在安防监控领域，镜头需应对−40℃~80℃的极端温度环境，温度载荷引发的热离焦问题直接影响成像稳定性。传统设计难以准确耦合光学、结构与温度场的相互作用，导致研发周期长、成本高。长春理工大学与东莞市宇瞳光学科技股份有限公司联合团队^[1]，以Zemax OpticStudio为核心工具，通过光机热集成仿真分析，成功实现安防镜头热离焦的准确预估与高效补偿，相关成果发表于《应用光学》期刊（2025年第46卷第5期）。本文将深度解析该研究的技术路径，彰显Zemax在光学系统无热化设计中的核心赋能价值。

随着安防监控向户外化、高清化升级，镜头需在严寒、酷暑等极端工况下保持高清成像。玻塑混合镜头因成本优势与成像潜力被广泛应用^[2]，但塑胶与玻璃材质的热膨胀系数差异、结构件与光学元件的热变形耦合，易引发镜片位移、面型畸变，最终导致适配像面偏移，产生热离焦。

传统光学设计仅考虑折射率随温度的变化，无法模拟结构热胀冷缩带来的挤压应力与位移影响；单一有限元分析虽能获取结构变形数据，却难以转化为光学性能评价指标。因此，构建“结构-光学-温度”一体化仿真体系，成为突破行业技术瓶颈的关键——而Zemax OpticStudio及其STAR模块，为跨领域数据耦合与性能分析提供了核心解决方案。

（1）镜头光学系统与热离焦原理

该镜头采用2枚玻璃镜片（第1、4枚）与6枚塑胶镜片的组合方案，如图1 所示，总长度52.14mm，光学后焦距5.43mm，分辨率为2592×1440像素。温度载荷通过径向压力（S_R）与轴向压力（P_A）引发离焦，核心影响因素包括镜片与镜框的热膨胀系数差、杨氏模量、配合间隙等，相关力学关系可通过以下公式量化：

径向压力：

其中K₄为应变特性参数，K₅为间隙参数；

轴向压力：

其中K₃由材料属性与接触面积决定。

图1 光学系统示意图

传统设计无法准确耦合上述力学量与光学性能的关联，而Zemax可通过STAR模块实现结构变形数据向光学分析的转化，填补技术空白。

（2）多软件协同的有限元仿真建模

第一步，在UG中构建镜头三维模型，包含镜片、主筒、隔圈、镜框等核心部件，简化微小特征以提升仿真效率，镜片与镜框配合间隙初步设为2×10⁻³ mm。第二步，将模型导入Ansys Workbench，划分550438个高质量四面体网格（如图2所示），确保应力与变形计算精度。第三步，施加温度载荷与边界条件：以22℃为常温基准，分别模拟80℃（高温极限）与−40℃（低温极限）工况，固定后主筒端面以模拟实际装配状态。镜头各部件材料参数如表1所示，涵盖密度、弹性模量、热膨胀系数等关键指标，为精准仿真提供数据支撑。

图2 镜头网格属性

表1 镜头各部件材料参数

（3）基于Zemax STAR模块的FEA数据耦合与光学仿真

Ansys仿真获得的镜片表面变形数据为离散点，需通过Zemax OpticStudio的STAR模块进行面型拟合，转化为光学软件可识别的连续曲面。本研究采用Zernike多项式拟合算法，数学模型如下：

其中a_i为多项式系数，Z_i(x,y)为第i项多项式，N为拟合阶数。STAR模块作为Ansys与Zemax的核心接口，可准确追踪FEA数据集，将包含刚体位移的面型数据分配至对应光学表面，实现结构变形与光学性能的直接关联。通过Zemax模拟温度载荷下的镜头离焦量，输出调制传递函数（MTF）曲线（如图3所示），直观评价成像质量。

图3 温度载荷下镜头离焦MTF曲线：（a）80℃时镜头离焦MTF曲线；（b）−40℃时镜头离焦MTF曲线

基于仿真分析，团队锁定热离焦核心诱因：高温下第7枚塑胶镜片与后镜框热膨胀系数差异过大，引发径向挤压应力；低温下后镜框轴向热膨胀系数不足，导致像面偏移。针对该问题，通过更换后镜框材料（由PC+30%GF改为PC+10%GF）优化热膨胀特性，再次通过“Ansys-Zemax”协同仿真验证效果。

（1）优化后的结构力学性能提升

优化后Ansys仿真结果显示（如图6所示）：第7枚镜片的径向应力由3.86MPa降至0.046MPa，降幅达98%；后镜框轴向补偿量由0.0008mm提升至0.028mm，显著缓解了温度载荷下的结构变形影响。

图4 优化前后结果对比云图。（a）（b）为第7枚镜片径向应力对比；（c）（d）为镜框轴向变形对比

（2）优化后的光学性能验证

将优化后的面型数据通过STAR模块导入Zemax，重新模拟温度载荷下的离焦特性（如图7所示）：80℃工况下离焦量降至0.015mm，较优化前减少66.6%；−40℃工况下离焦量降至0.022mm，减少52.2%。MTF曲线整体提升，全视场成像质量均满足设计要求，实现极端温度下的像质稳定。

图5 镜头优化后温度载荷下离焦MTF曲线。（a）80℃时镜头离焦MTF曲线；（b）−40℃时镜头离焦MTF曲线

为验证Zemax仿真分析的准确性，团队采用德国TRIOPTICS公司的ImageMaster HR TempControl VIS光学测量仪，开展高低温法兰焦距测试。测试通过真空热室模拟−40℃~80℃环境，避免冷凝与设备自身热变形干扰，测量结果如表2所示。从表2中的法兰焦距可知，镜头低温离焦量为−18μm，高温离焦量为15μm，与光机热集成仿真的结果基本一致，充分验证了光机热集成仿真方法的可靠性，也彰显了Zemax在光学性能预判计算中的高精度优势。

表2 镜头高低温法兰焦距测量结果

本研究通过Zemax实现安防镜头在−40℃~80℃环境下的稳定成像，凸显了Zemax OpticStudio在光机热集成分析中的核心应用价值，其核心价值体现在三大维度：

1）跨领域数据耦合能力：STAR模块打破了有限元分析与光学仿真的技术壁垒，实现结构变形数据向光学性能的准确转化，解决了传统设计“结构-光学”脱节的痛点。

2）高精度性能预估能力：通过Zernike多项式拟合与MTF曲线分析，可量化温度载荷对成像质量的影响，为优化设计提供准确方向，大幅缩短研发周期——本研究通过迭代仿真将镜头离焦量控制在设计阈值内，避免了多次物理样机试制的成本浪费。

3）全流程设计赋能能力：从初始光学系统设计、热离焦仿真分析，到优化方案验证，Zemax贯穿设计全流程，支持“仿真-优化-验证”的闭环研发模式，为安防、红外、车载等多领域光学系统无热化设计提供标准化技术路径。

参考文献

[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

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