ZEMAX超广角摄影物镜光学设计

ZEMAX；超广角物镜；光学设计；反摄远；像差校正

一、文章简要介绍

超广角摄影物镜因视场角大、景深宽，在安防监控、汽车环视、无人机航拍等领域需求旺盛。但FOV超过90度后，轴外像差（畸变、场曲、像散）急剧恶化，传统匹兹伐型结构难以同时校正。上海电机学院侯国柱团队在《应用光学》2016年第37卷第3期上发表了"基于ZEMAX的超广角摄影物镜设计"（DOI: 10.5768/JAO201637.0305002），提出三反摄远拼接式超广角物镜设计方法，以16片全球面透镜实现了100度全视场、F数2.1、焦距6.2mm的光学系统。

图1 前组初始结构——三个反摄远子系统拼接

该设计的初始结构采用三个反摄远（Inverse Galileo）子系统拼接覆盖100度视场。14度子系统角放大率-0.766，20度子系统-0.703，26度子系统-0.619，三个子系统各自承担一段视场，最终合成100度总视场。前组负-正透镜组合产生负球差以补偿后组正球差，是一种经典的大视场设计范式。

图2 26度FOV反摄远系统及后组结构框架

二、仿真步骤

第一步：选取三个反摄远子系统各自的初始结构参数，计算各子系统的角放大率和焦距分配。第二步：在ZEMAX中建立前组三个子系统的独立模型，完成各自优化后将三个子系统按视场角拼接为统一前组。第三步：建立后组12片球面透镜的初始结构，将前组与后组混合后，在Merit Function Editor中设置多重约束——EFFL控制焦距6.2mm，DMLT加TOTR约束总长161mm，MNCA和MXCA控制空气间隔和边缘厚度。

图3 总体系统初始结构光路图

第四步：启动ZEMAX全局优化（Global Optimization），以RMS Spot Radius为默认评价函数，将曲率半径、厚度、玻璃材料作为优化变量。图4展示了总体系统的框架约束设置和参数控制界面。

图4 总体系统框架与参数约束设置

图5 优化后最终光学系统光路布局（16片透镜）

三、关键结果与发现

最终设计结果（图6-8）显示：全视场MTF在50 lp/mm处均大于0.7，说明系统具有优异的对比度传递能力，非常接近衍射极限。最大场曲小于0.05mm，最大畸变绝对值小于3.5%，对于100度超广角物镜属于优良水平。点列图RMS半径在各视场下均接近艾里斑，表明像差校正充分。

图6 各视场MTF曲线（50 lp/mm处均大于0.7）

设计还进行了公差灵敏度分析，使用ZEMAX公差工具对曲率半径、厚度、偏心、倾斜等30个公差项进行蒙特卡罗模拟，结果显示90%概率下MTF仍保持在0.5以上，验证了系统的可制造性。该设计全部采用球面透镜，避免了非球面加工的高成本，在100度超广角物镜中实现了性能与成本的优化平衡。

图7 场曲与畸变曲线（最大畸变小于3.5%）

图8 各视场点列图（RMS半径接近衍射极限）

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真技术服务：①基于ZEMAX的各类光学系统设计与优化（定焦、变焦、超广角、望远等）；②光学系统像差分析与像质评价（MTF、点列图、场曲畸变、公差分析）；③反摄远结构与折反射混合系统的初始结构选型与设计；④非球面与自由曲面光学元件的面型优化及可制造性评估；⑤光电系统联合仿真与光机结构设计咨询。

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