第1章：光学设计基础理论回顾

各位同学好，我是老张。做手机镜头设计十几年了，今天咱们聊聊基础。

很多人觉得基础理论枯燥，我年轻时也这么想。但后来踩的坑多了，才明白——基础不牢，地动山摇。尤其是手机镜头这种又小又精的东西，差一个微米，成像就糊了。

这一章，我把几何光学、近轴光学、像差理论、MTF这些核心内容串一遍。不会太深，但都是干活用得上的。

1.1 几何光学基础

几何光学，说白了就是用光线来模拟光的行为。它有三个基本定律，我一个个说。

1.1.1 光线传播

光在均匀介质中走直线。这个好理解吧？

但有个坑：光在两种介质交界处会拐弯。这就是反射和折射的由来。

1.1.2 反射定律

反射定律很简单：入射角等于反射角。但实际设计中，反射不光发生在镜面，也发生在透镜表面。嗯，这里要注意——透镜表面的反射会降低透过率，产生鬼影。

我曾经设计一款5P镜头，客户投诉有鬼影。查了半天，发现是第二片透镜的曲率太陡，反射光刚好落在传感器上。后来加了增透膜才解决。

1.1.3 折射定律（Snell定律）

Snell定律是光学设计的命根子：

n₁ × sin(θ₁) = n₂ × sin(θ₂)

其中n是折射率，θ是光线与法线的夹角。

你想想看，手机镜头里那么多片透镜，每片都有不同的折射率。光线从空气进入玻璃，再从玻璃出来，来回折腾。设计得好，光线乖乖聚焦；设计不好，就各种像差。

1.2 近轴光学与高斯光学

近轴光学，我习惯叫它「小角度近似」。什么意思？就是假设光线跟光轴夹角很小，sinθ ≈ θ，tanθ ≈ θ。

为什么要做这个近似？因为真实光线计算太复杂了。近轴近似下，我们可以用简单的公式算出像的位置、大小、放大率。

1.2.1 高斯公式

1/f = 1/u + 1/v

f是焦距，u是物距，v是像距。这个公式我闭着眼睛都能写出来。

但实际设计中，近轴公式只是起点。手机镜头的光线角度往往很大，近轴近似会失效。这时候就要靠光线追迹了。

1.2.2 主点与节点

高斯光学里还有几个概念：主点、节点、焦点。说白了就是描述透镜系统怎么成像的。

我个人习惯把主点理解为「等效折射点」。一个复杂镜头，可以简化成一个薄透镜，主点就是它的位置。

1.3 像差理论

像差，就是实际成像跟理想成像的偏差。手机镜头里，像差是头号敌人。

像差分两大类：单色像差和色差。单色像差有五种：球差、彗差、像散、场曲、畸变。加上色差，一共六种。

1.3.1 球差

球差是最基础的像差。简单说，就是透镜边缘和中心对光线的折射能力不同，导致光线不能汇聚到同一点。

我记得第一次设计镜头，球差没控制好，成像像蒙了一层雾。后来用了非球面才压下去。

1.3.2 彗差

彗差让点光源成像像彗星，拖着尾巴。它跟视场有关，视场越大越明显。

手机镜头边缘画质差，很多时候就是彗差在作怪。

1.3.3 像散与场曲

像散和场曲经常一起出现。像散是水平和垂直方向焦点不重合；场曲是像面不是平面，而是曲面。

手机传感器是平的，场曲会导致边缘模糊。我一般通过优化镜片形状和材料来平衡。

1.3.4 畸变

畸变不影响清晰度，但影响形状。桶形畸变让直线向外弯，枕形畸变让直线向内弯。

手机镜头畸变通常控制在1%以内。但超广角镜头畸变大，需要算法校正。

1.3.5 色差

色差是因为不同颜色的光折射率不同。红光和蓝光聚焦点不一样，就产生了色差。

解决色差的方法：用低色散材料，或者正负透镜组合（消色差双胶合）。

1.4 光学传递函数（MTF）基础

MTF是评价镜头成像质量的最重要指标。它衡量的是镜头传递对比度的能力。

简单说：一个黑白条纹的目标，经过镜头后，黑白对比度会下降。MTF就是输出对比度除以输入对比度。

MTF值在0到1之间。1表示完美传递，0表示完全模糊。

1.4.1 MTF曲线怎么看

MTF曲线横轴是空间频率（lp/mm），纵轴是MTF值。

手机镜头一般看这几个点：

• 低频（10 lp/mm）：反映轮廓清晰度
• 中频（30 lp/mm）：反映细节表现
• 高频（60 lp/mm）：反映极限分辨率

我一般要求手机镜头在奈奎斯特频率（传感器像素对应频率）处MTF > 0.3。

1.4.2 MTF与像差的关系

每种像差对MTF的影响不同：

像差类型	MTF影响特征
球差	全视场MTF下降，中高频衰减明显
彗差	边缘视场MTF不对称下降
像散	子午和弧矢MTF分离
场曲	边缘视场MTF急剧下降
色差	不同波长MTF不一致

本章知识体系

下面这张图，是我自己画的本章知识框架。你可以把它当成学习地图：

好了，这一章就到这里。基础理论看着多，但用起来就是那几招。下一章我们开始讲手机镜头的光学结构，到时候会用到今天这些知识。

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