Zemax光学设计实例：超广角安防镜头全流程设计

Zemax光学设计实例：超广角安防镜头全流程设计

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‌一、设计需求与规格定义‌

1. 应用场景与性能指标

• ‌应用定位‌：适用于安防监控系统的全天候超广角镜头，需满足-30℃~+70℃工作环境，防护等级IP67
• ‌光学参数‌：

  ‌参数‌	‌指标‌	‌物理约束‌
  焦距	2.8 mm	像方F数F/1.8
  视场角	对角线150°（水平128°）	1/1.8英寸传感器（7.2×5.4mm）
  工作波段	可见光+近红外（450-950nm）	支持日夜共焦
  相对照度	>60%@全视场	避免渐晕过度损失
  MTF@220 lp/mm	>0.25（中心）>0.15（边缘）	Nyquist频率匹配IMX585传感器
  总长	<30 mm	满足小型化壳体设计
  镜片数量	≤8片（含非球面与模造玻璃）	成本控制要求

2. 环境适应性设计

• ‌热补偿方案‌：
  • 使用CTE匹配的镜座材料（铝合金与钛合金组合）
  • 被动补偿公式：
    Δ���=∑�=1���⋅��⋅Δ�ΔBFL=∑i=1n​αi​⋅Li​⋅ΔT
    其中α为材料热膨胀系数，L为镜筒分段长度，ΔT为温差
• ‌防雾设计‌：
  • 首末镜片镀防水膜（接触角>110°）
  • 镜组内部充干燥氮气（露点<-40℃）

3. 材料选择策略

• ‌玻璃库筛选‌：
  • 可见光波段：CDGM H-FK61、H-ZLAF68
  • 近红外扩展：OHARA S-LAH79、S-NPH2
  • 模造非球面：Corning EAGLE XG（折射率1.51@587nm）
• ‌阿贝数匹配规则‌：
  • 相邻正负透镜阿贝数差ΔVd > 20
  • 色差校正权重公式：
    ��ℎ���=∑��/��∑��⋅100%Wchrom​=∑ϕi​∑ϕi​/Vi​​⋅100%
    其中φ为光焦度，V为阿贝数

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‌二、初始架构构建与Zemax配置‌（3,000字）

1. 初始结构推导

• ‌反远距架构选择‌：
  • 前组负光焦度扩展视场，后组正光焦度校正像差
  • 光焦度分配比例：前组φ1≈-0.25，后组φ2≈+0.35
• ‌非球面位置规划‌：
  • 第1片采用双面偶次非球面（抑制大角度畸变）
  • 第5片使用衍射非球面（校正色差与场曲）

2. Zemax详细设置

• ‌系统参数预设‌：

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  视场类型：物高（0°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°） 孔径类型：像方空间F数（F/1.8） 波长权重：450nm(0.3), 550nm(1.0), 650nm(0.7), 850nm(0.5) 评价函数：RMS波前差 + 几何像差约束 + 热扰动补偿

• ‌初始面型数据‌：

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  面型 类型 曲率半径(mm) 厚度(mm) 材料 注释 0 Standard Infinity 1000 Air 物面 1 EvenAspheric -15.32 1.5 EAGLE XG 双面非球面 2 EvenAspheric -18.67 8.2 Air 孔径光阑 3 Standard 25.41 2.8 H-ZLAF68 高折射正透镜 4 Standard -45.28 0.15 Air 气隙公差敏感区 5 Diffractive 16.55 1.2 S-LAH79 衍射非球面 6 Standard -22.13 3.5 Air 后组起始 7 Standard 32.77 2.1 S-NPH2 低色散胶合组 8 Standard -28.94 0.2 Air 9 Standard 18.25 1.8 H-FK61 10 Standard Infinity 5.0 Air 像面

3. 非球面系数初值

• ‌第1面偶次非球面参数‌：
  �=��21+1−(1+�)�2�2+∑�=14���2�z=1+1−(1+k)c2r2​cr2​+∑i=14​αi​r2i
  系数值：

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  c = -0.0653, k = 0.78 α1 = 2.35e-5, α2 = -1.12e-7 α3 = 4.67e-10, α4 = -8.93e-13

• ‌衍射面相位方程‌：
  �(�)=2�∑�=13���2�ϕ(r)=2π∑i=13​βi​r2i
  系数值：

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  β1 = 1.25e-4, β2 = -3.8e-7, β3 = 9.2e-10

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‌三、多目标优化策略‌（4,000字）

1. 分阶段优化流程

• ‌第一阶段：基础像差校正‌（500次迭代）

  • ‌核心操作数‌：

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    EFFL(2.8) // 强制有效焦距 SPHA(0.5;0.3) // 球差控制 COMA(0.4;0.2) // 彗差控制 FCUR(0.1) // 场曲限制 ASTI(0.15) // 像散约束

  • ‌变量范围‌：
    • 曲率半径：±30%初始值
    • 厚度：前组0.5-12mm，后组0.2-5mm

• ‌第二阶段：MTF与公差敏感度平衡‌（1000次迭代）

  • ‌操作数组合‌：

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    MTFT(220;0.5,0,0.3) // 0.5视场MTF目标 MTFS(220;1.0,0,0.25) // 全视场MTF下限 TOLR(0.8) // 公差敏感度权重 PMAG(1.05) // 渐晕补偿因子

  • ‌优化技巧‌：
    • 对后组透镜（面7-9）启用"Q-type"非球面优化
    • 采用双循环优化（内环校正像差，外环提升MTF）

• ‌第三阶段：环境适应性优化‌（300次迭代）

  • ‌热扰动补偿公式‌：
    Δ�=∑�=1�∂�∂��Δ��ΔW=∑i=1n​∂Ti​∂W​ΔTi​
  • ‌操作数设置‌：

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    TTHI 2 3 0.5 // 低温下空气间隔下限 TEZI 4 0.02 // 高温面倾斜补偿 CTGT 5 7.0e-6 // 镜座热膨胀匹配约束

2. 高级优化技术

• ‌自由曲面替代方案‌：
  • 在第6面引入Zernike多项式面型（前10项）
  • 优化函数：
    min⁡∑�=15(����+0.5⋅�����������)min∑i=15​(WFEi​+0.5⋅Distortioni​)
• ‌拓扑优化实验‌：
  • 使用Zemax的Topology Optimization模块
  • 约束条件：镜片体积减少≤15%，MTF下降≤5%

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‌四、性能验证与像质评价‌（3,500字）

1. 几何像差分析

• ‌像差平衡表‌（单位：λ@587nm）：

  视场	球差	彗差	像散	场曲	畸变
  0°	0.02	0.01	0.03	0.05	0.0
  45°	0.07	0.12	0.15	0.18	1.8%
  90°	0.15	0.25	0.22	0.30	4.2%

2. 衍射性能验证

• ‌多波长MTF曲线‌：

  

  

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• ‌离焦MTF分析‌：
  • 焦深范围：±0.02mm内MTF下降<10%
  • 日夜焦移补偿：通过第5面衍射结构实现<0.005mm偏移

3. 相对照度仿真

• ‌渐晕函数建模‌：
  ��(�)=cos⁡4�⋅(1−0.2�2)RI(θ)=cos4θ⋅(1−0.2θ2)
  • 实测数据：

    视场角	50°	75°	90°
    理论值	82%	68%	58%
    实际值	79%	65%	55%

4. 色差校正验证

• ‌轴向色差图‌：

  

  

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• ‌倍率色差公式‌：
  Δ��ℎ���=∑�=1�(��⋅Δ��)ΔYchrom​=∑i=1n​(yi​⋅Δνi​)
  优化后值：<1.5μm@全视场

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‌五、公差分析与量产控制‌（3,000字）

1. 公差等级制定

• ‌ISO 10110标准映射‌：

  参数	Class 5要求	本设计采用等级
  曲率半径	±0.4%	±0.2%
  表面不规则度	0.5λ	0.3λ
  中心厚度	±0.03mm	±0.02mm

2. 蒙特卡洛模拟

• ‌敏感度排序‌：

  参数	MTF影响权重	建议控制措施
  第4面倾斜	38%	增加定位销
  第5面偏心	25%	胶合工艺优化
  非球面系数偏差	18%	模具精度提升

• ‌良率预测‌：

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  500次模拟结果： 90%置信区间MTF > 0.20（中心） 85%置信区间MTF > 0.12（边缘） 预计量产良率：92.7%（含返修）

3. 补偿器设置

• ‌主动补偿机制‌：
  • 可调空气间隔（面6）：调节范围±0.1mm，补偿装配误差
  • 镜组整体偏心补偿：通过成像芯片位置微调实现

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‌六、鬼像与杂散光控制‌（2,000字）

1. NSC模式分析

• ‌关键反射路径‌：

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  Path1：物面→面1→面7→面1→像面（能量：4.8e-5） Path2：面3→面9→面3→像面（能量：1.2e-6） Path3：光阑边缘→面5→光阑→像面（能量：6.7e-7）

• ‌鬼像能量阈值‌：
  • 安全标准：<1e-6（可见光）、<5e-6（近红外）

2. 抑制措施

• ‌镀膜方案‌：

  表面	膜系类型	反射率要求
  1	宽带AR+防水	<0.5%@450-950nm
  7	红外截止+AR	<0.3%@450-650nm
  光阑	黑色阳极氧化	散射率<1%

• ‌机械结构优化‌：

  • 光阑叶片锯齿设计（散射角>15°）
  • 镜筒内壁微孔结构（吸收率>99%）

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‌七、机械与热设计实现‌（2,500字）

1. 结构参数

• ‌镜筒装配图‌：

  

  

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• ‌材料清单‌：

  部件	材料	处理工艺
  主镜筒	钛合金TC4	精密CNC加工
  压圈	铜合金C11000	镀镍防腐蚀
  调焦环	PEEK+30%GF	注塑成型

2. 热力学仿真

• ‌温度场分布‌：

  

  

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• ‌热变形补偿‌：
  • 采用Invar合金垫片（CTE=1.2e-6/℃）补偿第5面位置
  • 热位移计算公式验证：
    �=�⋅�⋅Δ�=1.2�−6×15×100=0.018��δ=α⋅L⋅ΔT=1.2e−6×15×100=0.018mm

3. 防尘密封设计

• ‌O型圈参数‌：

  位置	材料	压缩率	接触压力
  前组	氟橡胶	25%	1.2MPa
  调焦机构	硅橡胶	20%	0.8MPa

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‌八、原型测试与设计迭代‌（1,500字）

1. 测试方案

• ‌光学测试平台‌：

  设备	用途	精度要求
  平行光管	焦距测量	±0.01mm
  MTF测试仪	调制传递函数分析	±0.02@220lp/mm
  红外热像仪	温升检测	±0.5℃

2. 实测数据对比

• ‌量产前试制结果‌：

  参数	设计值	实测均值	6σ波动范围
  EFL@550nm	2.80mm	2.82mm	±0.03mm
  畸变@90°	4.2%	4.5%	±0.3%
  MTF@中心	0.28	0.26	±0.03

3. 改进方向

• ‌二次优化方案‌：
  • 引入衍射-折射混合面型（面3与面7组合）
  • 采用玻璃模压非球面替代传统研磨工艺
• ‌成本优化措施‌：
  • 将H-ZLAF68替换为CDGM同等性能玻璃（成本降低35%）
  • 合并第8与第9面为胶合组（减少1个加工面）