如何评价华为Mate40 Pro可能使用自由曲面摄像头？ 第1页

自由曲面手机镜头的是与非

大约两年前，一家很有意思的光学公司进入了博主的视野，DynaOptics。这家公司的主打产品很特别——运用了自由曲面的手机镜头。

在看到DynaOptics之前，在博主的印象里绝大多数的光学镜头都是按照光轴旋转对称来设计的。而自由曲面freeform的定义就是非旋转对称的面型。可以看到上图的最后一片镜片便是一个自由曲面镜片。DynaOptics的官网明确指出，运用自由曲面，可以改善镜头的畸变。

旋转对称的镜头设计对于绝大多数光学设计师而言，都是作为最基础的常识来认知的。因为在光轴垂直向外的任何一个方向上，如果把光学素质都做到最高了，那么绕光轴旋转一下，岂不是整个光学系统的都是最高了么？看上去实在找不到任何打破旋转对称性的必要。

假设使用自由曲面比起旋转对称面型来有收益，意味着相机系统里本身一定具有非旋转对称的元件。

有吗？真的有吗？真的确定有吗？

——有的。不要忘记图像传感器CMOS是个矩形。

对于一个旋转对称的成像系统而言，其设计的可用成像范围会是一个圆，而CMOS是它的内接矩形。

这样的话，上下左右不就有四片不需要在乎成像质量的地方了吗？如果在光学设计中能够运用到自由曲面，无视上下左右这些无效区域的成像性能，而提升CMOS范围内的成像呢？

似乎有点道理，但其原理上究竟是如何做到的？就让我来仔细拆解一下。

首先，作为预备知识，我们来说说什么是畸变，以及畸变是如何产生的？

用广角镜头拍照的时候，往往会看到图像边缘的扭曲，这就是畸变了。

畸变产生的原因，从光学理论上来讲，可以定性归纳为“孔径光阑两边的光焦度不平衡”。

观察这张图。红色箭头是沿着绿色光线同一个方向开始画的。如果没有透镜的话，那么绿色光线将按预期落到红色箭头的位置。实际的绿色光线的位置和红色箭头的预期位置之间的差异就构成了光学畸变*，也就是上图中画面向内凹的效果。显然入射角度越大，畸变越严重。（*这段说明非常不严谨，其实就是错的，无畸变预期的成像点不是红色箭头，我直接无视了镜片的功能。但这对于理解畸变的产生有帮助，完整写下又太琐碎。不杠。）

归纳一下：

光阑右边存在正的光焦度，就会产生负畸变（桶形畸变）。

再简单衍生一下：

光阑右边存在负的光焦度，就会产生正畸变（枕形畸变）；

光阑左边存在正的光焦度，就会产生正畸变；

光阑左边存在负的光焦度，就会产生负畸变。

那怎么来纠正畸变呢？平衡正负光焦度显然是一个办法。我们知道畸变是源于光阑左右边的光焦度，即远离光阑的光焦度，那么如果要修正畸变，那么我们选取的进行特殊处理的位置也得远离光阑。

从第一张DynaOptics的图中明确可以看到，运用了自由曲面的是最后一片镜片，这非常符合光学原理。在越远离光阑（也是越靠近像面）的地方，各个入射角度视场的光线分得越开，在此处中运用特殊面型（自由曲面、非球面）便可以对不同的视场加以不同的调制效果。

（相对地，在越靠近光阑的位置，使用特殊面型，便可以对那些与视场关系不大，但与光阑大小很相关的像差进行纠正，譬如，球差。）

在手机镜头里，所有镜片已然是形状特殊的非球面，且尽可能地在修正畸变了。每个视场点对应的畸变不同，而最后一片镜片特殊的形状已经在努力把各个视场点导向其正确的位置。如果每个视场只考虑一根光线，即其中心的“主光线”，那么通过远离光阑的非球面的矫正，一定可以做到零畸变。

然而，每个视场发出的光线不是只有一根。

在上图中可以看到光线汇聚的时候，会形成“光锥”，我们把锥角中心的光线叫做“主光线”，而边缘最外围一圈的光线叫做“边缘光线”。

如果在靠近像面的位置，有一片可以任意变动形状的透镜，那么一定可以把每个视场的主光线调整到零畸变的位置。但是，在这片任意形状的镜片上，每一条主光线的位置也是临近视场的边缘光线的位置，如果强行调节，就会导致临近视场的聚焦性能变差，即临近视场的主光线和边缘光线汇聚位置不重合。

旋转对称非球面设计的时候，曲面走向一定是矫正当前视场主光线和临近视场的边缘光线之间的一个权衡。由于权衡的存在，对当前市场的主光线角度（畸变）矫正便无法是充分的。

再回到我们这个问题的开头。

考察CMOS边缘的小红点。在纠正小红点的畸变的同时，我们是可以无视边上那两个小蓝点的成像素质的，即在CMOS边缘小红点的主光线我们可以尽量用曲面弯曲的形式把它向零畸变的方向拉过去，同时，完全不用考虑隔壁小蓝点视场的边缘光线变得多差。这其实是一件很爽的事情！

说到这里自由曲面的有效性已经论证完了。有效的，可以改善CMOS角落位置的畸变，也许还对相对照度可能有点效果。

但是多有效？在获取实际的专利数据进行研判之前不好说，但根据我的猜测，收效有限。

虽然在角落位置，小红点的像质可以和小蓝点解耦，但依旧没法和小绿点解耦，因为小绿点还是在成像的有效范围内。所以自由曲面可以起作用的范围不能很大。

更加重要的是，一旦使用了自由曲面，打破了旋转对称性，对于加工难度而言，将是直线上升！模具不可以旋转对称地车削研磨了，而造好的镜片在和CMOS组装的时候，更是增加一个极为苛刻的绕光轴转动量的对齐要求。不论是生产速度还是良率都板上钉钉地直线下降。

况且畸变这东西，本身不影响成像锐度，人眼对于4%之内的畸变基本无法分辨。如果需要的话，也可以在后期图像处理时通过算法矫正畸变。只有对技术有着极致的追求，才会如此不计成本地上自由曲面来纠正光学畸变。

最近看到报道说，智能手机分析师郭明錤在最新的报告中提到，在华为今年下半年带来的高端Mate机型上，将会配备一个自由曲面镜头(Freeform lens)。

这种为了极致性能排除万难的做法，可能就是工程师的浪漫吧。

本文转自公众号“年光”。