引言

在安防監(jiān)控領(lǐng)域，鏡頭需應(yīng)對?40℃~80℃的極端溫度環(huán)境，溫度載荷引發(fā)的熱離焦問題直接影響成像穩(wěn)定性。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)難以準(zhǔn)確耦合光學(xué)、結(jié)構(gòu)與溫度場的相互作用，導(dǎo)致研發(fā)周期長、成本高。長春理工大學(xué)與東莞市宇瞳光學(xué)科技股份有限公司聯(lián)合團(tuán)隊(duì)^[1]，以Zemax OpticStudio為核心工具，通過光機(jī)熱集成仿真分析，成功實(shí)現(xiàn)安防鏡頭熱離焦的準(zhǔn)確預(yù)估與高效補(bǔ)償，相關(guān)成果發(fā)表于《應(yīng)用光學(xué)》期刊（2025年第46卷第5期）。本文將深度解析該研究的技術(shù)路徑，彰顯Zemax在光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計(jì)中的核心賦能價值。

極端環(huán)境下安防鏡頭的技術(shù)瓶頸

隨著安防監(jiān)控向戶外化、高清化升級，鏡頭需在嚴(yán)寒、酷暑等極端工況下保持高清成像。玻塑混合鏡頭因成本優(yōu)勢與成像潛力被廣泛應(yīng)用^[2]，但塑膠與玻璃材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)差異、結(jié)構(gòu)件與光學(xué)元件的熱變形耦合，易引發(fā)鏡片位移、面型畸變，最終導(dǎo)致適配像面偏移，產(chǎn)生熱離焦。

傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)僅考慮折射率隨溫度的變化，無法模擬結(jié)構(gòu)熱脹冷縮帶來的擠壓應(yīng)力與位移影響；單一有限元分析雖能獲取結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，卻難以轉(zhuǎn)化為光學(xué)性能評價指標(biāo)。因此，構(gòu)建“結(jié)構(gòu)-光學(xué)-溫度”一體化仿真體系，成為突破行業(yè)技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵——而Zemax OpticStudio及其STAR模塊，為跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)耦合與性能分析提供了核心解決方案。

基于Zemax的光機(jī)熱集成仿真流程

（1）鏡頭光學(xué)系統(tǒng)與熱離焦原理

該鏡頭采用2枚玻璃鏡片（第1、4枚）與6枚塑膠鏡片的組合方案，如圖1 所示，總長度52.14mm，光學(xué)后焦距5.43mm，分辨率為2592×1440像素。溫度載荷通過徑向壓力（S_R）與軸向壓力（P_A）引發(fā)離焦，核心影響因素包括鏡片與鏡框的熱膨脹系數(shù)差、楊氏模量、配合間隙等，相關(guān)力學(xué)關(guān)系可通過以下公式量化：

徑向壓力：

其中K₄為應(yīng)變特性參數(shù)，K₅為間隙參數(shù)；

軸向壓力：

其中K₃由材料屬性與接觸面積決定。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)無法準(zhǔn)確耦合上述力學(xué)量與光學(xué)性能的關(guān)聯(lián)，而Zemax可通過STAR模塊實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)向光學(xué)分析的轉(zhuǎn)化，填補(bǔ)技術(shù)空白。

（2）多軟件協(xié)同的有限元仿真建模

第一步，在UG中構(gòu)建鏡頭三維模型，包含鏡片、主筒、隔圈、鏡框等核心部件，簡化微小特征以提升仿真效率，鏡片與鏡框配合間隙初步設(shè)為2×10?3 mm。第二步，將模型導(dǎo)入Ansys Workbench，劃分550438個高質(zhì)量四面體網(wǎng)格（如圖2所示），確保應(yīng)力與變形計(jì)算精度。第三步，施加溫度載荷與邊界條件：以22℃為常溫基準(zhǔn)，分別模擬80℃（高溫極限）與?40℃（低溫極限）工況，固定后主筒端面以模擬實(shí)際裝配狀態(tài)。鏡頭各部件材料參數(shù)如表1所示，涵蓋密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)，為精準(zhǔn)仿真提供數(shù)據(jù)支撐。

圖2 鏡頭網(wǎng)格屬性

表1 鏡頭各部件材料參數(shù)

（3）基于Zemax STAR模塊的FEA數(shù)據(jù)耦合與光學(xué)仿真

Ansys仿真獲得的鏡片表面變形數(shù)據(jù)為離散點(diǎn)，需通過Zemax OpticStudio的STAR模塊進(jìn)行面型擬合，轉(zhuǎn)化為光學(xué)軟件可識別的連續(xù)曲面。本研究采用Zernike多項(xiàng)式擬合算法，數(shù)學(xué)模型如下：

其中a_i為多項(xiàng)式系數(shù)，Z_i(x,y)為第i項(xiàng)多項(xiàng)式，N為擬合階數(shù)。STAR模塊作為Ansys與Zemax的核心接口，可準(zhǔn)確追蹤FEA數(shù)據(jù)集，將包含剛體位移的面型數(shù)據(jù)分配至對應(yīng)光學(xué)表面，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形與光學(xué)性能的直接關(guān)聯(lián)。通過Zemax模擬溫度載荷下的鏡頭離焦量，輸出調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線（如圖3所示），直觀評價成像質(zhì)量。

圖3 溫度載荷下鏡頭離焦MTF曲線：（a）80℃時鏡頭離焦MTF曲線；（b）?40℃時鏡頭離焦MTF曲線

Zemax驅(qū)動的熱離焦補(bǔ)償實(shí)踐

基于仿真分析，團(tuán)隊(duì)鎖定熱離焦核心誘因：高溫下第7枚塑膠鏡片與后鏡框熱膨脹系數(shù)差異過大，引發(fā)徑向擠壓應(yīng)力；低溫下后鏡框軸向熱膨脹系數(shù)不足，導(dǎo)致像面偏移。針對該問題，通過更換后鏡框材料（由PC+30%GF改為PC+10%GF）優(yōu)化熱膨脹特性，再次通過“Ansys-Zemax”協(xié)同仿真驗(yàn)證效果。

（1）優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能提升

優(yōu)化后Ansys仿真結(jié)果顯示（如圖6所示）：第7枚鏡片的徑向應(yīng)力由3.86MPa降至0.046MPa，降幅達(dá)98%；后鏡框軸向補(bǔ)償量由0.0008mm提升至0.028mm，顯著緩解了溫度載荷下的結(jié)構(gòu)變形影響。

圖4 優(yōu)化前后結(jié)果對比云圖。（a）（b）為第7枚鏡片徑向應(yīng)力對比；（c）（d）為鏡框軸向變形對比

（2）優(yōu)化后的光學(xué)性能驗(yàn)證

將優(yōu)化后的面型數(shù)據(jù)通過STAR模塊導(dǎo)入Zemax，重新模擬溫度載荷下的離焦特性（如圖7所示）：80℃工況下離焦量降至0.015mm，較優(yōu)化前減少66.6%；?40℃工況下離焦量降至0.022mm，減少52.2%。MTF曲線整體提升，全視場成像質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)極端溫度下的像質(zhì)穩(wěn)定。

圖5 鏡頭優(yōu)化后溫度載荷下離焦MTF曲線。（a）80℃時鏡頭離焦MTF曲線；（b）?40℃時鏡頭離焦MTF曲線

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證Zemax仿真分析的準(zhǔn)確性，團(tuán)隊(duì)采用德國TRIOPTICS公司的ImageMaster HR TempControl VIS光學(xué)測量儀，開展高低溫法蘭焦距測試。測試通過真空熱室模擬?40℃~80℃環(huán)境，避免冷凝與設(shè)備自身熱變形干擾，測量結(jié)果如表2所示。從表2中的法蘭焦距可知，鏡頭低溫離焦量為?18μm，高溫離焦量為15μm，與光機(jī)熱集成仿真的結(jié)果基本一致，充分驗(yàn)證了光機(jī)熱集成仿真方法的可靠性，也彰顯了Zemax在光學(xué)性能預(yù)判計(jì)算中的高精度優(yōu)勢。

表2 鏡頭高低溫法蘭焦距測量結(jié)果

結(jié)語

本研究通過Zemax實(shí)現(xiàn)安防鏡頭在?40℃~80℃環(huán)境下的穩(wěn)定成像，凸顯了Zemax OpticStudio在光機(jī)熱集成分析中的核心應(yīng)用價值，其核心價值體現(xiàn)在三大維度：

1）跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)耦合能力：STAR模塊打破了有限元分析與光學(xué)仿真的技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)向光學(xué)性能的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)“結(jié)構(gòu)-光學(xué)”脫節(jié)的痛點(diǎn)。

2）高精度性能預(yù)估能力：通過Zernike多項(xiàng)式擬合與MTF曲線分析，可量化溫度載荷對成像質(zhì)量的影響，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確方向，大幅縮短研發(fā)周期——本研究通過迭代仿真將鏡頭離焦量控制在設(shè)計(jì)閾值內(nèi)，避免了多次物理樣機(jī)試制的成本浪費(fèi)。

3）全流程設(shè)計(jì)賦能能力：從初始光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、熱離焦仿真分析，到優(yōu)化方案驗(yàn)證，Zemax貫穿設(shè)計(jì)全流程，支持“仿真-優(yōu)化-驗(yàn)證”的閉環(huán)研發(fā)模式，為安防、紅外、車載等多領(lǐng)域光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)路徑。

參考文獻(xiàn)

[1] SI Zhanshan, SHI Guangfeng, TANG Ya, et al. Defocusing and compensation analysis of security lens under temperature load[J]. Journal of Applied Optics, 2025, 46（5）: 981-987. DOI:10.5768/JAO202546.0501004

[2] Gengen CHEN, Guangfeng SHI, Feng WU, Jinqiu WANG, Leigang PEI, Guoquan SHI. Thermal defocus and compensation analysis of glass-plastic hybrid fixed-focus lens[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(5): 959