Zemax案例 | 基于Zemax的扫描型可见光连续变焦光学系统设计 原创

引言

在机载光电侦察、无人机载荷、安防跟踪领域，光学系统同时需要实现大视场搜索捕获、长焦细节识别、动态扫描稳像三大能力。连续变焦光学系统可以平滑切换焦距，实现搜索‑识别无缝过渡；而快速反射镜（FSM，快反镜）能够完成高速视轴偏转、像移补偿，是动态扫描成像的核心器件。目前红外波段快反镜反扫补偿变焦技术已经较为成熟，大量实现装备落地。但可见光波段面临波长更短、探测器像元尺寸更小、像差校正约束严苛、快反镜引入附加动态像差等多重难题，工程化实现难度高，公开成熟案例较少。一知名研究院团队提出像方平行光路内置快反镜的架构[1]，完成10×可见光连续变焦扫描光学系统设计，焦距18‑180 mm，工作波段450‑650 nm。本文将从工程痛点、总体方案、Zemax仿真设计流程、多维度系统评估、样机实验验证、Zemax软件能力复盘几个维度展开解读。

扫描变焦系统的工程痛点与设计指标

1.1 技术痛点

传统将快反镜放置在物方前端光路的方案，镜面口径必须覆盖全部入射光束，镜体重量大、转动惯量高，伺服响应速度受限。如果把快反镜放置在会聚光路中，反射镜偏转将直接引入离焦、像面倾斜、彗差、像散等非对称动态像差，严重恶化成像质量。

可见光扫描变焦系统面临几大现实工程难点：

1. 可见光衍射极限高，探测器像元尺寸仅3.5 μm，对MTF、弥散斑、畸变指标要求远高于红外系统；
2. 为保证远距离信噪比，镜片数量需要控制，而宽光谱像差校正又需要足够设计自由度；
3. 快反镜扫描偏转引入额外动态轴外像差，装调敏感度显著提升；
4. 变焦、扫描、温度环境、加工装调公差多物理条件耦合，需要一体化仿真评估。

1.2 系统主要设计指标

短焦18 mm实现大视场搜索捕获；长焦180 mm实现小视场目标跟踪、细节观测；快反镜承担扫描、像移补偿功能。

1.3 像方平行光路方案核心优势

本系统创新将快反镜布置在前端变焦望远系统输出的像方平行光路内，该架构具备四大优势：

1. 减小快反镜口径：光束经过望远系统压缩，平行光路光束口径更小，镜面尺寸显著降低；
2. 提升动态响应：小口径反射镜转动惯量更低，伺服机构可以实现更高扫描角速度，适合高频稳像；
3. 抑制离焦问题：平行光路内反射镜偏转仅改变光束传播方向，不会直接带来离焦与像面倾斜；
4. 模块化分工清晰：前端望远系统负责倍率调节，快反镜负责视轴扫描，后端成像组负责会聚成像，便于分开优化、光机集成。

图1 扫描变焦光学系统结构模型

快反镜补偿角度满足几何关系：

M为前端望远系统放大倍率；α为平台转动角度；ωs是平台扫描角速度；ωFSM为快反镜补偿转速。本系统望远放大倍率M=4.4；平台转速180°/s，计算得到快反镜需要补偿转速396°/s，选用最大摆速480°/s的快反镜满足余量需求。

基于Zemax的光学系统建模与优化设计

整套系统分为三大部分：前端机械补偿式连续变焦望远系统、快反镜（FSM）、后端成像组。在Zemax中完整实现从理想模型、实际透镜代入、多重结构变焦优化、快反镜偏转组态仿真、全局像差平衡的完整流程。

2.1 机械补偿变焦望远系统初始结构构建

系统采用机械补偿变焦结构，依靠变倍组、补偿组协同轴向移动实现焦距连续变化，同时保持出射光束平行。依据变焦方程，完成变倍组、补偿组放大倍率、各组元焦距、组元间隔理论计算，将理论参数输入Zemax，首先使用理想近轴面(paraxial)搭建理想望远模型，得到大视场、小视场初始光路布局。

图2 望远系统初始结构布局

变焦核心方程：

β₂、β₃分别为变倍组、补偿组放大倍率；f₂′、f₃′为两组焦距。

在Zemax多重结构(Multi‑Configuration)中设置多个变焦组态，对应短焦、中焦、长焦位置，将变倍组、补偿组的空气间隔设置为变量，评价函数中约束像面位置稳定、出射光束平行度、F数、系统总长等边界条件。

2.2 全系统协同优化，兼顾快反镜动态像差

导入实际球面镜片，替换理想近轴面，全系统一共14片球面透镜，全部采用球面设计，平衡加工成本与成像性能。快反镜放置望远系统出瞳附近，有利于光瞳匹配，降低扫描带来的像差扰动。

这里是本系统设计的关键难点：不能仅仅优化静态凝视状态，必须同步考虑快反镜偏转带来的彗差、像散、场曲等动态非对称像差。

在Zemax多重结构中额外增加快反镜+2°、‑2°偏转组态，将扫描偏转状态下的MTF、畸变、场曲纳入评价函数约束，实现静态变焦与动态扫描状态联合优化，避免只优化凝视状态，扫描开启后像质急剧劣化。

重点Zemax实操要点：

1. 使用多重结构同时定义多组变焦位置+快反镜偏转角度；
2. 评价函数同时约束全部组态的MTF、畸变、场曲、光束准直度；
3. 控制各组镜片厚度、空气间隔边界，增加机械约束，保证工程可实现。

Zemax多维度系统仿真评估

完成优化之后，在Zemax中开展完整像质评价、高低温无热化仿真、变焦凸轮曲线拟合、蒙特卡洛公差分析，以验证理论设计是否满足工程落地条件。

3.1 常温静态像质评估（MTF、点列图、场曲畸变）

光学传递函数MTF是成像系统核心评价指标。仿真结果显示，系统全变焦范围，60 lp/mm奈奎斯特频率处，全视场MTF大于0.5，满足3.5 μm像元探测器成像需求。

图3 系统MTF曲线（大、中、小视场）

点列图结果表明：短焦大视场边缘视场光斑更大；长焦状态视场变小，但对轴向色差更敏感。场曲整体控制在0.15 mm以内；短焦大视场畸变相对明显，长焦状态畸变水平很低，满足目标定位、图像配准需求。

图4 系统点列图

图5 系统场曲和畸变曲线

3.2 快反镜扫描偏转状态仿真

调用Zemax多重结构模拟快反镜最大±2°扫描偏转工况，仿真扫描状态下系统MTF。经过联合优化，快反镜处于±2°极限扫描角度时，60 lp/mm下MTF仍然大于0.5，扫描过程像质衰减很小，证明像方平行光路架构可以有效抑制动态扫描引入的附加像差。

图6 快反镜扫描角度±2°时MTF曲线

3.3 高低温无热化仿真分析

温度变化会造成镜片折射率漂移、光学与机械结构热胀冷缩，带来热离焦。本系统设置可移动调焦组件补偿温度漂移。

在Zemax环境下模拟‑40 ℃低温、+60 ℃高温工况，仿真得到大小视场下调焦组补偿位移量：

• 大视场：低温向后移动0.09 mm，高温向前移动0.06 mm；
• 小视场：低温向后移动0.6 mm，高温向前移动0.3 mm。

快反镜支座选用低线胀系数铟钢材料，配合对称结构，温度变化带来的反射镜角度漂移远小于系统公差容限。完成调焦补偿后，高低温环境MTF依然满足使用指标。

图7 低温−40℃调焦后的MTF曲线

图8 高温+60℃调焦后的MTF曲线

3.4 变焦凸轮曲线生成

机械补偿变焦系统依靠凸轮驱动变倍组、补偿组联动。Zemax输出不同焦距下变倍组、补偿组轴向位置数据，经过数值拟合，得到平滑连续的凸轮补偿曲线，无尖点突变，避免机构运动冲击、振动，保障变焦全程像面稳定。

图9 变焦补偿曲线

3.5 蒙特卡洛公差分析

光学设计完成不等于可以量产，必须做公差分析评估加工装调容错能力。在Zemax公差编辑器中，完整录入光学镜片曲率、厚度、偏心倾斜，同时纳入快反镜镜面倾斜、偏心误差，开展蒙特卡洛模拟。

仿真结果：大小视场在60 lp/mm处MTF大于0.4的概率超过90%，说明该设计对加工、装调误差容忍度良好，具备较高良品率，工程可实现。

图10 公差分析结果

参考文献

[1] YANG Kang, CHANG Weijun, YANG Zijian, et al. Design of scanning visible continuous zoom optical system[J]. Journal of Applied Optics, 2026, 47(0): 1-9. DOI: 10.5768/JAO202647.000000