基于蒙特卡洛的手机变焦镜头设计

郭佳健; 谢元昊; 牟帅威; 张新; 刘铭鑫; 史广维; 赵尚男

doi:10.37188/OPE.20253318.2844

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于蒙特卡洛的手机变焦镜头设计

现代应用光学 | 更新时间：2025-10-28

- 基于蒙特卡洛的手机变焦镜头设计
- Monte Carlo based smartphone zoom lenses design
- 光学精密工程 2025年33卷第18期页码：2844-2856
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.中国科学院大学，北京 100049
  3.光学系统先进制造全国重点实验室，吉林长春 130033
- 作者简介：
  
  [ "郭佳健（2000-），男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，2023年于中山大学获得学士学位，主要从事成像及照明光学系统设计方面的研究。E-mail： guojiajian23@mails.ucas.ac.cn" ]
  [ "赵尚男（1993-），女，吉林长春人，博士，助理研究员，2015年和2018年于北京理工大学分别获得学士和硕士学位，2024年于中国科学院大学获得博士学位，主要从事成像光学系统优化设计等方面的研究。E-mail： 18810575846@163.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(62475122);国家自然科学基金青年基金资助项目(62005271)
- DOI：10.37188/OPE.20253318.2844
  中图分类号： O435
- CSTR：32169.14.OPE.20253318.2844
- 收稿：2025-04-16，
  
  修回：2025-05-29，
  
  纸质出版：2025-09-25
- 稿件说明：
移动端阅览
郭佳健,谢元昊,牟帅威等.基于蒙特卡洛的手机变焦镜头设计[J].光学精密工程,2025,33(18):2844-2856.

GUO Jiajian,XIE Yuanhao,MU Shuaiwei,et al.Monte Carlo based smartphone zoom lenses design[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(18):2844-2856.
郭佳健,谢元昊,牟帅威等.基于蒙特卡洛的手机变焦镜头设计[J].光学精密工程,2025,33(18):2844-2856. DOI： 10.37188/OPE.20253318.2844. CSTR： 32169.14.OPE.20253318.2844.

GUO Jiajian,XIE Yuanhao,MU Shuaiwei,et al.Monte Carlo based smartphone zoom lenses design[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(18):2844-2856. DOI： 10.37188/OPE.20253318.2844. CSTR： 32169.14.OPE.20253318.2844.

摘要

随着消费电子产品的不断升级，用户对高性能、小型化变焦光学成像系统的需求日益迫切。对于变焦系统，其组份光焦度分布、运动曲线等一阶配置对成像性能影响显著，但一阶配置方案的选择难以通过简单解析的方法解决，这增加了轻量化变焦镜头的设计难度。为了全局性地评估变焦镜头一阶配置的潜在性能，探索变焦镜头轻量化的设计方法，本文将蒙特卡洛搜索程序用于寻找变焦系统最佳一阶配置方案中。首先，基于蒙特卡洛生成各组份焦距，筛选满足变焦约束方程的有效分配方案。然后，根据有效方案生成镜头设计文件进行真实光线追迹和快速优化来评估方案性能，筛选出性能优异的光焦度组合方案。最后，以手机变焦镜头为例，将性能优异的方案作为初始结构，设计了一款F数恒定为2.9、等效焦距达61~183 mm、总长90 mm的紧凑型变焦镜头，其变焦曲线平滑，各视场、各焦距的MTF均优于0.45@80 lp/mm和0.15@160 lp/mm，畸变低于4%，相对照度高于20%，相较于常规变焦镜头，在轻量化方面具备明显优势。设计结果说明本文提出的基于蒙特卡洛生成一阶配置和真实光线追迹评估方法的有效性，为紧凑型变焦镜头设计提供了新的解决思路。

Abstract

With the advancement of consumer electronics， there is an increasing demand for high-performance， miniaturized zoom lenses. In zoom lenses， the distribution of optical power among components and their zoom cam curve-collectively known as first-order configurations-significantly influence imaging performance. However， selecting optimal first-order configurations is challenging through simple analytical methods， thereby complicating the design of lightweight zoom lenses. To globally assess the potential performance of first-order configurations in zoom lenses and explore design methodologies for lightweight zoom lenses， this study employed a Monte Carlo search algorithm to identify optimal first-order configurations. Initially， focal lengths for each component were generated based on the Monte Carlo method， and configurations satisfying the zoom constraint equations were filtered. Subsequently， lens design files were created for the valid configurations， followed by ray tracing and rapid optimization to evaluate performance， ultimately selecting configurations with superior optical power distributions. Finally， taking a smartphone zoom lens as an example， a compact zoom lens was designed using the high-performance configuration as the initial structure. This lens maintained a constant F-number of 2.9， achieved an equivalent focal length range of 61-183 mm， and had a total track length of 90 mm. It featured smooth zoom cam curve， modulation transfer function （MTF） values exceeding 0.45 at 80 lp/mm and 0.15 at 160 lp/mm across all fields of view and focal lengths， distortion below 4%， and relative illumination above 20%. Compared to conventional zoom lenses， it offered significant advantages in terms of weight reduction. The design results demonstrate the effectiveness of the proposed method， which combines Monte Carlo-generated first-order configurations with ray tracing evaluations， providing a novel approach for designing compact zoom lenses.

关键词

Keywords

references

NEIL I A . Evolution of zoom lens optical design technology and manufacture ［J］. Optical Engineering ， 2021 ， 60 （ 5 ）： 051211 . doi: 10.1117/1.oe.60.5.051211 http://dx.doi.org/10.1117/1.oe.60.5.051211

刘巧玲，陈丽娜，余华恩，等 . 可变焦距机器视觉镜头光学系统设计［J］. 应用光学， 2015 ， 36 （ 2 ）： 199 - 205 . doi: 10.5768/jao201536.0201007 http://dx.doi.org/10.5768/jao201536.0201007

LIU Q L ， CHEN L N ， YU H E ， et al . Optical system design of zoom lens for machine vision systems ［J］. Journal of Applied Optics ， 2015 ， 36 （ 2 ）： 199 - 205 . （in Chinese） . doi: 10.5768/jao201536.0201007 http://dx.doi.org/10.5768/jao201536.0201007

邹刚毅 . 基于自由曲面变形镜的反射变焦光学系统设计方法研究［D］. 西安：中国科学院大学（中国科学院西安光学精密机械研究所）， 2024 .

ZOU G Y . Research on Design Method of Reflective Zoom Optical System based on Free - Form Deformable Mirror ［D］. Xi'an ： Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics， Chinese Academy of Sciences ， 2024 . （in Chinese）

KINGSLAKE R ， JOHNSON R B . Lens Design Fundamentals ， 2 nd Edition ［M］. Amsterdam ： Elsevier Science Bv ， 2010 .

SMITH W J . Modern Optical Engineering ： The Design of Optical Systems ［M］. 4th Edition ed . New York ： McGraw-Hill Education ， 2008 .

GROSS H . Handbook of Optical Systems ， Volume 4： Survey of Optical Instruments ［M］. Weinheim ： Wiley-Vch ， 2005 .

许宁晏，高志山，陈露，等 . 应用自由曲面的紧凑型长焦手机镜头设计（特邀）［J］. 红外与激光工程， 2023 ， 52 （ 7 ）： 71 - 80 .

XU N Y ， GAO Z S ， CHEN L ， et al . Design of compact telephoto mobile phone lens based on freeform surface （invited）［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2023 ， 52 （ 7 ）： 71 - 80 . （in Chinese）

CALDWELL J B ， NEIL I A . Wide-range ， wide-angle compound zoom with simplified zooming structure ： US， 20060227415 ［P］. 2006-10-12 .

卢建龙，叶海水，牛亚军，等 . 长焦镜头、摄像头模组及电子设备：中国， 114966919A ［P］. 2022-08-30 . doi: 10.4324/9780080879093-27 http://dx.doi.org/10.4324/9780080879093-27

LU J L ， YE H S ， NIU Y J ， et al . Telephoto lenses ， camera modules and electronics ： China， 114966919A ［P］. 2022-08-30 . doi: 10.4324/9780080879093-27 http://dx.doi.org/10.4324/9780080879093-27

董健，王春艳，孙昊，等 . 腹腔镜用液体透镜变焦光学系统设计研究［J］. 中国激光， 2023 ， 50 （ 21 ）： 181 - 189 .

DONG J ， WANG C Y ， SUN H ， et al . Design and study of liquid lens zoom optical system for laparoscopy ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2023 ， 50 （ 21 ）： 181 - 189 . （in Chinese）

刘海渤，胡源，李雨哲，等 . 液体透镜研究现状与发展综述［J］. 激光与光电子学进展， 2024 ， 61 （ 9 ）： 66 - 76 .

LIU H B ， HU Y ， LI Y Z ， et al . Review of current status and development of liquid lens ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2024 ， 61 （ 9 ）： 66 - 76 . （in Chinese）

LIU Z Y ， GAN Z H ， ZHANG M ， et al . Design of a small non-displacement zoom optical system based on Gaussian brackets and traversal ideation ［J］. Optics Communications ， 2024 ， 557 ： 130336 . doi: 10.1016/j.optcom.2024.130336 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2024.130336

DODOC A . Toward the global optimum in zoom lens design ［C］. Zoom Lenses IV. San Diego ， California， USA. SPIE ， 2012 ： 848802 . doi: 10.1117/12.928688 http://dx.doi.org/10.1117/12.928688

NEIL I A . High-performance zoom lenses with a forward-located stop ［C］. Zoom Lenses IV. San Diego ， California， USA. SPIE ， 2012 . doi: 10.1117/12.974870 http://dx.doi.org/10.1117/12.974870

NEIL I A . ： US ， 20130250160 ［P］. 2013-09-26 .

陶纯堪 . 变焦距光学系统设计［M］. 北京：国防工业出版社， 1988 .

TAO C K . Design of Zoom Optical System ［M］. Beijing ： National Defense Industry Press ， 1988 . （in Chinese）

MIKS A ， NOVAK J . Paraxial analysis of four-component zoom lens with fixed distance between focal points ［J］. Applied Optics ， 2012 ， 51 （ 21 ）： 5231 - 5235 . doi: 10.1364/ao.51.005231 http://dx.doi.org/10.1364/ao.51.005231

PAL S ， HAZRA L N . Structural design of four-component optically compensated zoom lenses： Use of evolutionary programming ［J］. Optik ， 2012 ， 123 （ 17 ）： 1534 - 1541 . doi: 10.1016/j.ijleo.2011.09.015 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2011.09.015

SUN W S ， TIEN C L ， LIU Y H . Optical design for the lens depth of a periscope-type 3× zoom lens with 8-megapixel mobile phone ［J］. Optical and Quantum Electronics ， 2020 ， 52 （ 3 ）： 141 . doi: 10.1007/s11082-020-2256-3 http://dx.doi.org/10.1007/s11082-020-2256-3

MIYAGAWA N ， CHEN Y H . MIYAGAWA N ， CHEN Y H . ： US， 10823942 ［P］. 2020-11-03 .

LIPPMAN D H ， TEVEROVSKY D S ， BENTLEY J L . Monte Carlo first-order design method for anamorphic cinema zoom lenses ［J］. Optical Engineering ， 2021 ， 60 （ 5 ）： 051203 . doi: 10.1117/1.oe.60.5.051203 http://dx.doi.org/10.1117/1.oe.60.5.051203

史光辉 . 用高斯光学和三级像差理论求变焦距物镜的初始解［J］. 中国光学， 2018 ， 11 （ 6 ）： 1047 - 1060 . doi: 10.3788/co.20181106.1047 http://dx.doi.org/10.3788/co.20181106.1047

SHI G H . Find preliminary solution of zoom objective lens using Gaussian optics and third-order aberration theory ［J］. Chinese Optics ， 2018 ， 11 （ 6 ）： 1047 - 1060 . （in Chinese） . doi: 10.3788/co.20181106.1047 http://dx.doi.org/10.3788/co.20181106.1047

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

全塑料3倍全动型变焦镜头设计

多运动组共轨型紧凑变焦光学系统

三次样条插值优化渐进多焦点镜片非对称设计

小行星地形探测激光雷达接收光学系统设计

近红外二区宽谱段光学成像系统设计