“宇瞳杯”光学设计赛道赛题二“AR眼睛拍摄镜头设计”设计报告2026年4月初始参数计算及分析AR眼镜光学系统分析AR眼镜采用“光波导可调节屈光镜片电致变色”混合光学系统覆盖数字成像、光传输、屈光适配与环境适配全链路。数字光路中镜腿光机将Micro OLED图像经准直透镜组转为平行光通过光波导传输后依次经电致变色片、Push/Pull镜片组进入人眼真实环境光直接穿透镜片组与光波导经透光率调节和屈光矫正后无畸变成像。其中Push/Pull镜片组通过机械位移调节屈光力适配近视/远视需求并调整虚拟图像聚焦深度电致变色片通过电信号调控透光率实现自动调光解决强光下AR图像对比度问题。该系统在保证透视AR核心体验的同时提升了佩戴适配性与全场景可用性。图2.1 AR眼镜核心架构AR眼镜成像技术主要包括Birdbath、自由曲面等直接成像类方案和光波导、Pancake折叠光路等间接成像方案。前者通过反射镜或分光棱镜实现光机图像反射投射入眼光路简单、耦合效率高但系统体积大、镜片透明度低后者以光波导介质为载体利用全内反射实现光路折叠与传输通过微反射镜阵列或衍射光栅完成图像扩瞳与出射能在薄型镜片内实现大视场角与高透明度是当前消费级AR光学系统的主流优化方向。图2.2 AR眼镜成像技术原理图AR眼镜拍摄镜头分析AR眼镜拍摄镜头作为第一视角微型光学核心需在极短总长与轻盈机身约束下平衡长焦视野、大孔径进光、低畸变成像与高分辨率细节。AR眼镜光机模组如图2.3所示图2.3 成像原理光路图目前AR眼镜拍摄镜头的光学系统可大致分为两大类一种为光阑在靠近中间位置的微型手机镜头如图2.4所示图2.4 光阑靠近中间位置的微型手机镜头另一种为光阑在最前面的长焦手机镜头如图2.5所示图2.5 光阑在前的长焦手机镜头本设计将按照长焦手机镜头的结构类型进行整体光学系统的仿真设计。设计思路本设计以Zemax光学设计软件为平台通过文献调研与专利分析筛选最优镜头结构依次完成孔径、波长、视场的设置依据设计指标要求进行系统初步优化在得到初步优化的结构后进一步做像质优化所有系统指标满足设计指标要求后完成设计。初始结构在光学设计流程中初始结构的合理选择是首要关键环节其质量直接决定像差校正的收敛效率根据本系统的设计要求本设计采用专利CN114326058B中的长焦型大孔径高清摄像镜头作为初始结构该结构13.7mm≤EFFL≤16.7mm,F≤1.4光学总长≤22.07mm,镜头数据参数如表3.1所示初始结构图如图3.1所示图3.1 初始结构光学系统图初步优化初步优化操作数设置在评价函数编辑器内新增用于控制基础指标的操作数具体参数组合如表3.2所示图 .1初步优化光学系统结构2D图初步优化后系统像质情况初步优化采用点列图RMS的默认评价函数,初步优化后系统整体像差仍处于较高水平具体结果如下图3.3 初步优化光学系统点列图图3.3为初步优化后系统的点列图。从图中可以看出当前系统RMS光斑半径最大为41.126 并有明显的彗差。图3.4 初步优化光学系统场曲与畸变图图3.4为初步优化后系统场曲畸变图场曲与畸变均已满足设计要求子午场曲为0.0351mm弧矢场曲为0.0456mm畸变为2.8553%均符合指标要求-3%~3%。图3.5初步优化光学系统传递函数曲线图3.5为初步优化后系统传递函数曲线由曲线分析可知当前系统整体像差显著与目标值存在较大差距。图3.6 初步优化后系统光线像差图图3.6为上述初步优化后的光学系统光线像差图此时系统最大缩放比例为500从像差分布特征可观察到系统整体像差仍处于较高水平需进一步优化校正。像质优化基于初步优化结果分析后续优化通过施加适当的渐晕在保证相对照度的前提下提升像质。在此基础上再做进一步的像质优化像质优化以光线像差图与点列图为主要分析依据采用波前PTV的默认评价函数针对对系统性能影响显著的像差分量进行重点优化。优化过程中重点控制的像差包括场曲、彗差。完成上述像质优化后系统设计结果如下图3.7像质优化后光学系统结构2D图图3.8像质优化后光学系统点列图图3.8为像质优化后光学系统点列图其最大RMS半径达3.245已接近系统2倍的艾里斑半径但在0.3与0.5视场上彗差比较明显。图3.9 像质优化后光学系统完整的传递函数图3.10像质优化后光学系统600线对处传递函数图3.11 像质优化后操作数读取传递函数图3.9图3.10图3.11为像质优化后光学系统传递函数曲线经优化后整体曲线已满足设计指标要求。MTF曲线数据显示500线对处MTF值为0.268大于0.25600线对中心区域MTF值为0.267大于0.25满足指标要求。图3.12像质优化后光学系统光线像差图图3.12为像质优化后光学系统光线像差图此时最大的缩放比例为100。图3.13像质优化后光学系统场曲畸变曲线图图3.13为像质优化后光学系统场曲畸变图其数据显示子午场曲达0.24mm弧矢场曲为0.0208mm最大畸变量为 0.732%各项参数均满足设计指标要求。图3.14 像质优化后光学系统相对照度图图3.14为像质优化后光学系统相对照度图由图可以看出系统相对照度值大于0.4符合设计指标要求。在像质优化完成后所有指标均已满足设计要求此时系统焦距为13.85mm为了得到更高的焦距采用如图3.15所示的操作数组合进行焦距的提升在提升焦距时应注意镜片面型的变化同时也应保证最终系统面型的可加工性。图3.15焦距优化操作数设计结果及分析通过多轮迭代优化进行像质优化和焦距提升最终系统参数如下焦距14.2mm像高3.93mmF#为1.81光学总长14.99mm最大畸变为0.3234%后焦距2.9mm主光线角9.87°。设计指标系统设计结果与设计要求对照如下表4.1所示图4.1 评价函数编辑器最终结果由章节可知系统各项指标均已满足设计要求评价函数编辑器中的优化结果详见图4.1最终系统镜头参数数据如表4.2所示图4.2 光学系统结构2D图性能指标性能指标是体现光学系统像质结果是否良好的关键性能指标主要包含了光学传递函数MTF、场曲与畸变、点列图、光线像差图、相对照度、边厚以及重量指标。首先是光学传递函数MTF指标情况图4.3 500线对处5.4mm视场内光学传递函数图4.4 600线对处中心视场光学传递函数图4.5 操作数读出的光学传递函数值图4.3为500线对处5.4mm视场内光学传递函数曲线图4.4为600线对处中心视场内光学传递函数曲线图4.5为操作数所读出的衍射平均MTF值由图中可以看出500线对处5.4mm视场内MTF值最小为0.2517600线对处中心视场内MTF值为0.2557两者均已满足设计指标要求。下面为MTF与视场曲线如图4.6所示图4.6 MTF vs Field曲线其次是场曲与畸变的指标情况图4.7 场曲与畸变图图4.7为场曲与畸变图由图中可以看出弧矢场曲为0.0271mm子午场曲为0.0295mm系统最大畸变为0.6213%均满足设计指标要求。然后是点列图的指标情况图4.8 光学系统点列图图.8为点列图从图中可以看出全视场下RMS半径均小于2个艾里斑半径整体像差较小符合设计要求。下面是光线像差图的指标情况图4.9 光学系统光线像差图图4.9为光学系统的光线像差图通过分析光线像差图可以直观的得到当前系统的像差情况最终设计完成的系统光线像差图最大缩放比例为100像差整体较小符合设计要求。下面为相对照度的指标情况图4.10 光学系统相对照度图图4.10为光学系统相对照度图从图中可以看出相对照度约为0.8573满足指标要求的0.4以上。下面为光学系统的镜片边缘厚度图4.11 光学系统镜片边缘厚度从软件所给的报告中可以看出最小边缘厚度为0.314mm满足指标要求的0.3mm以上。最后为光学系统的重量指标图4.12 光学系统总体重量图4.12为ZEMAX分析报告中所给出的总体重量用于AR眼镜拍摄镜头上的光学系统总体重量应当尽量的轻量化从分析报告中可以看出总体重量为0.386102g满足轻量化的要求。杂散光与鬼像分析杂散光和鬼像是对光学系统分析阶段必不可少的环节首先将设计好的文件导出为STEP文件在SOLIDWORK中绘制光学系统的外形结构镜筒、隔圈、压圈等结构均需绘制这样才能真正体现系杂散光和鬼像的来源可以精确的分析每一条杂散光或鬼像的光线路径并进行消除。将在SOLIDWORK中绘制好的文件导入到TRACEPRO中对每个表面进行定义所有的机械元件和镜片边缘均作消光处理实际加工中机械元件是需要进行氧化发黑处理镜片边缘需要涂墨或涂消光漆处理以保证在其表面不会引起光线反射形成杂散光。再导入到TRACEPRO后首先按照ZEMAX中仿真结果对每个透镜设置相应的材料并设置每个表面的反射率和折射率初始无膜层时透镜反射率为0.04透射率为0.96镀上AR膜层之后透镜反射率为0.02透射率为0.98。每个透镜边缘和光线不经过的地方进行消光处理。光线门槛数值为1×10-6。建模结束后需要设置90°范围的灯光对光学系统进行照射。下图4.13为经过上述设置后在TRACEPRO中的3D视图图4.14为当前中心视场辐照度和光照度曲线分析图图4.13 AR膜层下TRACEPRO中系统3D视图图4.14 AR膜层下中心视场辐照度和光照度曲线分析图可以看出3D图中蓝色光线为在系统中反射的光线红色光线为光源所发出的光线探测器中心最亮的光斑为正常成像的像点较大的圆斑为系统中所产生的鬼像通过分析光线路径筛选表格找出非正常成像光线能量较强的路径查看异常的表面通过提升表面的透过率降低鬼像的产生从上图中可以看出鬼像的相对阈值仍然大于1×10-6于是设置增透膜的反射率为0.01透射率为0.99中心视场下系统3D视图与辐照度和光照度曲线分析图如图4.15和图4.16所示图4.15 TRACEPRO中系统3D视图透过率0.99图4.16 辐照度和光照度曲线分析图透过率0.99可以看出系统中还有一部相对阈值较高的鬼像存在同样通过光线路经筛选表格找出系统中杂散光的路径分别分析路径上是那些表面反射引起的杂光于是对系统表面膜层进一步提升。提升透镜所有表面膜层反射率为0.005透射率为0.995光线阈值为1×10-6即鬼像相对能量小于1×10-6下图4.17为提升膜层后TRACEPRO中系统3D视图下面分别对各个视场下进行杂散光分析并与开始透过率为0.96的系统进行对比分析结果如下图所示图4.17 TRACEPRO中系统3D视图透过率0.995图4.18 辐照度和光照度曲线分析图透过率0.995由上图可已看出膜层为0.995透射率时还存在部分鬼像杂光。于是提升透镜所有表面膜层反射率为0.001透射率为0.999再进一步进行分析如图4.19与图4.20所示。图4.19 TRACEPRO中系统3D视图透过率0.999图4.20 辐照度和光照度曲线分析图透过率0.999经过提升膜层透过率后鬼像相对阈值降至1×10-6以下像面无明显鬼像杂光出现完全符合设计要求。可行性分析镜片成本本次设计所用的材料均为塑料非球面本总共包含5片透镜10个表面不含保护玻璃所有表面均为非球面下表5.1为本系统的镜片类型和材料的参考成本5.2 公差情况及前20项敏感项表实际生产加工中光学系统不可避免的会受到加工、装调的影响并且后续使用中由于使用人员的不当操作都会造成光学系统产生一定大小的误差故进行公差分析是衡量光学系统是否可靠的重要指标。本系统最终公差分配如下表5.2所示图5.1 前20项最坏偏离项根据灵敏度分析中的最坏偏离类型来调整公差对无法消除的敏感类型缩紧公差进行公差二次分配。并进行蒙特卡洛分析200组镜头得到如下图所示结果图5.2 蒙特卡罗分析进行蒙特卡洛分析200组镜头结果表明引入误差后该镜头90%以上的蒙特卡罗样本MTF值在500lp/mm大于0.15符合工业生产要求得到如下表5.3所示结果图5.3 前20项最坏偏离项进行蒙特卡洛分析200组镜头得到如下图5.4所示结果图5.4 蒙特卡罗分析进行蒙特卡洛分析200组镜头结果表明引入误差后该镜头90%以上的蒙特卡罗样本MTF值在600lp/mm大于0.15符合工业生产要求得到如下表5.3所示结果5.3 光学系统图及装配顺序图5.5 光学系统图按照要求在不同口径情况下均留有外径余量保证装夹口径所有镜片边缘厚度中心厚度均符合国家标准镜片装调顺序简单方便易于加工。装配顺序本系统共有片镜片均为单透镜保护玻璃位于光学系统之外光阑位于光学系统第一面装配顺序由左至右依次装调首先装调L1透镜利用透镜框保证光阑位置和大小然后在放置L1和L2之间的隔圈确保空气间隔再放置L2透镜然后放置L1透L3和镜之间的隔圈确保空气间隔再放置L3透镜然后在其后放置L3与L4透镜之间的隔圈确保空气间隔再放置L4透镜然后在其后放置L4与L5透镜之间的隔圈确保空气间隔在放置L5透镜然后在其后放置L5与保护玻璃之间的隔圈确保空气间隔最后放置保护玻璃并安装压圈。对压圈进行点胶用压圈压紧整个镜组。机械结构也是完成整个光学系统必不可少的一部分机械结构也关系着系统最终的装调良率在完成光学系统设计工作之后也对机械结构进行仿真下图5.4为机械结构仿真图图5.6 机械结构剖面视图最后有相关需要。