待设计镜头的焦距和孔径作为抛物曲面的焦距，构建一个抛物曲面。

4.根据权利要求2或3所述的用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法，其特征在于，步骤1-2中的迭代方式可替换为：利用矩阵变换对步骤1-1的抛物曲面进行若干不同的坐标变换，获得若干抛物曲面。

5.根据权利要求4所述的用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法，其特征在于，步骤1-2中所述矩阵变换的具体公式为：

该矩阵变换表达式表示二维空间中任一点(x,y)绕任意点(m,n)逆时针旋转θ角度后的坐标(x',y')；其中

均为平移矩阵，平移值分别为(t_x,t_y)、(-t_x,t_y)，t_x＝-m，t_y＝-n；

为旋转矩阵。

6.根据权利要求5所述的用于手机镜头的超薄型反射式自由曲面设计方法，其特征在于，步骤2中所述对若干抛物曲面进行拼接处理，具体通过旋转、平移抛物曲面实现。

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