3.8-16mm变焦镜头的设计
张育武
前言
] 8wm1_qV 本文从设计角度全面解读
光学镜头的设计，以本人设计的一款3.8mm-16mm变焦成像镜头为例。全文分为上，下两部分。其中上部分为
光学设计，下部分为机械结构设计。文中所有设计均为本人持有，转载前请与本人联系。
UH0l8ixc } Ifa5Lq) 上部分：光学设计
;{0alhMZ 设计镜头的光学特性指标
!G vT{ 焦距：3.8mm-16mm
0`.&U^dG 光圈：F1.5-F2.7
(M|DNDM'd 设计
波长：486nm-850nm （日夜齐焦）
j~Fd8]@ 像面尺寸：1/1.8英寸 CS -mount
Dq Y"N ] 成像像素：1200万像素
*=B <S/0 h/A\QW8Sd 一，光路图
~D5FnN9 
} l+_KA 广角端
&Y @),S9 
c
nv%J}wq 长焦端
,&3+w ~Ua 设计选用二组10片，前组为调焦组后组为变焦组。其中选用玻璃为国产光明玻璃库。在保证成像要求下，设计未使用非球面。设计中所有玻璃为球面玻璃。除一片高折射材质玻璃和两片超低色散玻璃外，均为光明常用玻璃系列。
p:b{ >lM 
| qguLab( 部分系统数据
x`+M#A()/ $- ]G6r 二，成像像质分析
5N>f lQ -[vw 8 光学传递函数（MTF） （20度 1大气压）
a0]GQyIG 广角部分
G6{ PrV# 
kD+#| f 低频段
j<)$ [v6 中频段
0TV16 -- 高频段
>pZ _ 200lp频率下的MTF
QqF*SaO> i@6g9\x+
长焦部分
0LC]%x+" "qC3%9e 
U) xeta+ 低频段
h`! 4`eI 中频段
w(_:+-rqQ< 高频段
U~sC%Ri-@U 200Lp频率下的MTF
?>ZrdfTwz, 弥散斑图（SPOT DIAGRAM）
+ AjV0 #n E$ 8-8[ 
^y ', l _&q&ID 照度曲线
.$d:c61X 
r
UZN$="N ?$;&DoE 三，日夜齐焦分析
%r6_[ 'T =; n>#< 对850nm波段的传函分析
xzz@Wc^_ 广角IR
1Zk1!> ? 长焦IR
n}b/9 四，环境温差效应分析
qooTRqc#, VIGLl'8p 设计参考的标准温度为20摄氏度，并对-20摄氏度到60摄氏度范围内，进行温度变化引起的像面漂移的校正。
@ >'Wiq! $B >L_~cS 广角端 温度变化引起的传函变化（-20度 20度 60度）
.AX%6+o 
8 rE` MwD+'5
长焦端 温度变化引起的传函变化（-20度 20度 60度）
Q$'\_zV 
bZK`]L[ J+0
?e9 通过设计校正，可以看出随着环境温度的变化，成像质量（MTF）不会发生本质变化。
>~_>.R+{ uU$/4{ 五，公差分析
|1!|SarM{B 在给定公差表下对光学设计进行公差分析
n|=y w6aV' 给定以下公差表：
*WzPxQ_ 光圈 7N
ZFX}=?+ 光学间隙及厚度偏差 0.05
j _E(h . 面偏心 0.02
>4>.
Ycp 轴心偏差 60 秒
? OO !M c}=[r1M* 公差分析为敏感度分析，参考为波前（RMS WAVEFRONT）
NJ}x qg 得到敏感度分析公差表，以及蒙特卡洛（MONTE CARLO）分析结果如下：
gi@&Mr)fS 运算百次传函图
EG=U](8T MONTE CARLO分析结果
r!>=G% 经公差分析可知，
光学系统稳定性较好。通过公差分析结果，可以选取较为敏感项目优先控制。
A1zV5-E/ 六，浅谈
优化 @ *T8> [daR) C 光学系统优化是光学设计中较为重要的环节，也是初级光学工作者的难点所在，结合本人实际工作经验，浅谈优化心得。
D 5Z7?Y 1，明确硬指标
S +73 /Vs 优化前明确哪些指标是不能让步的，这类指标需要给予严格控制。比如镜片的结构如最小厚度（MNCG）最大厚度（MXCG）。以视角作为视场的成像像面大小控制。多重结构中哪些量应该变化，哪些量不应该变化等。
|SJ%Myy 2，变量给区间
Y'6P ~C;v 对于某些
参数需要达到一定数值的优化时。在优化初可以给定一定的区间，让其在区间内逐步逼近目标值。而不是直接给定目标值，然后用大权重进行强拉。
'+^XL6$L 3，优化过程中随时注意各光学指标的变化，在不同的像差校正阶段选用不同的操作函数优化。比如还在初始结构阶段是完全没有必要使用光学传递函数进行优化的。
j\.pS^+ 4，理解优化操作数的光学含意，以及相关光学原理，不要顾名思义。
JK XIxw>q 比如系统球差较大时需要校正，很多初学者会顾名思义直接使用
软件提供的SPHA进行球差校正，其实这样是没有什么意义的。如果我们知道球差的光学意义。可以使用软件优化函数表去直接编出球差的优化函数（初级球差）
sh<JB`^$(?
初级球差控制
ER]C ;DYX 这样当明白了球差的真正意义后，可以根据曲线图，去控制孔径球差。如（全孔径 0.707孔径等）。更重要的是当真正明白球差意义后，你会知道哪些结构参数会影响球差，哪些结构参数不会影响球差。有经验的设计者甚至能知道影响的程度。这样你在优化时没有必要把所有的结构参数都设置为变量进行优化。也可以将不同影响程度的结构参数分优先级进行优化，这样的优化才会有效率才会按照你想要的结果进行运算。
=o"sBVj y(K:,CI 5，权重要合理给，每个操作数都给100的权重，也相当于没有给权重。数量级不在一个单位上的参数值，可以结合常数将其转换成与其它参数相同的数量级。这样便于控制以及给定权重。
# eI` l`} 6，有目的的进行优化，优化没有必要把所有结构参数都设置为变量，没有影响或影响较小的是没有必要设置为变量进行优化的。
lQ.3_{" s 7，长期积累，了解操作数的特性。提高优化效率。比如有些操作数在一定阶段作用是基本相同的，但运算速度确有很大的区别。比如：GMTT 与MTFT。
[nsTO5G$u [ z} $G:s 下部分：结构设计
,n5 [Y) 一，镜片设计
5bK:sht 包含光学镜片设计，镜组设计，以及镜片隔圈设计。
=PBJ+"DQs '_=XfTF 
镜组设计图
#>$w9}gFi 使用AUTOCAD平台进行镜片设计。（从光学软件导出光路后，应设计合理的毛胚以及镜片图）
oB} rd9 v}z{OB 二，3D建模
q p1r P# 
使用PROE平台进行镜头3D建模
zgpv I~Ck ~65lDFY/ 三，镜头结构设计
N;,N6&veK/ M^A ;tPw 镜头结构设计详细步骤，将在后续文章中给予详细分析说明。
[;INVUwG^ @)@ hzXQ ^yF2xJ)9- 结语：文以3.8-16mm 镜头为例，从光学设计到结构设计，分别说明了镜
na4^RPtN\e 头的一般设计过程，由于篇幅原因，很多细节已经省去。后续将在
j7&0ckN&G 其它平台补充后发布。由于能力所限，文中不足之处望联系本人探讨
KI<Vvc m 。本文是镜头系列设计的第一篇，第二篇将详细说明连续变倍镜头的
2ld0w=?+eu 设计（包含变倍光学设计，变倍结构设计，凸轮曲线设计等）望后续
5HbPS%^. 继续关注，共同学习。
oakm{I|k} 张育武
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0]*am|v zywwork@126.com
