火炮身管内壁的烧蚀、裂纹等疵病直接影响火炮使用安全性，Ф30~Ф85mm小口径炮膛的检测对设备的空间适配性、成像质量和三维测量能力提出严苛要求，而传统内窥系统存在成像失真、适配性差、无法三维测量等痛点。Zemax作为全球领先的光学系统设计与仿真平台，凭借建模、优化、像质评价与公差分析的全流程能力，成为攻克炮膛检测内窥镜光学系统设计难题的核心工具。本文结合新近研究成果，解析Zemax在该内窥镜光学系统设计中的全流程应用，展现其对高精度工业内窥镜研发的价值^[1]。

小口径炮膛的狭小空间，要求检测内窥镜具备小口径、长工作距离、大景深的特性^[2]，同时炮膛疵病的三维测量需求，对内窥镜的双目立体成像匹配性、多口径工况适配性提出更高标准^[3]。现有炮膛检测内窥系统存在诸多短板：多子系统拼接成像成本高、锥形反射镜方案易失真、非侧视式设计无法探入小口径炮膛、广角镜头物距不足等，且难以在小口径约束下兼顾大视场、长工作距离与高成像质量。

解决这些难题，需要设计一款侧视式双光路大景深内窥镜光学系统，而核心难点在于多口径参数匹配、双光路视差控制、长距像质保持及加工装调可行性验证。Zemax凭借全流程光学设计与仿真能力，成为解决这些问题的关键支撑，实现从理论设计到工程落地的高效转化。

本系统基于双目立体成像原理实现炮膛疵病三维测量，通过Zemax完成原理建模、工况仿真与核心参数优化，为后续设计奠定精准基础。

1.核心设计原理仿真：采用双镜头单图像传感器的分离式双光路设计，仅在直角棱镜处共光路（避免杂散光），通过Zemax搭建双目成像模型，模拟待测点成像与视差计算过程，确定双光路基线距离5mm，既保证立体视差满足三维测量，又预留足够观测空间。加入共用式直角棱镜，经Zemax仿真验证，有效保证双光路光线平行性，大幅降低装配难度。

图1 内窥镜在炮筒内检测示意图

图2 双目立体成像原理

2.关键参数仿真确定：针对Ф30、Ф37、Ф57、Ф76、Ф85mm5种口径，在Zemax中设置5个组态模拟不同工况，仿真计算得核心参数：单光路全视场角68°，工作距离1099mm，有效通光口径＜4.5mm，景深12~40mm；选用2/3"图像传感器，设定空间频率45lp/mm处MTF＞0.2为核心像质指标，确保各口径下观测范围至少包含2条阳线+1条阴线。

系统分为物镜、中继、转接光学镜组三部分，在Zemax中完成各模块独立建模、参数优化与像质仿真，确保小口径、长工作距离、大景深的协同要求。

（一）物镜系统：大视场小口径的优化设计

物镜负责获取炮膛光学信息，需满足68°大视场、＜4.5mm通光口径与变物距要求。在Zemax中设定F数10、焦距1.85mm等指标，采用反远距像方远心结构，通过第一负透镜实现大视场，平行平板替代直角棱镜完成侧视反射，双胶合透镜矫正色差；设置多重结构模拟5种物距工况，优化后通光口径与光线远心度均满足要求，成像质量良好。

图3 物镜系统光学结构图

（二）中继系统：长工作距离的像面稳定传输

中继系统实现1099mm长工作距离，同时消除物镜残余像差、抑制光束弥散。在Zemax中创新设计单棒镜-三胶合-单棒镜新型对称结构，替代传统Hopkins三胶合棒透镜：高折射率棒镜保证光线长距离传播，低-高-低折射率三胶合透镜消除残余色差；通过TOTR、RAID等操作数控制棒镜长度、光线远心度，5组棒镜串联实现长工作距离，垂轴放大倍率-1，有效抑制弥散。

图4 传统Hopkins三胶合棒透镜结构图

图5 棒镜组设计结果

（三）转接光学镜组：工业检测的成像适配

针对工业检测无需目视的需求，在Zemax中将医用目镜与适配器一体化整合，设计转接镜组：前组为倒置像方远心结构，后组为双胶合透镜，经仿真优化确定前组焦距15mm、后组24mm，整体垂轴放大倍率1.6，实现中继系统像面与图像传感器的精准匹配，双光路成像可均匀分布在传感器上。

图6 转接光学镜组前后组设计结果

图7 转接光学镜组一体化设计结果

在Zemax中完成各模块连接，依次进行局部衔接优化与整体系统优化，解决模块连接后的像质下降问题，再通过专业工具对5种组态进行全维度像质仿真验证，核心指标均达标。

全系统集成优化：搭建单光路整体模型，严格控制中间像面像高与光线远心度；基于5mm基线距离搭建双光路模型，加入共用式直角棱镜，仿真验证双光路平行性与成像匹配性。最终实现单光路长度1099mm、有效通光口径4.5mm，双光路外径≤11mm，满足小口径炮膛空间要求。

全维度像质评价：在Zemax中调用MTF、场曲畸变、点列图等工具仿真，结果显示：5种组态在45lp/mm处全视场MTF均＞0.2，且接近衍射极限；最大场曲-0.37mm，最大畸变-14.6%（边缘视场可算法矫正）；光斑多集中在艾里斑内，垂轴、轴向色差均小于1倍焦深，成像质量优异，可清晰分辨炮膛细微疵病。

图8 各组态MTF曲线

图9 场曲畸变图

图10 点列图

为确保设计性能落地，在Zemax中进行全面公差分析，模拟加工、材料、装调误差，验证系统工艺适应性。

公差参数设置：结合行业标准，在Zemax公差分析模块设置核心参数：曲率半径2个光圈、厚度误差0.01mm、偏心0.01mm、倾斜0.005°等，覆盖主要误差来源。

表1 公差容限值

蒙特卡罗仿真：针对45lp/mm特征频率进行100次蒙特卡罗随机误差仿真，结果显示：80%样本MTF＞0.16，50%样本MTF＞0.19，成像质量下降幅度小，系统对误差具有良好鲁棒性，同时为实际生产提供了精准的公差容限值，降低加工与装调难度。

表2 公差分析结果

从原理建模、参数确定，到模块设计、系统集成，再到像质评价、公差分析，Zemax贯穿炮膛检测内窥镜光学系统设计全流程，其核心价值体现在四方面：

多工况精准仿真：支持多重结构设置，同步优化5种口径工况，确保系统全场景适配；

复杂结构创新设计：丰富的结构库与灵活的操作数，助力新型中继结构等创新设计，突破传统设计局限；

全维度像质评价：集成专业评价工具，精准量化性能指标，提前发现并优化设计缺陷，提升设计成功率；

设计与工艺无缝衔接：公差分析与蒙特卡罗仿真，实现设计与加工、装调的精准匹配，保障工程化落地。

参考文献：

[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.

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