高端智能手机摄影竞赛中，潜望式长焦镜头已成为旗舰机型标配核心光学组件。当前主流手机潜望镜头普遍存在光圈偏小、对焦距离过长、色差严重、机身内部占用空间大等多重矛盾，难以同时兼顾远景长焦抓拍与近距离微距拍摄双重需求。一知名高校团队^[1]依托Ansys Zemax OpticStudio完成一款等效焦距为100mm、F2.3大光圈、尺寸为30mm×8mm×8.5mm的潜望式长焦微距手机光学系统完整建模、多组态优化、全维度像质仿真与蒙特卡罗量产公差验证，给行业长期存在的性能制衡提供了一种解决方案。本文结合该工程案例，详细拆解Zemax在手机折叠光路、Q型非球面建模、多距离对焦仿真、复消色差优化、量产可行性分析全流程核心功能。

自2018年潜望式长焦普及以来，众多头部品牌均在旗舰机型搭载折叠光路长焦模组，但各产品存在明显性能取舍，难以实现综合性能均衡：

1. 长焦大光圈不可兼得：iPhone 16 Pro Max等效120mm长焦，但F数仅2.8，暗光成像能力薄弱；OPPO Find X8 Pro等效135mm超长焦，光圈低至F4.3，进光量不足；华为Mate70 Pro+光圈F2.1，但等效焦距仅92.5mm，远景放大能力受限。

2. 微距对焦能力短板突出：市面主流潜望镜头最小对焦距离普遍超200mm，近距离拍摄虚化、解析力大幅衰减，无法兼顾花卉、产品特写等微距场景。

3. 色差与小型化矛盾：折叠光路依靠棱镜延长焦距，镜片数量增多带来严重二级光谱色差；若增加超低色散玻璃校正色差，模组厚度、宽度会超出手机机身容纳极限。

4. 量产良率难以保障：非球面、双胶合镜片、双反射棱镜组合结构复杂，人工估算公差极易出现装配偏差，批量生产MTF衰减严重。

传统光学设计工具仅能完成基础光路建模，无法同步实现多对焦距离多组态仿真、Q型高阶非球面优化、复消色差光焦度分配、量产级蒙特卡洛公差分析，研发周期长、设计方案落地性差。Ansys Zemax OpticStudio凭借全链路仿真、多组态控制、专业镜头评价函数、完整公差仿真模块，成为破解上述痛点的标准化研发平台。

2.1 硬件核心参数定义

本次设计匹配豪威OV64B1/2英寸CMOS传感器，像素尺寸0.702μm，融合像素模式1.404μm，对应奈奎斯特频率356 lp/mm，全部指标约束均在Zemax软件内完成参数锁定，核心系统指标如下：

2.2 Zemax基础建模流程

选用专利CN114966919A作为初始结构，在Zemax序列模式下完成基础搭建，五步标准化建模流程：

1. 系统基础参数配置：在Zemax通用设置面板定义入瞳、6组可见光波长（0.430/0.470/0.510/0.555/0.610/0.650μm），按照CMOS光谱响应设置波长权重1:3:5:10:5:1；设置6档视场高度覆盖全画面，匹配OV64B像面尺寸8.1mm。

2. 棱镜折叠光路建模：潜望结构核心为双反射棱镜光路折叠，利用Zemax坐标断点准确定义棱镜反射面、空气间隔，将反射棱镜等效平板完成初始优化，规避90°转折光路光线追迹误差。

   
   

   图1 光学系统结构图

3. 变量与约束操作数加载：将全部镜片曲率半径、空气间隔、镜片厚度设为优化变量；调用TOTR（总长约束）、FTGT/FTLT（焦距控制）、OMSD（机械尺寸约束）、CVVA（曲率平滑约束）内置操作数，严格锁定30×8×8.5mm模组体积上限，避免镜片超出机械封装空间。

4. Q型非球面转换与定义：传统扩展非球面高阶项易出现矢高突变、加工难度大，Zemax内置非球面一键转换工具，将系统4片塑料镜片统一转换为Qcon型非球面，通过多项式系数平衡单色像差，表达式内置软件自动求解，无需手动计算高阶项。

5. 多组态对焦系统搭建：核心创新为中心单移动组对焦结构，前固定组G1、后固定组G3不动，中间G2透镜组沿光轴平移实现无穷远～100mm连续对焦。在Zemax多组态编辑器（MCE）设置4组工作距离组态：无穷远、1000mm、400mm、100mm微距，同步优化4种状态下像质，解决长焦镜头近远景像距漂移问题。

图2  中心对焦系统成像示意图

整套光学系统分为前固定组G1、移动对焦组G2、后固定组G3、红外滤光片四部分，依托Zemax评价函数分步校正球差、彗差、场曲、色差、畸变五大核心像差。

3.1 前固定组G1：大进光量折叠光路优化

G1由APL5014CL塑料平凸透镜+塑料反射棱镜组成，平凸透镜负责汇聚边缘光线，实现F2.3大光圈；棱镜横向折叠光路压缩模组高度。

在Zemax优化中通过SPHA（球差控制）、COMA（彗差控制）操作数平衡前组光线入射角度，降低后续镜片像差校正压力，同时约束棱镜厚度、空气间隔，控制横向总长不超30mm。

3.2 移动对焦组G2：对称三片式复消色差结构

G2是系统核心，采用光阑前置对称三片式，结构为：2片EP6000塑料Q型非球面+H-QF50/H-FK95N超低色散双胶合玻璃。

1. 色差校正：双胶合镜片搭配氟冕超低色散玻璃，利用Zemax EFLX、DIVI操作数分配正负光焦度，实现0.43~0.65μm五色光复消色差，轴向色差控制在0.05mm以内。

2. 对焦像差抑制：对称结构在Zemax多组态同步优化，G2前后空气间隔随对焦距离动态变化，软件自动平衡不同组态彗差、畸变，微距100mm对焦时无明显场曲劣化。

图3 不同工作距离下的光学系统结构图

3.3 后固定组G3：残余像差校正与二次折光

G3包含APL5014CL非球面镜片、H-ZLAF92平凹玻璃、玻璃反射棱镜，二次折叠光路延长等效焦距；弯月非球面镜片校正系统残余像散、畸变，配合双棱镜将物理焦距18.5mm换算为等效100mm长焦，有效平衡焦距与体积。

3.4 全系统综合像差闭环优化

搭建多层级Zemax评价函数，分层约束成像指标：

1. 分辨率：MTFT操作数控制356 lp/mm奈奎斯特频率下传函数值；

2. 畸变：DIMX操作数限制全视场畸变＜1.5%；

3. 照度：RECI操作数提升边缘相对照度；

4. 光斑：TRAY、LONA控制RMS弥散斑半径＜4.2μm；

5. 色差：LONA、AXCL操作数约束轴向、垂轴色差至衍射极限。

依托Zemax内置FFT MTF、点列图、色差曲线、畸变分析、相对照度五大成像评价工具，完成无穷远至微距全工况仿真验证，全部指标满足高端手机镜头量产标准。

4.1 MTF调制传递函数（核心解析力指标）

MTF是镜头解析力黄金标准，Zemax输出全视场MTF曲线、MTF随视场变化曲线两组数据：

1. 远景（无穷远）：356 lp/mm奈奎斯特频率中心视场MTF＞0.39，0.8视场MTF＞0.2；

2. 微距（100mm）：356 lp/mm中心视场MTF＞0.22，全视场MTF＞0.1；

所有工况下曲线平滑无断崖，远近景成像解析力衰减可控，适配6400万高像素传感器。

图4 光学系统MTF曲线图

4.2 点列图（弥散斑）仿真

Zemax光线追迹输出全视场RMS弥散斑，所有工作距离下最大RMS光斑≤2.3μm，远低于4.2μm设计上限，光斑集中无明显拖尾，成像锐利无模糊。

图5 光学系统点列图

4.3 色差、畸变、相对照度仿真

轴向色差：无穷远色差≤0.03mm，微距≤0.05mm，五色光焦移曲线重合度高，达到复消色差标准；

图6 光学系统轴向色差曲线图

畸变：全视场畸变最大值1.5%以内，画面边缘无拉伸、压缩变形，满足手机影像几何成像要求；

图7 光学系统畸变图

相对照度：无穷远边缘照度46.9%，微距场景提升至77.2%，画面边缘无明显暗角，暗光拍摄一致性优异。

图8 光学系统相对照度图

光学设计不能仅停留在理想光路，加工、装配偏差会直接导致量产良率暴跌，Zemax公差分析模块是方案落地量产的有力保障。

5.1 公差参数标准化设置

结合当前塑胶非球面、玻璃镜片、棱镜加工工艺，在Zemax公差编辑器批量定义全部元件偏差范围：

1. 曲率半径、镜片厚度、元件偏心公差：2.5μm；

2. 表面倾斜、棱镜装配倾斜公差：0.0167°；

3. Q型非球面多项式系数、胶合镜片间隙同步设置公差约束。

5.2 500次蒙特卡洛随机仿真

以356 lp/mm平均MTF为良率判定标准，Zemax自动运行500组随机装配偏差仿真，输出分位性能数据：

1. 无穷远、1000mm、400mm远景工况：90%良品MTF数值稳定＞0.24；

2. 100mm微距工况：90%良品MTF＞0.167；

仿真结果证明，该光学结构对加工偏差敏感度低，无需超高精密装配设备，量产良品率可满足摄像头模组厂规模化生产需求。传统设计工具无批量蒙特卡洛仿真能力，只能依靠人工单组公差验算，研发周期延长50%以上，Zemax可一键完成全流程公差验证，大幅缩短产品迭代周期。

[1] LU Lihong, LUO Xiangzhou, WANG Yuze, et al. Optical system design for periscope telephoto macro imaging in mobile phones[J]. Journal of Applied Optics, 2026, 47（4）: 715-723.

相关阅读