基于Zemax的微透镜阵列广角成像仿真

关键词：Zemax；微透镜；光学设计；成像仿真；仿生相机

一、文章简要介绍

广角相机的老难题：视场一大，场曲、像散、畸变全冒出来，画面边缘糊成一片。超表面和无透镜相机又受加工和算力制约。韩国KAIST团队这篇Nature Communications从捻翅虫Xenos peckii身上找思路（DOI：10.1038/s41467-026-70967-2）：这种寄生虫的复眼由几十个小眼组成，每个小眼独立拍一个方向，拼起来就是大视场。他们照这个原理做了台SOEMLA相机，总长只有0.94毫米，5×7个光学单元，对角视场做到140°。

仿生原理：捻翅虫复眼采样与SOEMLA相机对比

图1 捻翅虫视觉采样策略与仿生SOEMLA相机对比

核心结构是两层错位小孔加椭球微透镜：上层限定入射角，下层负责成像，35个单元各拍一块，数字拼接成百万像素图像。

空间偏移光路设计原理与视场覆盖

图2 空间偏移光路原理：偏移量决定单元视场

二、仿真流程与建模细节详解

每个微透镜的曲率不是估出来的：先用Zemax按每个单元的视轴角分别推导曲率半径，长短轴分开定义，长轴焦距统一800微米，短轴随视轴角调长，把所有焦点拉回同一传感面。加工轮廓与Zemax OpticStudio计算曲线逐点吻合，曲率平均误差0.88%。

光线追迹仿真：0°与45°聚焦及角度响应

图3 光线追迹仿真：0°/45°聚焦与角度响应曲线

小孔偏移量决定单元视场：0、90、190、285微米四档逐级外扩，光线追迹验证了0°和45°两种聚焦状态。制造走晶圆级工艺：玻璃两侧蒸镀铬光刻小孔，椭圆柱微结构热回流成透镜。

晶圆级制造与Zemax轮廓、ROC对比

图4 晶圆级制造流程与Zemax计算对比

三、关键结果与发现

椭球透镜的长短轴比是关键：AR为1.90时弧矢和子午的MTF50最高最平衡，20°视轴角下像散基本消除。对比实验里，商用相机8.3毫米厚，45°斜入射时MTF50掉到几十；SOEMLA相机0.94毫米，10到100毫米工作距离内几乎不动。

像散校正与MTF50随入射角、工作距离变化

图5 像散校正效果与MTF50对比

拼接管线走五步：感兴趣区检测、镜头阴影校正、畸变校正、ArUco标记匹配、单应矩阵拼接。35幅子图重叠约40%，重投影误差平均1.11像素，整幅图信噪比20.09 dB、相似度0.793。

标定与拼接流程及重投影误差

图6 标定拼接流程与重投影误差

实拍很能说明问题：工作距离20毫米拍清微流控芯片里300微米宽的通道，口内拍出全口牙模，装在眼镜架上能同时看清眼动和面部表情。

应用：微流控芯片、牙模与人脸成像

图7 微流控芯片、牙模与人脸成像应用

四、我们提供的服务

光学设计与Zemax仿真我们按项目交付：序列与非序列模式建模、公差分析、MTF与点列图评估、微透镜与衍射光学元件设计，也接镜头选型与打样验证，从光学建模到实物对接。

如有需要，欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们。