今天，即使我们大多数人都不是名人，我们还是比以往任何时候都更多地出现在摄像机上。配备紧凑型相机模块（CCM）的智能手机，计算机和其他设备几乎是不可避免的 - 无论我们是否为特写准备就绪！随着配备CCM的产品继续迅速发展乐动体育app无法登录，这些小而强大的光学设备也必须不断改进。为了确保CCM可以在成本和空间限制内产生清晰，清晰的图像，工程师可以通过光射线跟踪模拟分析其性能。
有助于定义相机（和CCM）性能的因素
即使是最先进的紧凑型相机模块，也可以与传统相机和其他光学系统共享一些关键属性。光学系统由其几何形状的形状定义 - 透镜，镜子，孔，棱镜等的位置，方向，厚度和曲率以及其结构中使用的材料。为了分析光学系统，设计师试图量化从理想系统（称为畸变）的偏离。要了解CCM设计的独特挑战，它有助于更详细地考虑其中一些因素。
球形畸变
光速取决于它通过的介质，例如玻璃，塑料，水或空气。如果培养基在整个体积中具有均匀的特性，则光将以直线传播。当光线撞到不同材料相遇的表面时，其方向将会改变。光路的这种重定向称为折射，当镜头折射光时，它可能导致所得图像中的失真。当透镜的表面像球的一部分一样均匀地弯曲时，它会导致变形，称为球形像差。
穿过球形镜头边缘的光线将针对与穿过中心的光相比，将针对不同的焦点。为了应对这种球形畸变，可以将镜片与其他透镜混合使用，以将光重定向到图像平面上的所需点。
球形像差之所以发生，是因为穿过球形镜头边缘的光的光点与光线通过中心的光点不同。这将导致产生的图像中的模糊。为了抵消这种效果，可以改变镜头表面的曲率以重定向光并保持清晰的焦点。由于这种镜头的变化曲线曲线不再是球形的，因此称为非球形透镜。减少球形像差的另一种方法是使用多个镜头实现所需的放大倍数。相机通常会具有多个元素，以在设备大小上实现物理约束中最明显的图像。
焦距
在任何光学系统中，焦距的比率F要直径d是个焦距，通常称为摄影中的f数字。（请参阅下面的这些概念的插图。）F-数字对图像的景深有直接影响。较低的f数字，表明相对于焦距较大的光圈将减小景深。这意味着，即使图像的一部分处于明确的焦点中，其他距离镜头越来越近的对象也会显得模糊。如果我们保持焦距相同但减少光圈，我们的系统将捕获较小，更清晰的整体图像。
焦距是光学系统性能的重要参数。它的值由焦距的比率定义F，这是镜头和图像观看表面之间的距离，到物镜直径d。Vargklo的图像，在公共领域通过Wikimedia Commons。
影响焦距的尺寸通过用于拍摄野生动植物和体育赛事的摄像机可以显而易见。它们通常具有宽阔的镜头，也很长，以捕捉尽可能多的场景，具有最大的景深。
从相机到CCM：光学设计演变
虽然现代紧凑型相机模块与祖先共享许多核心元素，但它也受到其他设计限制。最重要的约束以其名称突出显示：袖珍的相机模块必须紧凑。由于CCM经常集成到手机，平板电脑和其他便携式产品中，因此它们的镜头组件通常比传统摄像机更小，更轻。乐动体育app无法登录由于电子设备的市场可能对价格高度敏感，因此制造商还面临压力，以保持CCM的成本与其尺寸一样小。
左：典型数字单镜头反射（DSLR）摄像机的部分示意图：1。镜头组件。2.镜子。3.焦距快门。4.传感器/电影。5.聚焦屏幕。6.冷凝镜头。7.五季型或五角星。8.目镜。Cburnett的图像。获得许可CC由3.0， 通过Wikimedia Commons。右：紧凑型摄像机模块镜头组件由射线光学模块中构建的教程模型定义。DSLR的许多光学组件中未包含在典型的CCM中。
所有这些因素都反映在CCM的设计和构建中，尤其是与常见的数字单镜头反射（DSLR）相机设计相比。DSLR通常将可拆卸的透镜组件与图像传感器相同的尺寸与35毫米膜的框架相同。它还将包括一组镜子，导致镜头/图像传感器组件上方安装的视眼镜。这使摄影师能够看到相机捕获的确切图像。
在CCM上，其中一些组件的尺寸降低，而其他组件则完全被保留。例如，没有取景器组件。模块的图像传感器小于35毫米，覆盖传感器表面的单个受体或像素也小。(This is why comparing the megapixel values used to describe digital cameras can be misleading — not all pixels are the same size!) A CCM’s lens assembly is small both in diameter and thickness, as it cannot protrude from its housing like that of a DSLR. Also, some or all of its lenses are made from plastic, rather than glass, to reduce cost and weight.
应对CCM设计的限制
设计约束使图像清晰度难以在CCM中实现。例如，在具有较大突出镜头组件的DSLR摄像头上，可以通过物理调整其焦距并停止其光圈来调整焦距。但是，在CCM上，进一步停止其孔（由于其尺寸很小）并不实用。这意味着当光线穿过CCM组件时，光线弯曲得更加明显，从而增加了所得图像中的潜在失真。
CCM设计师如何充分利用小型塑料镜头，并将调整范围紧密地包装在一起？如上所述，镜头的形状和数量都可以用于优化性能。玻璃非球形镜头的复合曲线通常比具有常规曲率的曲线更昂贵，但是在这里，塑料的使用实际上是一种优势。塑料透镜可以通过单个模具大量生产，从而避免了将玻璃透镜磨成非球形形状的昂贵且耗时的过程。
除了这些积极的效果外，非球面光学元素还将更复杂的性能带入了优化系统性能的任务中。在一个2012年发表的研究文章，卡尔·蔡司（Carl Zeiss）的工程师说：
“ CCM设计主要是由高跨球畸变校正驱动的，以实现尺寸和成本限制。因此，需要在瞳孔和野外坐标中进行适当的采样以控制高阶畸变贡献……大量高度非球面的表面导致CCMS的未对准灵敏度的增加。因此，技术要求相应地要求。”
光射线跟踪是调整CCMS紧密填充，高度非球面镜头组件的行为的宝贵工具。
通过模拟考虑畸变
可以使用射线光学模块部分库中的五元素（加过滤器）紧凑型相机模块组件的模型构建。该模型支持射线跟踪分析，以识别和可视化影响CCM图像质量的潜在畸变。如下所示，本教程中建模的组件具有7.0 mm的焦距和f/2.4焦距。
紧凑型相机模块光学设计的概述。在此横截面视图中，射线已通过释放索引进行着色。
射线跟踪算法几何光学元件界面通过基础有限元网格基于离散的几何形状计算折射射线方向。紧凑型摄像头模块的非球面表面已分配给已精炼网格的累积选择。
请注意，Comsol多物理中曲线元素的表示实际上可以设置为不同的形状顺序。例如，该软件可以将边界元素视为分段立方或四分之一的多项式，以提高精度。这有助于抵消从光学处方到镜头系统网格表示时可能会发生的离散误差。
左：CCM模型的透镜表面的累积选择。右：已完善网格的非球面。
CCM的射线图和斑点图如下所示。透镜表面已经使用基于材料折射率的表达式渲染，并且根据图像平面处的每个释放的质心的径向距离对射线进行着色。在点图中，射线是根据距入口瞳孔中心的径向距离进行着色的。这提供了一种可视化最异常射线的起源的方法。
左：CCM的射线图，其中射线是通过距离图像平面上的质心的径向距离进行着色的。右：根据距入口瞳孔中心的径向距离颜色颜色的点图。
仔细研究紧凑型相机模块教程模型
为了进一步探索优化CCMS性能的潜力，您可以尝试自己建模。通过单击下面的按钮下载此处的教程模型：
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