引言

火炮身管內壁的燒蝕、裂紋等疵病直接影響火炮使用安全性，Ф30~Ф85mm小口徑炮膛的檢測對設備的空間適配性、成像質量和三維測量能力提出嚴苛要求，而傳統內窺系統存在成像失真、適配性差、無法三維測量等痛點。Zemax作為全球領先的光學系統設計與仿真平臺，憑借建模、優化、像質評價與公差分析的全流程能力，成為攻克炮膛檢測內窺鏡光學系統設計難題的核心工具。本文結合新近研究成果，解析Zemax在該內窺鏡光學系統設計中的全流程應用，展現其對高精度工業內窺鏡研發的價值^[1]。

小口徑炮膛檢測的光學設計挑戰

小口徑炮膛的狹小空間，要求檢測內窺鏡具備小口徑、長工作距離、大景深的特性^[2]，同時炮膛疵病的三維測量需求，對內窺鏡的雙目立體成像匹配性、多口徑工況適配性提出更高標準^[3]。現有炮膛檢測內窺系統存在諸多短板：多子系統拼接成像成本高、錐形反射鏡方案易失真、非側視式設計無法探入小口徑炮膛、廣角鏡頭物距不足等，且難以在小口徑約束下兼顧大視場、長工作距離與高成像質量。

解決這些難題，需要設計一款側視式雙光路大景深內窺鏡光學系統，而核心難點在于多口徑參數匹配、雙光路視差控制、長距像質保持及加工裝調可行性驗證。Zemax憑借全流程光學設計與仿真能力，成為解決這些問題的關鍵支撐，實現從理論設計到工程落地的高效轉化。

Zemax完成原理建模與參數精準確定

本系統基于雙目立體成像原理實現炮膛疵病三維測量，通過Zemax完成原理建模、工況仿真與核心參數優化，為后續設計奠定精準基礎。

1.核心設計原理仿真：采用雙鏡頭單圖像傳感器的分離式雙光路設計，僅在直角棱鏡處共光路（避免雜散光），通過Zemax搭建雙目成像模型，模擬待測點成像與視差計算過程，確定雙光路基線距離5mm，既保證立體視差滿足三維測量，又預留足夠觀測空間。加入共用式直角棱鏡，經Zemax仿真驗證，有效保證雙光路光線平行性，大幅降低裝配難度。

圖1 內窺鏡在炮筒內檢測示意圖

圖2 雙目立體成像原理

2.關鍵參數仿真確定：針對Ф30、Ф37、Ф57、Ф76、Ф85mm5種口徑，在Zemax中設置5個組態模擬不同工況，仿真計算得核心參數：單光路全視場角68°，工作距離1099mm，有效通光口徑＜4.5mm，景深12~40mm；選用2/3"圖像傳感器，設定空間頻率45lp/mm處MTF＞0.2為核心像質指標，確保各口徑下觀測范圍至少包含2條陽線+1條陰線。

Zemax實現各光學單元精準研發

系統分為物鏡、中繼、轉接光學鏡組三部分，在Zemax中完成各模塊獨立建模、參數優化與像質仿真，確保小口徑、長工作距離、大景深的協同要求。

（一）物鏡系統：大視場小口徑的優化設計

物鏡負責獲取炮膛光學信息，需滿足68°大視場、＜4.5mm通光口徑與變物距要求。在Zemax中設定F數10、焦距1.85mm等指標，采用反遠距像方遠心結構，通過第一負透鏡實現大視場，平行平板替代直角棱鏡完成側視反射，雙膠合透鏡矯正色差；設置多重結構模擬5種物距工況，優化后通光口徑與光線遠心度均滿足要求，成像質量良好。

圖3 物鏡系統光學結構圖

（二）中繼系統：長工作距離的像面穩定傳輸

中繼系統實現1099mm長工作距離，同時消除物鏡殘余像差、抑制光束彌散。在Zemax中創新設計單棒鏡-三膠合-單棒鏡新型對稱結構，替代傳統Hopkins三膠合棒透鏡：高折射率棒鏡保證光線長距離傳播，低-高-低折射率三膠合透鏡消除殘余色差；通過TOTR、RAID等操作數控制棒鏡長度、光線遠心度，5組棒鏡串聯實現長工作距離，垂軸放大倍率-1，有效抑制彌散。

圖4 傳統Hopkins三膠合棒透鏡結構圖

圖5 棒鏡組設計結果

（三）轉接光學鏡組：工業檢測的成像適配

針對工業檢測無需目視的需求，在Zemax中將醫用目鏡與適配器一體化整合，設計轉接鏡組：前組為倒置像方遠心結構，后組為雙膠合透鏡，經仿真優化確定前組焦距15mm、后組24mm，整體垂軸放大倍率1.6，實現中繼系統像面與圖像傳感器的精準匹配，雙光路成像可均勻分布在傳感器上。

圖6 轉接光學鏡組前后組設計結果

圖7 轉接光學鏡組一體化設計結果

系統集成與像質評價：

Zemax實現全系統性能優化

在Zemax中完成各模塊連接，依次進行局部銜接優化與整體系統優化，解決模塊連接后的像質下降問題，再通過專業工具對5種組態進行全維度像質仿真驗證，核心指標均達標。

全系統集成優化：搭建單光路整體模型，嚴格控制中間像面像高與光線遠心度；基于5mm基線距離搭建雙光路模型，加入共用式直角棱鏡，仿真驗證雙光路平行性與成像匹配性。最終實現單光路長度1099mm、有效通光口徑4.5mm，雙光路外徑≤11mm，滿足小口徑炮膛空間要求。

全維度像質評價：在Zemax中調用MTF、場曲畸變、點列圖等工具仿真，結果顯示：5種組態在45lp/mm處全視場MTF均＞0.2，且接近衍射極限；最大場曲-0.37mm，最大畸變-14.6%（邊緣視場可算法矯正）；光斑多集中在艾里斑內，垂軸、軸向色差均小于1倍焦深，成像質量優異，可清晰分辨炮膛細微疵病。

圖8 各組態MTF曲線

圖9 場曲畸變圖

圖10 點列圖

公差分析：

Zemax保障加工裝調的工程可行性

為確保設計性能落地，在Zemax中進行全面公差分析，模擬加工、材料、裝調誤差，驗證系統工藝適應性。

公差參數設置：結合行業標準，在Zemax公差分析模塊設置核心參數：曲率半徑2個光圈、厚度誤差0.01mm、偏心0.01mm、傾斜0.005°等，覆蓋主要誤差來源。

表1 公差容限值

蒙特卡羅仿真：針對45lp/mm特征頻率進行100次蒙特卡羅隨機誤差仿真，結果顯示：80%樣本MTF＞0.16，50%樣本MTF＞0.19，成像質量下降幅度小，系統對誤差具有良好魯棒性，同時為實際生產提供了精準的公差容限值，降低加工與裝調難度。

表2 公差分析結果

Zemax貫穿光學設計全流程

從原理建模、參數確定，到模塊設計、系統集成，再到像質評價、公差分析，Zemax貫穿炮膛檢測內窺鏡光學系統設計全流程，其核心價值體現在四方面：

多工況精準仿真：支持多重結構設置，同步優化5種口徑工況，確保系統全場景適配；

復雜結構創新設計：豐富的結構庫與靈活的操作數，助力新型中繼結構等創新設計，突破傳統設計局限；

全維度像質評價：集成專業評價工具，精準量化性能指標，提前發現并優化設計缺陷，提升設計成功率；

設計與工藝無縫銜接：公差分析與蒙特卡羅仿真，實現設計與加工、裝調的精準匹配，保障工程化落地。

參考文獻：

[1] YU Lu, XIANG Yang, JIANG Bowen, et al. Optical system design of endoscope for artillery gun bore inspection[J]. Journal of Applied Optics, 2026, 47（1）: 1-9. DOI: 10.5768/JAO202647.0101001

[2] ZHAO Yuanyuan, YU Xun, LI Min, et al. Design of a mdetection system for defects on the inner wall of gun barrels[J]. Optics and Optoelectronic Technology, 2024, 22（1）: 52-59.

[3] LI Miao. Research on measurement technology based on binocular stereo vision [D]. Shenyang: Shenyang Ligong University, 2023.