第十四届“宇瞳杯”光学设计大赛赛题2“AR 眼镜拍摄镜头设计”
1.设计指标要求
表 1.1设计指标要求
2.系统设计重难点分析
AR眼镜拍摄镜头的设计受到多重严苛约束，是微型光学系统设计中的重点与难点，核心矛盾聚集在体积限制、性能要求与量产可行性之间，具体难点如下。
首先是空间限制带来的结构性挑战。受AR眼镜外观轻薄与佩戴舒适性约束，镜头系统总长通常被限制在15mm以内，同时需要实现大视场、短焦距且预留足够后截距放置传感器、滤光片及装配间隙，这使得像差校正难度大幅增加，球差、彗差等问题更为突出，加之镜片数量受限，难以实现性能平衡。其次是高精度成像与广角像差的冲突。AR镜头需极高几何精度，畸变需控制在极低水平，否则会导致定位漂移、虚实叠加错位，但大视场广角设计天生易产生桶形畸变、场曲和色差。在极小体积内校正多种像差，需依赖高折射率玻璃、非球面甚至自由曲面镜片，大幅提升了设计与加工成本及难度。再者是与传感器的严格匹配要求。为保证边缘亮度均匀，镜头主光线入射角需严格匹配传感器微透镜，角度偏差会导致边缘照度骤降、偏色，影响算法稳定性。
该AR眼镜拍摄镜头设计的核心在于在空间与重量限制下，实现高性能光学成像。设计的核心矛盾在于“长焦”与“轻小”的冲突——既要在有限的15mm总长内达成长焦特性，满足AR眼镜的使用距离；又要通过轻量化设计控制总重，同时维持F/1.8的大光圈进光。这直接导致了设计的核心难点：需在紧凑结构中精准校正大光圈引入的高级像差，兼顾0.8μm极小像素对应的超高解像力与多波长色差校正。
因此在对系统进行设计时，在校正系统像差的同时需要考虑长度、重量等对系统的限制。
3.设计思路
通过查找相关论文、公开专利、镜头手册等资料，寻找与设计参数较为相似的初始结构。该AR眼镜拍摄物镜共有六片光学透镜，第2、4、5为非球面镜片，第1、3片为球面镜片，孔径光阑位于第一面镜子前表面。系统焦距为14.0mm；F数为1.4；波长范围为405~656nm；全像高为9.8mm，系统总长为22.06mm。
表3.1系统初始结构参数
面序号 | 曲率半径 | 厚度 | 材料折射率 | 材料阿贝数 |
1（光阑） | 无限 | -1.97 | | |
2 | 8.03 | 1.99 | 1.593 | 68.342 |
3 | 10 | 1.53 | ||
4（偶次非球面） | 14.98 | 3.47 | 1.713 | 53.939 |
5（偶次非球面） | -27.94 | 0.77 | ||
6 | -12.99 | 0.67 | 1.808 | 22.764 |
7 | 423.24 | 0.77 | ||
8（偶次非球面） | -5.46 | 1.54 | 1.717 | 29.501 |
9（偶次非球面） | -10.67 | 0.32 | ||
10（偶次非球面） | 4.85 | 3.08 | 1.835 | 42.721 |
11（偶次非球面） | 7.83 | 7.12 | ||
保护玻璃 | 无限 | 0.7 | 1.517 | 64.199 |
无限 | 0.1 | |||
14（像面） | 无限 | 0 | | |
图 3.1初始结构光学系统图
在完成初始结构选型之后，首先对系统内部的基本参数进行约束，并且对系统进行简单优化。优化后结果如下图所示：
图 3.2初步优化后的初始结构
在完成上述优化操作之后选择波前+RMS、波前+PTV等默认优化操作数与像差操作数进行配合，对光学系统像质进行多次迭代优化，逐步校正系统内部像差，并且提高系统的传递函数MTF。
因为系统采用了大量的塑料偶次非球面，因此在边缘位置产生了反曲使得系统难以校正。因此在系统所有指标均满足设计要求的情况下，对系统面型进行矫正，使其满足加工工艺要求。
4.设计结果及分析
系统2D图
图 3.13系统结构
指标完成情况
图 4.2指标操作数
系统点列图
图 4.3系统点列图
传递函数MTF（600lp/mm）
图 4.4 600lp/mmMTF（全视场）
图 4.5 600lp/mmMTF(中心视场)
传递函数MTF（500lp/mm）
图4.7 500lp/mmMTF（φ5.4视场内）
FFT MTFvs.Field
图 4.8 FFT MTFvs.Field
场曲/畸变
图 4.9场曲/畸变
相对照度
图 4.10相对照度
鬼像分析
鬼像是指非预期反射光线在像面形成干扰像的现象，是影响光学系统成像质量的重要因素之一。其主要成因是光线在光学工作表面上的偶次反射，因此在对系统进行鬼像分析时，要重点观察光线在光学表面的反射情况。
使用Tracepro进行鬼像分析，系统要求在对系统进行鬼像分析时对90°范围内灯光进行分析，并且鬼像相对能量小于1*10e-6，因此首先设置不同角度的灯光，并且设置能量阈值，分别如下图所示：
图 4.11 设置光源
光学系统中，大部分杂散光从系统侧面出射，在实际成像时并不会干扰成像的，即不会形成鬼像。所以只需要对这部分杂散光进行吸收或者遮挡，因此对透镜侧面镀吸收膜层，对侧面杂散光进行处理然后设计镜筒及其材料，机械外壳如下图4.14所示：
图 4.14机械外壳
在完成上述设置之后对光线进行追迹，得到结构以及辐照度/光照图如下图4.15、图4.16所示：
图 4.15 2D图
图 4.16辐照度/光照度图
通过多次对光学系统内部杂散光进行分析，并且对发生反射较多的光学表面度增透膜消除反射后，可以发现系统鬼像减少，且能量较低，集中在1*e-5~1*e-7左右，对系统进行分析并且对第五片透镜前后表面镀0.995膜层。对光线追迹后系统系统2D图、辐照度/光照度图如下图4.25、图4.26所示，可以看出系统中杂散光得到有效抑制，并且鬼像相对能量均低于1*e-6，满足指标要求。
图 4.17 系统2D图
图 4.18 辐照度/光照度图
5.可行性分析
公差分析
光学系统最终的公差分配如下表5.2所示：
表 5.2公差分配表
参数 | 表面 | 公差等级 |
曲率半径(光圈) | 1-4,6-10 | Q3 |
5 | Q1 | |
厚度(mm) | 1-2,5-10 | 0.002mm |
3-4 | 0.0015mm | |
表面偏心X/Y(mm) | 1-10 | Q1 |
表面倾斜X/Y(度) | 1-10 | Q3 |
不规则度 | 1-10 | Q3 |
元件偏心X/Y(mm) | 1-5 | Q1 |
元件倾斜X/Y(度) | 1-5 | Q3 |
折射率 | 1-10 | Q3 |
阿贝误差(%) | 1,3,5,7,9 | Q3 |
首先对600lp/mm处中心视场MTF进行分析。在Zemax中进行公差分析设置，进行蒙特卡洛分析，运行两百次。如下图5.2所示：
图 5.2公差分析
在进行公差分析后，得到的公差分析结果里，良品率如下表5.3所示
表 5.3公差分析结果
概率 | 衍射MTF平均 |
90% | 0.19178574 |
80% | 0.21067146 |
50% | 0.24277522 |
20% | 0.27343149 |
10% | 0.28401757 |
由上述分析结果可以看出，AR眼镜拍摄物镜在该公差范围内变化时，衍射MTF平均有90%概率在0.191以上，符合指标要求。
然后对600lp/mm处中心视场MTF进行分析，重复上述操作：
在进行公差分析后，得到的公差分析结果中，良品率如下表5.4所示
表 5.4公差分析结果
概率 | 衍射MTF平均 |
90% | 0.15684012 |
80% | 0.17474673 |
50% | 0.20728392 |
20% | 0.23290361 |
10% | 0.24329197 |
由上述分析结果可以看出，AR眼镜拍摄物镜在该公差范围内变化时，衍射MTF平均有90%概率在0.156以上，符合指标要求。
光学系统图
光学系统图如下图5.5所示：
图 5.3光学系统图
