红外变焦镜头初始结构搭建
红外变焦镜头初始结构搭建
CloudWU一个接近设计指标的初始结构，往往能让设计原地起飞，优化过程事半功倍。但是现实是残酷的，作为新手的我，更多的时候是没能发现合适的初始结构，感到无尽的焦虑与绝望。
一. 暴雨已至
最近接到一个5倍红外电动变焦镜头的设计，当时看到指标，我陷入了沉思，思考怎么问候提出者的家人，虽然我之前没设计过红外变焦镜头，内心波澜起伏慌到不行，但是我还是表面淡定接受了这个挑战，迎接这暴风雨的洗礼。
之前我设计过一个白光6倍变焦镜头，同样也是电动变焦，且没有具体的总长要求，所以结构上我没有犹豫，直接选择正前固定组+负变焦组+正补偿组+光阑+正调焦组的四组元结构。
二. 深陷沼泽
网上能找到红外的专利不多，红外变焦的专利很少，带有超广角的红外变焦少之又少，搜了一大圈都没发现接近的初始结构，只能拿一个3倍的四组元变焦凑合一下。小豆豆是我的师傅，他经常跟我说找一个初始结构，从中心视场开始优化，一步步向目标视场扩展，搭建属于自己的初始结构，想到这我对这3倍四组元充满信心。
然而现实是残酷的，作为三无青年(无基础无经验无脑子)的杰出代表，我不知道如何调整镜片的排布，扩视场的过程困难重重，视场扩不到一半，光线就无法追迹了，就仿佛陷入了沼泽，看着自己慢慢下陷，偶尔挣扎做一些调整，也没有办法改变下陷的趋势，最终只能沉入沼泽。
三. 沼中抓绳
既然已经沉入沼泽，我只好老老实实去看书，恶补理论知识，期望哪一天随手乱抓，抓到一条救命绳。终于有一天，我抓到了李林老师的绳子——《现代光学设计方法》，里面有一章介绍了变焦镜头的设计方法，思路是用四组分配好光焦度的理想透镜搭建变焦模型，用实际镜片组代替理想透镜，实现变焦镜头的设计。
受此启发，我从零开始搭建红外变焦镜头的初始结构。但是，我很快遇到了一个难题，怎样分配四组理想透镜的光焦度，仔细思考后，缺乏经验的我把决定权交给了电脑，让电脑帮我算出每组理想透镜合理的光焦度。所以，我在李林老师设计思路上作出了调整，没有一次性将理想透镜替换成实际镜片，而是每替换一组优化一轮，让像质一直保持在相对最佳的状态，以达到光焦度合理分配(其实我也不知道是不是合理的)的目的。
第二个难题是如何用实际镜片代替理想透镜，实现替换的基础正是以下四种薄透镜，如下图所示，1号和2号镜片光焦度为正，3号和4号光焦度为负。
具体选择哪一种形式的薄透镜，镜片的朝向，可以参考其他变焦镜头专利，可能指标相差较大，也没有问题，软件的优化可以帮助你重新调整镜片的形状。选择好镜片形状后，在满足理想透镜的焦距及口径的条件下，对实际镜片的中心视场用默认函数进行优化即可。由于实际镜片的主平面可能不在镜片上，新手可以将实际镜片的R1面放在理想透镜的位置，后续通过软件优化自行调整位置。但是，软件也不是万能的，也许替换的过程就会出现光线无法追迹的情况，这时你就需要自己想办法重新调整，像质极差也没有关系，起码要调整到可以优化的程度。
第三个难题是实际镜片复杂化，复杂化的方式有两种——非球面以及分裂镜片。考虑到红外系统结构与可见光系统对比较为简单，且需要较高整体透过率，尽可能减少镜片的数量，所以优先选择使用非球面。出于对整个镜片面型的把控及提高优化速度，我积累了一些复杂化的心得:1)非球面最高项系数最多使用到8阶，阶数过多优化速度慢;2)镜片口径超过45mm尽量不用非球面，口径增大，模压成品的精度下降;3)尽量避免一块镜片两个非球面，自由度大镜片面型不好控制;4)初始结构镜片排布多变，暂时不使用二元面，若二元面所在的镜片口径大，越靠近边缘环带相邻越密，加工精度下降且价格昂贵;5)若光线走势陡峭，非球面无法校正，可以考虑优先分裂变焦组或补偿组镜片。
替换过程如下图2-8所示:
四. 拨云见日
替换的过程一波三折，看着最后一个近轴面被替换成镜片，光线在构建好的初始结构中自由流畅地穿梭。原来此时暴风雨已过，阳光驱散乌云，天空绽放出一片蔚蓝，心情是多么的舒畅啊！
当然，这只是一个初始结构，后续还需要再多添加两个焦段与一个近距离对焦三重结构进行优化，并且计算变倍组与补偿组的变焦曲线，最后对整个设计做公差分析，将设计调整到适合量产的程度，才算完成。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。
