曲面光学传感器的是与非

最近几年常有传言说某手机厂将要搭载曲面CMOS的摄像头了，但迟迟没有真的实现的。曲面CMOS对光学设计而言会有哪些好处，哪些难点，我们来总结一下。

很多人想象中的成像光学系统是这个样子的：

事实上由于像差的存在，应该是这个样子的：

很显然，如果我们可以把像面弯曲一下的话，可以让成像的情况大大改善：

我们在这里描述的就是光学系统中很难被修正的一种像差：场曲。

其实场曲很好理解。不论入射光线的角度如何，通过透镜后聚焦的距离应该都差不多，所以成像面自然而言应该是个以透镜中心为球心的球面，而不是个平面。由于制造工艺的需要，我们把成像面规定为平面并且把场曲叫做一种像差。不难发现，如果要纠正这种像差，需要把正负光焦度搭配使用——上图使用了正透镜，像面向左弯了，就需要使用负透镜，再让像面向右弯，与此同时还得保持整个系统的光焦度符合要求且平衡其他像差，这当然就给光学设计带来了麻烦。

换句话说，一旦通过曲面传感器搞定了场曲，那么修正镜头内其他像差的难度就大大降低，可以在同样的尺寸规格下获取高得多的光学性能，比如手机镜头的话，可以尝试一下F/1.0。

顺便说，光刻镜头那种丧心病狂的结构主要就是用来修正场曲的。

在搞定场曲的同时，曲面传感器还可以有效降低CRA – Chief Ray Angle，即每个视场点的光线入射到传感器时的角度。传感器都是“喜欢”光线尽可能正入射的。有两方面原因，首先是来自纯几何光学的原因，光束在像面的照度与其入射角的cosine相关，以及曲面探测器可以尽可能让每个视场的光线汇聚锥角一致（平面的话，越大入射角的光锥角越小），这样两方面的共同作用，使得曲面像面可以有好得多的相对照度，即没有暗角；另一个方面是来自于CMOS的制造因素，过大的角度入射会导致CMOS响应低，甚至是和隔壁pixel形成信号串扰，以及产生杂散光。

当然还有一个好处，使用曲面传感器之后，可以在同样的总厚度里面塞下面积更大的传感器。这个不论是对于画质，还是市场宣传因素，都是很有利的……

那么好的东西为什么没有铺开？这一定是有原因的嘛。

首先说，人类很早之前就尝试过曲面传感器的相机和天文望远镜的生产——当然，不是CMOS也不是CCD，而是胶卷！显然胶卷比较容易弄成曲面，不论是在一个方向卷成圆柱，还是利用其延展性压成真球面。在胶卷时代，曲面像面其实不是个夸张的点子。

然而我们到了电子时代。CMOS或CCD传感器是半导体工艺的产物，而用半导体工艺来生产曲面的产品，对于制程而言，就是个几乎不可能的挑战。事实上，索尼大法在研制其曲面CMOS的时候也是先做成平面然后再给它弯成曲面的。这里头的会造成多少生产方面的问题无需赘述。顺便提一点有趣的，曲面CMOS理论上无法通过方形pixel密集排列而成，还好实际pixel之间有间隙，如果pixel是方形的话，pixel间隙就会变成非规则。（或者也可以做个梦，把pixel做成六边形排布……）

另外，对于单反微单等可换镜头的相机而言，用上曲面传感器意味着新建一整个镜头群，当前针对平面像面设计的镜头全都不能用了。即便真的要新建镜头群，不同焦段的镜头，最理想的传感器弯曲程度也是不一样的。因此，曲面传感器很难真的用到可换镜头的相机产品里。还是用在固定镜头的产品里更靠谱，比如手机。

对于光学设计者而言，一旦用上了曲面传感器，有很多光学指标需要被重新定义，最典型的就是畸变。常规平面像面的镜头（非鱼眼），根据入射角和成像大小的关系h=f·tanθ，我们使用的是f-tanθ畸变。

一旦成像面是曲面，畸变的定义完全就不一样了，需要把落在曲面传感器的聚焦位置对应到同等大小的平面传感器像高，这得根据像面的曲率半径换算一下。

还有光学设计软件中常用的点列图以及PSF等评价方式都需要做出调整。具体说，在Zemax中，点列图是简单记录光线抵达某个面（可以是曲面）时候的XY坐标值，而PSF是投影到平面上。这些分析工具都需要为了适应曲面传感器做出调整。

2017年，Zemax杯镜头设计大赛就出了曲面传感器手机镜头的题目。第一名的作品在曲面传感器的加持下，仅用5片镜片就达到了普通情况下7片才能达到的性能。这足以显示曲面传感器对于光学设计的提升。

（来自新闻稿：https://www.sohu.com/a/192209085_613224）

希望曲面CMOS的制造难题可以被早日攻克，让这个产品可以惠及更多用户。

当然，最后我们来做一个自由畅想的野望，希望有朝一日CMOS可以不止是球面的，还可以是自由曲面的，甚至可变形的，就像自适应光学一样，做出自适应自由曲面CMOS传感器。这应该就是最终形态了吧……