什么是切邊透鏡？它有哪些應用優(yōu)勢？

切邊透鏡，簡單來說就是“修剪過邊角”的透鏡。如果把傳統(tǒng)透鏡比作一塊圓形餅干，切邊透鏡就像把餅干切成六邊形、方形或其他特殊形狀，但中間部分保持完整。這種設計不是隨意切割，而是通過精密計算，在縮小體積的同時，確保中間透光區(qū)域不受影響。

透鏡的核心功能是折射光線，而邊緣區(qū)域?qū)Τ上褙暙I較小，通過切除多余邊緣，可以在有限空間中塞入更多光學元件，在保留有效區(qū)域的同時切除的只是不參與成像的邊緣部分，使得實際滿足不同條件的實際使用需求。透鏡的切邊具備形狀可定制性，根據(jù)設備空間需求，可切割成多邊形、扇形甚至不規(guī)則形狀。

2. 常見類型

一、為什么需要切邊透鏡？

當下，面對不同的電子設備不斷追求輕薄化，傳統(tǒng)圓形透鏡的固定形態(tài)成為阻礙，電子設備不斷追求輕薄化，傳統(tǒng)圓形透鏡的固定形態(tài)成為阻礙：

手機攝像頭：iPhone 14 Pro的攝像頭模組厚度僅7.85mm，內(nèi)部需堆疊7片透鏡。

AR眼鏡：Meta Quest Pro的光學模組厚度壓縮到15mm，僅為上一代的60%。

光線干擾問題

圓形透鏡邊緣易產(chǎn)生雜散光，如同夜晚開車時對面車輛的遠光燈眩光，雜散光會降低成像對比度，在醫(yī)療內(nèi)窺鏡中可能導致誤診，切割邊緣可減少30%-50%的雜光（數(shù)據(jù)來源：《光學精密工程》2021年實驗報告）。

安裝穩(wěn)定性需求

圓形透鏡在狹小空間中容易滾動偏移，切邊設計提供天然固定位，六邊形透鏡可直接嵌入蜂窩狀支架，安裝誤差小于0.05毫米。如：特斯拉車載攝像頭使用矩形透鏡，通過卡扣固定抵御車輛震動。

二、切邊透鏡的四大核心作用

1. 空間利用率提升

智能手機案例：華為P50 Pro的潛望式鏡頭采用5片切邊透鏡，在8mm厚度內(nèi)實現(xiàn)10倍光學變焦。圓形方案至少需要12mm。

工業(yè)檢測設備：基恩士（Keyence）的激光測距儀通過扇形透鏡，將光路長度縮短40%。

2. 成像質(zhì)量優(yōu)化

減少光暈現(xiàn)象：索尼α7 IV相機使用切邊透鏡后，逆光拍攝時的光暈面積減少35%。

提升信噪比：奧林巴斯醫(yī)療內(nèi)窺鏡的成像噪點降低20%，能更清晰觀察0.1mm的病變組織。

3. 系統(tǒng)穩(wěn)定性增強

抗震性能：大疆無人機云臺相機采用六邊形透鏡，在10Hz振動環(huán)境下仍保持像素級穩(wěn)定。

溫度適應性：切割邊緣分散熱應力，使車載激光雷達在-40℃~85℃范圍內(nèi)焦距變化小于0.01%。

4. 生產(chǎn)成本控制

材料節(jié)省：六邊形透鏡比圓形減少22%的原材料消耗（以直徑10mm的熔融石英透鏡為例）。

自動化組裝：矩形成品率比圓形高18%，因為機械臂更容易抓取定位。

四、切邊透鏡的五大應用領域

1. 消費電子

手機鏡頭：小米13 Ultra的1英寸大底模組，通過4片切邊透鏡實現(xiàn)邊緣厚度減少3.2mm。iPhone的LiDAR掃描儀使用扇形透鏡，精準捕捉3D空間信息。

AR/VR設備：微軟HoloLens 2的多邊形透鏡組，在30°視野內(nèi)實現(xiàn)47像素/度的清晰度。

2. 醫(yī)療設備

內(nèi)窺鏡：奧林巴斯ENF-V4喉鏡直徑僅4.9mm，內(nèi)部集成2片D形透鏡。

膠囊內(nèi)鏡通過橢圓透鏡實現(xiàn)150°廣角觀察，電池續(xù)航提升30%。

激光治療儀：飛頓公司的脫毛儀使用異形透鏡，精準控制光斑形狀避免皮膚灼傷。

3. 汽車科技

激光雷達：速騰聚創(chuàng)M1雷達采用16片扇形透鏡陣列，探測距離達300米。切割邊緣設計使模組體積縮小45%，更易集成進車頂。

車載攝像頭：特斯拉Autopilot的側視攝像頭使用矩形透鏡，在-30℃低溫下仍快速對焦。

4. 工業(yè)制造

半導體檢測：ASML光刻機的照明系統(tǒng)采用六邊形透鏡陣列，實現(xiàn)晶圓曝光均勻度＞99%。

切割設計讓光路更緊湊，每小時晶圓產(chǎn)量提升15%。

激光加工：通快（TRUMPF）的3D打印激光頭，通過異形透鏡將焦點精度控制在±2μm。

5. 科研儀器

空間探測：韋伯望遠鏡的紅外傳感器采用切邊透鏡組，在-223℃極端溫度下穩(wěn)定工作。切割邊緣的輕量化設計，使單個透鏡重量減少18%。

量子實驗：中國科大的光量子計算機中，定制透鏡精準引導光子路徑，運算速度提升40%。

五、制作切邊透鏡的五大注意事項

1. 精密切割工藝

工具選擇：金剛石線切割：精度達±1μm，適合高硬度材料。

飛秒激光切割：熱影響區(qū)小于5μm，避免材料變性。

過程控制：實時溫度監(jiān)控：防止局部過熱導致裂紋。

切削液循環(huán)：保持切割面清潔度。

2. 邊緣精細處理

拋光要求：切割面粗糙度需＜5nm（相當于鏡子表面的1/100）。

倒角角度誤差＜0.1°，否則會引起光線折射異常。

鍍膜保護：切割面需涂覆防反射膜，反射率＜0.5%。

耐磨損涂層：硬度＞8H（鉛筆硬度標準）。

3. 強度驗證測試

檢測方法：超聲波探傷：發(fā)現(xiàn)＞10μm的內(nèi)部裂紋。

三點彎曲試驗：施加1.5倍工作載荷不變形。

環(huán)境測試：高低溫循環(huán)（-40℃~120℃）測試100次。85%濕度環(huán)境存放720小時。

4. 光學性能校準

波前檢測：使用干涉儀檢測面形精度，偏差＜λ/4（λ=633nm）。焦距誤差＜0.1%。

雜散光測試：在暗室中用激光掃描，檢測非預期光斑。

5. 標準化封裝

定位基準：切割邊作為機械定位面，平行度誤差＜0.005mm。

防誤裝設計：非對稱切割形狀，避免組裝時方向顛倒。

總之，看似小小的切邊改變，實際在應用上能夠帶來的突破是實質(zhì)的，靈活的形態(tài)使得切邊可定制任意形狀，像拼圖一樣適配設備空間。在保留有效透光區(qū)完整的同時做到不犧牲成像質(zhì)量，精密的工藝切割面精度，使得在設備的精度控制上實現(xiàn)更大的飛躍。

核心優(yōu)勢

未來展望

隨著3D打印、超精密加工技術的發(fā)展，切邊透鏡正在向更極致的方向進化：

智能變形透鏡：通過電控材料實時改變邊緣形狀。

自清潔鍍膜：切割面涂覆疏水涂層，防塵防霧。

超薄設計：厚度＜0.5mm的柔性切邊透鏡即將面世。

從讓手機拍清月亮的潛望鏡頭，到探查人體內(nèi)部的超細內(nèi)窺鏡，切邊透鏡這項“修剪邊緣”的巧妙設計，正在用毫米級的改變，推動著光學技術的巨大進步。