概论
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t;&# "e(OO/EZS 成像镜头包括定焦镜头和变焦镜头，我们在日常生活中使用的
光学系统大多是可以变焦的，比如手机镜头、专业相机的镜头、显微镜等。
R?I(f(ib JQ.ZAhv 成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力，如 CCTV 监控镜头，红外探测镜头，摄影镜头，双筒
望远镜等等，镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件，放大缩小或局部特写，这是一个定焦镜头所无法完成的。
pX!S*(Q{ * D|6g| Hb 所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。
Oj<2_u > m5j.GP; [由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析
优化方法。
GR|Vwxs<@P B4J^ rzK 设计要求
u/k#b2BqL ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
Q}]Q0'X8 SYl :X I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
} F@`A?k I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
&jg ,8 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
.
vYGJ8(P C#vh 2' 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
\yM[?/< JRl8S 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
dqG+hh^ N 7N e 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
*rW] HN z -h.' ]^I
光学参数：
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
(o e;p a ~6@~fhu 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
F\>`j @^`f~0#: 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
8zZR %fZ DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
Hm4lR {A
)u[ 2TI1 {Y\hr+A )zr/9aV 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
#7'ww*+ @ZT25CD 搜索宏
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YBg\L$| n
R=8!]Oi6 fzSZ>I0R 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
% _A1WC S
_# UEf /&ph-4\i /$ L;m 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
rLP4l~V U:8^>_ UVU} @*_#zU#g 设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
C'mmo& Pd v*#Z{)r 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。
O|a v( F9 ]
<pi q?:ac z RsA[F#
变焦优化
,[~Ydth y(N -1 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
cL=P((<K? G#l zB`i E 8IWHh_ =Xo Nk1 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
{)F-US q9Fc0(&Vf @W^g(I(w '}XW 得到结果：
FeCQGT {\0 R[+d rhL<JTS GW}KmTa]& 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
#|$7. e 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
0<i~XN0g hvpn=0@ M K AUYE^ +mxs jcq0 像差分析
-=g`7^qa>
查看畸变
Jl5<9x
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。
rJNf&x%6 hefV0)4K l~f +h?cF vTB*J,6. 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
9|#h )* M 0 8 A P YA 1
Z{ p;J^: S GIHT
m]u#Dm7h M 0 5 A P YA .7
KY_qK)H MUL CONST 2
6^
KDc S GIHT
zpa 'G1v 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
0@xuxm/i t_j.@|/FZ eyo )Su 4P` \fz 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
W<9G wMU %X . Q\T 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
sI^1c$sBN {= z%( '^ Q'\j m=k !`aodz*PO 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
`|PxEif+J M 0.5 2 A M YMTF 1 72
K1eoZ8=! 专门优化这一条MTF。
wvq<5gy} [KjQW/sb' 1L$u8P^ < `Cb$8;)z 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
JG4&e K$- f0hi70\(X 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
!p9BH6$` #}jf TM 优化宏
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>U) ,^H( 再进行优化退火，50，2，50
a%-Yl%# 3^`bf=R 6=H-H\iw tPp }/a%D 得到最终结构：
p=r{ODw#3 MM5#B!BB RF6|zCWuI .y'OoDe 各个像质结果：
! q1Ql18n RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
Xt~/8)& w{UU( 变焦位置1：
LLU>c]a 5aWKyXBIx
?9PNCd3$d
基本参数
变焦位置1：
t8^*s<O RP(FV<ot [Zua7&( 5 DSnsi@Mi 变焦位置8：
JHMj4Zkp G-:DMjvN eM~i (]PY 畸变
:!#-k XBeHyQp 变焦位置1：
D ic(G[ Q2#)Jx\6! z?i82B[Tm JUXK}0d%eN 变焦位置8：
t71 0sWh{ &!_Ko`b8K rFmE6{4:p MTF
{`}RYfZ )<~b*^kl\ 变焦位置1：
m.4y=69 & q|6lw 74` 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
/e vh .S \[8I5w- 变焦位置8：
E*'O)) @%jzVF7 &0o&!P8CB vR`KRI`{ 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
,Wd yg8&. T*H 4 kM 相对照度
xW^<.@Agm
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
iI _Fbw8 变焦位置1：
2Nj0 Hqjq
t qER;L *X)OdU N
.SszZh 变焦位置8：
CBF>157B 3 Zbvf^ jUfc&bi3 主光线角度
yC _X@o-n
远心度都在1°以内
;PbyR}s 变焦位置1：
7%F9.h HWHGxg['r 8T2$ 0 \@80Z5?n 变焦位置8：
WM" I
r1 !X,=RR `zT uS&bfx2 总结：
5ax/jd~} 3XA^{&} 该变焦投影镜头所有指标已经基本满足要求，使用了13 片球面
透镜加保护玻璃。对于片数比较多但变倍比比较小的变焦镜头，直接用 ZSEARCH 搜索花的时间太长或者搜不出好的结果，可以先用 DSEARCH 搜索一个变焦位置的结构，然后用 ZFILE 把它变为变焦镜头再优化。
&-{4 JSII +^%F8GB 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
