光学镜头是光学成像系统中的核心部件之一，其通过光学折射原理将所拍摄的画面成像至图像传感器上，实现视觉信息的捕捉与采集。它就像是人类的眼睛，是机器感知世界的窗口，作为机器视觉系统中的不可或缺的硬件之一，扮演着重要的角色。与图像传感器Sensor（CCD、CMOS）、主控芯片等属于同等重要的核心器件。

而说起镜头首先还是要简单复习一下高中光学的基础物理知识，有助于大家的理解和认知。可见光是电磁波的一种，而电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场和磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释放出电磁波，且温度越高，放出的电磁波频率就越高，波长就越短。

电磁波主要包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线。可见光波长范围大概在400-700nm之间。

光学，“optics”源自古希腊单词“ὀπτική ”，意为名词“看见”、“视见”，是一门探究光行为和性质的学科，细分为几何光学、物理光学和量子光学。

镜头主要涉及成像光学，是几何光学的分支，用于研究如何利用光记录二维画面。其主要以光学理论和镜片制造工艺为主。镜头按焦距是否可变分为定焦镜头和变焦镜头两大类。定焦镜头结构简单，主要包括镜筒、底座、镜片（以塑料镜片为主，玻璃镜片为辅）和滤光片，成本较低。变焦镜头结构相对复杂，主要包括镜筒、镜框、镜片（主要以玻璃镜片为主，数量较多，其中包含球面和非球面玻璃镜片，如今，含少量塑料镜片的玻塑镜头也使用广泛）、马达、光圈、滤光片、FPC，成本较高。

图1 镜片加工工艺

图2 定焦镜头结构

图3 变焦镜头结构

图4 定焦镜头实物

图5 变焦镜头实物

其中，变焦镜头又可细分为手动变焦镜头和自动变焦镜头。开发一款自动变焦镜头一般由光学设计、机构设计和电气设计三大模块组成。系几何光学、色度学、热力学、精密机械技术和电子技术等多学科的集成，技术壁垒较高。以大倍率变焦镜头为例，需针对十余枚镜片的折射率、曲率、直径、厚度等参数进行无穷组合的调配设置，实现各个焦距下解像力、像差、像高、畸变、照度等多项规格要求，满足成像需求，具备极高技术难度。

光学设计是根据光线的折射定律，调整与排列若干球面镜片、非球面镜片、自由曲面镜片的参数，实现光学成像并满足焦距、光圈 F 值、像高、解像力、畸变、相对照度、尺寸等一系列规格指标要求。球面镜片参数主要包括折射率、前表面曲率、后表面曲率、厚度与空气间隔 5 个参数变量，变量可在 0 至无穷的范围内取值。非球面镜片等复杂面型镜片涉及的变量则更多，一枚镜片即具有 18 个以上参数变量，其中塑料非球面镜片因其极高的可塑性还可制造微透镜阵列、菲涅尔透镜、开诺型（Kinoform）衍射等更为复杂的光学表面，既赋予光学设计更大的自由度，又提升了整体设计难度。各个不同形状、不同材质、不同折射率镜片之间相互影响的关系使得任一参数的微小改变均会引起最终产品规格指标的非线性变动，因此光学设计过程极其复杂且难度极高。参数数量的庞大、变量取值范围的无穷、各参数之间的互相影响使得参数组合无法穷尽，故光学设计非常依赖对成像理论的理解和设计经验的积累。

图6 光学设计示意图

机构设计工作是通过确定合理的镜片安装方式、公差分配、移动群组驱动方式等来保证光学性能尽可能地贴近理论值水平。合理的公差分配要求设计者对原材料加工误差、装调误差的精确评估，需要长期技术积累及对上游供应链技术水平的充分了解。同时，机构设计需在考虑驱动精度、速度、镜头整体尺寸、可靠性等基础上将各结构件、机电件进行合理布局。后序加工的可行性则涵盖了大量的工程性评估，包括加工规范、镜头外观接口适配情况，装调工艺简洁性以及结构件对鬼像杂光的潜在影响分析等。

图7 机构设计示意图

电气设计过程需根据机构设计阶段确定的群组驱动方式、群组重量、驱动步长精度等数十项条件以及镜头的使用温度、湿度、振动、冲击等可靠性要求，完成马达、FPC 等机电件各项参数的确定。经过机构设计阶段，镜筒外形与马达、光圈等机电件的摆放位置已经确定，故 FPC 的外形尺寸会极大受限，FPC 设计时必须在符合尺寸限制的同时，完成外接引脚与各机电件之间布线，同时保证线程尽可能短以减少电信号的传递损耗；光圈等机电件的设计完成后，需要通过有限元分析，确认在各种外界影响下，机电件电气特性的突变与失效情况，确保镜头具有良好的电气可靠性。

图8 电气设计示意图

按镜头所使用的场景和领域主要可分为：安防监控镜头、智能家居镜头、视频会议镜头、工业类镜头、车载镜头、无人机镜头、投影镜头、电影镜头等。可广泛应用于智慧城市、智慧交通、轨道交通、边海防、智慧巡检、森林防火、河道监控、智能识别、视频会议、AI人工智能等各大领域。

图9 镜头应用领域

图10 各大类镜头全家福

（可见光镜头：定焦镜头、自动变焦镜头（短焦、长焦、超长焦镜头）、电动镜头（手动）、广角镜头、鱼眼镜头。

安防行业镜头、工业类镜头、手机镜头、视讯会议镜头、无人机镜头、车载镜头、智能家居镜头、投影镜头（普通投影镜头和超短焦激光投影镜头、红外镜头等）

图11 镜头应用场景及代表产品

消费电子市场一直是镜头最主要也是最大的应用市场，其中应用最多的要数手机镜头。传统手机镜头模组厂商主要以舜宇、欧菲光、丘钛、大立光等为主。随着近些年VR、AR眼镜的火热，各大镜头厂商也瞄准了这块新型市场，特别是今年AI人工智能爆火以后，AI智能眼镜的概念也应运而生，除了传统龙头老大舜宇外，还有像联创电子、水晶光电、瑞辰光学、蓝特光学等。

图12 传统手机镜头结构

图13 潜望式手机镜头结构

图14 AR眼镜上的镜头

图15 VR眼镜内的镜头

车载摄像头作为无人驾驶系统中感知外部环境的主要手段之一，同激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达等作为实现其功能的核心硬件。

图16 自动驾驶等级分类自动驾驶系统中应用的各种传感器各有利弊，随着其发展进程提速，单一传感器无法胜任自动驾驶技术对距离估计和极端环境等的要求，目前，主机厂采用多传感器信息融合的方案。一辆车上同时搭配以上四类传感器，做到优势互补。

图17 自动驾驶传感器对比

图18 汽车上多传感器融合应用

车载摄像头中功能各不相同，包括前视（前向驾驶辅助）、后视（倒车摄像头）、侧视（盲点监测）、环视（全景环视系统）和内置（驾驶员疲劳监控）等，不同安装位置的摄像头对配置和要求均不相同。

图19 车载摄像头功能

“车规级”镜头需要考虑光学焦平面的稳定性、热补偿特性、高通光特性、光学焦平面和相机的热补偿，以及各种干扰控制等多方面的要求。手机塑料镜头在严酷环境下难以保持稳定性，纯玻璃镜头成本较高，车载镜头多为玻塑混合镜头。车载镜头要求高，对温度和寿命要求外，对技术要求也较高，特别在是在灵敏度、夜视性能、LED闪烁抑制、HDR（高动态范围成像：更大的明暗差别）技术等方面。

图20 动态范围低VS动态范围高的车载摄像头拍隧道

图21超级曝光技术自带的抗LED闪烁

图22 视频监控行业生态图

安防监控领域作为镜头的主战场之一，是实现图像和视频信息采集的关键部件。焦距、倍率、光圈、分辨率、照度、靶面、视场角等则是评估一款安防监控镜头的几个主要指标。随着安防监控行业经历“看的见、看的清、看的懂、看的远”几个阶段，对镜头的性能要求也越来越高。大靶面、高分辨率、超低照度、超大倍率光学变焦、小体积、玻塑混合等，愈发作为安防镜头的关键技术指标和发展方向。红外共焦、光学透雾、光学防抖、快速聚焦等功能，备受安防厂商关注。

图23 中润光学镜头图谱

图24 安防行业发展历程

图25 安防产品在各领域应用

图26 安防摄像头应用场景

图27 安防摄像头分类

国内主流的安防监控镜头厂家有中润光学、联合光电、宇瞳、舜宇、力鼎、福光、福特科、凤凰光学等。其中，在中大倍率一体机自动变焦镜头中，以中润光学和联合光电为主要代表，而在定焦镜头中，宇通光学一路高歌猛进，联合光电紧追不舍，中润光学奋力后来者居上。近些年，定焦镜头市场越来越卷，涌现很多传统手机镜头厂商和华南市场镜头厂家加入这场厮杀，价格堪比白菜价，在部分智能家居监控领域，只要性能基本OK，价格几乎起决定性因素。

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（作者：刘骏嵩，如有侵权，请联系删文）