概論

成像鏡頭包括定焦鏡頭和變焦鏡頭，我們在日常生活中使用的光學(xué)系統(tǒng)大多是可以變焦的，比如手機(jī)鏡頭、專業(yè)相機(jī)的鏡頭、顯微鏡等。

成像鏡頭在很多實(shí)際應(yīng)用中通常也要求具備變焦的能力，如 CCTV 監(jiān)控鏡頭，紅外探測鏡頭，攝影鏡頭，雙筒望遠(yuǎn)鏡等等，鏡頭具備變焦的能力便可以應(yīng)用于多種環(huán)境條件，放大縮小或局部特寫，這是一個(gè)定焦鏡頭所無法完成的。

所謂變焦，即鏡頭的焦距在一定范圍可調(diào)節(jié)，通過改變焦距從而改變系統(tǒng)視場大小，達(dá)到不同距離不同范圍景物的成像。我們通常所說的變焦鏡頭一般指攝像鏡頭，即在不改變拍攝距離的情況下通過改變焦距來改變拍攝范圍，因此非常利于畫面構(gòu)圖。

由于一個(gè)系統(tǒng)的焦距在某一范圍可變，相當(dāng)于由無數(shù)多個(gè)定焦系統(tǒng)組成的，在設(shè)計(jì)變焦鏡頭時(shí)也是使用類似定焦鏡頭的分析優(yōu)化方法。

設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)好的一組鏡頭如果變化鏡片與鏡片之間的空氣厚度，鏡頭的焦距會(huì)隨之變化，通常來說一個(gè)系統(tǒng)的接收面尺寸大小是固定不變的(像面：CCD 或COMS 或其它探測面)，在基礎(chǔ)光學(xué)理論中像面大小、視場和焦距三者有如下關(guān)系：

I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)

I為像高，f為焦距，θ為視場角度。

這個(gè)關(guān)系也很容易理解，一個(gè)三角形即可。

變焦鏡頭的變焦倍數(shù)為長焦距和短焦距比值，也稱為“倍率”。理論定義下，在變焦過程中鏡頭的相對孔徑保持不變，但對于實(shí)際的高變倍比系統(tǒng)，由于外形尺寸不希望過大或二級(jí)光譜校正等問題，通常在變焦時(shí)采取相對孔徑（即F/#） 也跟隨變化的方案。

通過改變鏡片與鏡片之間的間隔達(dá)到設(shè)計(jì)的焦距要求，當(dāng)系統(tǒng)的入瞳直徑 D 固定時(shí)，即系統(tǒng)接受的光束大小一定時(shí)，根據(jù) F/#=f/D 可知，f變化將引起F/#的變化，也就是我們調(diào)焦距也就是調(diào)光圈大小 (F/#也稱為光圈)，此時(shí)光闌大小隨焦距變化而變化（非固定值）。這里也有人把調(diào)光闌大小稱為調(diào)光圈。

確定設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)，以下為本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)：

光學(xué)參數(shù)：

Optical system parameters Values

Spectral region/nm  420-650

Focus/mm  25-32

FOV/(°)  30.11×19.08-23.73×14.96

Image size/mm  15.4×9.6

F/#  2.4

Telecentricity/(°)  ＜1

像質(zhì)要求：該投影鏡頭在連續(xù)變焦過程中各視場 MTF 值在 72 lp/mm 處不低于 0.4，各視場 RMS 彌散斑直徑小于 8.5 μm，畸變小于 2%，短焦邊緣視場照度均勻性大于 85%。

因?yàn)樽兘雇队扮R頭的變倍比比較小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合變焦位置1的定焦鏡頭，然后設(shè)置 ZFILE 修改為變焦鏡頭，再進(jìn)行優(yōu)化，會(huì)比直接搜14片 ZSEARCH 變焦鏡頭更加快捷簡便。

DSEARCH 輸入：參數(shù)為短焦處的投影鏡頭

以上為 DSEARCH 直接搜出的結(jié)果，中間的空氣間隔太小，沒有留給變焦的空間，總長才120，遠(yuǎn)沒有到240的限制。因此在 AANT 中限制總長最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，進(jìn)行優(yōu)化，留出足夠的變焦空間。以下為新的初始宏：

搜索宏

請?jiān)u論區(qū)留言聯(lián)系工作人員獲取代碼

運(yùn)行搜索宏可以得到10個(gè)初始結(jié)構(gòu)：

從中找出一個(gè)最佳結(jié)構(gòu)，接下來進(jìn)行下一步分析:

設(shè)置光闌，優(yōu)化之后，觀察鏡頭結(jié)構(gòu)，選擇第3/4片為前變焦組，5/6/7片為后變焦組，光闌設(shè)置在表面15上。在 WS 中設(shè)置APS -15，然后注釋掉 VY 再次進(jìn)行優(yōu)化退火。

設(shè)置 ZFILE 數(shù)組,運(yùn)行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八個(gè)變焦位置分配給原鏡頭，使其變成一個(gè)變焦鏡頭（以下為 ZFILE 宏指令）。

變焦優(yōu)化

修改優(yōu)化宏，增加 ZDATA 的變量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆蓋原來的評(píng)價(jià)函數(shù)，增加 AZA 指令控制變焦間隔，然后進(jìn)行多次優(yōu)化退火。

輸入 MRG ，插入真實(shí)玻璃，選擇成都光明玻璃庫。

得到結(jié)果：

插入真實(shí)玻璃后的結(jié)構(gòu)有些太薄了，加工非常困難且昂貴，需要再進(jìn)行優(yōu)化，增加邊緣厚度的限制 AEC 311，ACM 311。

再設(shè)置光闌，在 WS 里設(shè)置 CSTOP 和 WAP ，得到結(jié)構(gòu)：

像差分析

查看畸變

注釋掉優(yōu)化光闌的 VY 指令，繼續(xù)優(yōu)化。然后查看成像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)其他所有參數(shù)都已經(jīng)滿足，但是畸變有6%左右，沒有達(dá)到要求。

因此在優(yōu)化宏中添加控制畸變的指令

M 0 8 A P YA 1

S GIHT

M 0 5 A P YA .7

MUL CONST 2

S GIHT

從0.7視場到1視場，用實(shí)際像高減理想像高控制畸變：

優(yōu)化之后的畸變控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。

在優(yōu)化宏中減少控制畸變的權(quán)重到3，進(jìn)行優(yōu)化退火。

優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)只有1視場的 YMTF 這一條沒有滿足要求。在優(yōu)化宏中添加指令：

M 0.5 2 A M YMTF 1 72

專門優(yōu)化這一條MTF。

優(yōu)化后 MTF 變得比較平均，沒有特別低的某條，但整體 MTF 有些下降。把 YMTF 的權(quán)重降為1，添加 GSO 和 GNO 的指令優(yōu)化波像差，來提升總體 MTF。

最終經(jīng)過多輪優(yōu)化退火調(diào)整后的鏡頭結(jié)構(gòu)和優(yōu)化宏。

優(yōu)化宏

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再進(jìn)行優(yōu)化退火，50，2，50

得到最終結(jié)構(gòu)：

各個(gè)像質(zhì)結(jié)果：

RMS 各視場 RMS 彌散斑直徑小于 8.5 μm

變焦位置1：

基本參數(shù)

變焦位置1：

變焦位置8：

   

畸變

變焦位置1：

變焦位置8：

  

MTF

變焦位置1：

已滿足各視場 MTF 值在 72 lp/mm 處不低于 0.4。

變焦位置8：

不太能滿足各視場 MTF 值在 72 lp/mm 處不低于 0.4，但繼續(xù)優(yōu)化加高權(quán)重會(huì)導(dǎo)致其他像差質(zhì)量變差。

相對照度

短焦邊緣視場照度均勻性大于 85%。

變焦位置1：

變焦位置8：

  

主光線角度

遠(yuǎn)心度都在1°以內(nèi)

變焦位置1：

變焦位置8：

  

總結(jié)：

該變焦投影鏡頭所有指標(biāo)已經(jīng)基本滿足要求，使用了13 片球面透鏡加保護(hù)玻璃。對于片數(shù)比較多但變倍比比較小的變焦鏡頭，直接用 ZSEARCH 搜索花的時(shí)間太長或者搜不出好的結(jié)果，可以先用 DSEARCH 搜索一個(gè)變焦位置的結(jié)構(gòu)，然后用 ZFILE 把它變?yōu)樽兘圭R頭再優(yōu)化。

好了，本節(jié)課到此完畢，期待與您的再次相遇，下周見！