光學設計人員一直面臨消費者對更小、更輕盈裝置(如相機)的需求，以及不斷提升影像品質的挑戰。通常，影像品質取決於透鏡數量的多寡，所安裝的透鏡數量越多，影像品質越好。
就智慧型手機相機而言，目前市面上的裝置最多有八個鏡頭。截至2022年，專利的申請報告已經出現至少額外再增加兩個鏡頭的設計。。
為了達成這個目標，在精準度和微型化皆非必要的時代，製造商必須放棄球形玻璃透鏡(圖1)的傳統方法，以非球面塑膠鏡片取而代之，成為常態。塑膠材質能夠讓透鏡更薄、更輕，非球面的形狀則可以使用強大的光學軟體以「暴力」方式計算來調整和聚焦光線，直到它們產出理想的影像(圖2)。
圖1 較早期的光學系統採用玻璃透鏡和簡單計算，將光線投影聚焦到能夠產生影像的表面上。在此範例中，鏡頭系統寬約15毫米，距離投射面超過30毫米
圖2 現代對微型化、輕量化光學系統的需求，促使非球面塑膠透鏡的採用，並將其精確定位。光學設計人員使用來自光學模擬軟體計算的「暴力方法」，將透鏡系統應用於小型機械外殼中(例如智慧型手機相機)，以實現卓越的影像品質
創造更小/更輕量的光學系統
無論使用何種材料、尺寸再小，只要增加更多鏡片，裝置的重量就會隨之增加。這不僅對消費者造成不便，同時也會影響電源消耗和製造難易度。智慧型手機利用自動對焦機制和音圈馬達等功能，透過將鏡頭在裝置內上下移動，實現物理操控鏡頭的功能。然而，鏡頭系統越重，就越難在有限的空間內進行上述操作。
只有透過光學模擬軟體的進步以及精密工具製造方面的平行進展，才能製造出較小、更輕的鏡頭系統。模擬技術得以辨識可預測鏡頭系統設計中的光線路徑，預測並修正光線對於影像品質產生的任何不良影響。工具技術的進步讓光學公司能夠製造其工程師所設計之最微小且最複雜的光學系統。
業者持續尋求不同方法打造相關工具，例如Ansys利用光學和光學機械的最新進展，協助業者設計並生產出色、有效率且強大的光學裝置，手機公司和鏡頭供應商能夠使用Ansys Zemax解決方案進行上述模擬。
繞射光學：單一光柵滿足多透鏡需求
為了應對微型化系統的效能挑戰，一些光學團隊正考慮使用繞射光柵取代某些透鏡。繞射光柵是由重複的微小凹槽或突起構成的表面，具有恆定的周期。光線撞擊到這些表面時，會將光譜繞射成不同方向上的各種可見色彩，產生彩虹效果。
以科學層面來看，繞射光柵在技術上屬於分光儀，能夠將可見光分裂成一系列方向精確的波長(圖3)。這種能力使得繞射光柵在光學設計中非常有用，由此產生的光線可以在光導管內外進行操作。
圖3 圖中呈現三種不同的繞射光柵表面結構：無規則光柵(左)、傾斜光柵(中)，以及具有鋁鍍層的閃耀階梯光柵(右)
繞射光學主要有助於增強色彩修正，為影像品質的關鍵因素之一。對於塑膠鏡片來說，色彩控制的能力非常有限，特別是在單一鏡片內實現色彩控制更是具有挑戰性，因此，繞射光學格外有用。為使塑膠鏡片獲得良好的影像，將需要更多的鏡片，這也是現代裝置內部充滿著鏡片的原因。額外的鏡頭總會增加最終產品的成本和重量，而繞射光柵提供多重鏡頭的服務，即在單一光子元件中作為多個透鏡，進而減少整體所需的鏡頭數量。如果設計中包括繞射元件，那麼只需要一半或更少的鏡頭數量就能實現相同的影像品質。
投資繞射元件好處多
使用繞射技術與否取決於公司願意做出的商業平衡利益。繞射光柵是複雜的光學元件，製造成本通常比鏡頭高出許多。部分的成本來自於光柵的必要設計和高精密度品質的製造，以避免通常與其相關的「彩虹」色彩光暈。想像一下，在手中反轉CD並稍微移動時，所看到的那種閃耀光芒便是繞射光柵效應的日常體驗。這是一種可以用於某些產品的美學效果，但作為光學系統的特性卻不被需要。
然而，如果光學產品值得合適的繞射元件投資，其提供的簡化將為設計帶來多種好處。除了可以在更小的空間和較輕的重量下達到影像品質要求，如果光學系統設計恰當，還可以達到比單一鏡頭更高的色彩校正水平。這是因為單一元件取代多個鏡片，不需要透過比較元件之間的繞射指數來「消除」顏色，而所有這些都在單一元件中完成。繞射元件本身可在不需要額外的計算下修正色彩。繞射元件特別適用於塑膠鏡片，因為折射率變化有限，使得色彩修正成為獨特的挑戰。
使用繞射光學簡化設計的另一項優勢是在製造過程中可以減少布局的錯誤。元件越少，引入正確架置問題的閾值就會越高，也越不需要擔心系統公差。不過，最大的優勢還是較少的零件可使團隊節省時間和金錢。由於針對公差的考慮減少，材料投資和工作週期本身都有所減少。擁有較少需要對齊和組裝的零件，能使製造更加容易，減少建造所需的時間。
這些節省可能會被製造繞射光柵的成本抵銷，如上所述，但省下來的淨成本仍可使繞射在許多情況下成為一個有效的選擇。此外，這也帶有生態效益，因為較輕的裝置在電池層面上更具能源效率，而較少的設計和生產週期則會轉化為更小的環境足跡和較少的物料浪費。
(本文作者為Ansys產品行銷經理)