概论
l)|lTOjb =ApY 9` 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。
Pes =aw dgc& [
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。
T.Zz;2 I %z)EO9vtr 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。
EXbTCT}`x i21QJ6jPcI [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。
z7=fDe
- WU\m^!`w=F 设计要求
LDQ
e^ ]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：
z8iENECwj 8
/m3+5 I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
n ;OHH{E{ I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
hqW$k w 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
1N.tQ^ +x]e-P % 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
^5x4 q shK &2Noan 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
eH[y[~r A- 0m8 < 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
9::YR;NY .v
l="< 光学参数：
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) ＜1
7'UWRRsxUF ca}S{" 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
Q9q 9<J7j$ 0 r3N^_} 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。
!F, s" DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
n|Ma&qs Cha?7F[xL dw99FA6 qAvvXs=5 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：
9BurjG1k? g QCC>8 搜索宏
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TP^\e_k
x"!#_0TT} h %|9]5(= 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
C64eDX^ {{GHzW {cX7< 7N +E `063 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
0= gF6U 7TR' zW2W
*X0K2| tT E3H_ 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。
xQZ MCd ,at-ci\' 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）。
F BE @pd ]
.v$ue` ^JiaR)#r
变焦优化
mp muziH GF 9ZL 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
t >m8iS> @m } rQT {Nzmb|& hVROzGZk 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
;e`D#khB p]X!g l; .[W| 0W!V V=j<} 得到结果：
Q'>_59 eYnLZ&H5O KzxW?Ji$S !W (/Y9g# 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。
9}? 5p]% 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
tF{{cd
R.^Bxi-UG: z|oA{VxW> WzNG<rG 像差分析
Y2ah zB
查看畸变
}V93~>
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。
+c~O0U1 kV]%Q3t U?+3 0{hb A[wxa 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
={wjeRp M 0 8 A P YA 1
c@"i? S GIHT
oe RYyJ M 0 5 A P YA .7
^$Me#ls! MUL CONST 2
B 7x"ef S GIHT
XO8 H] 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
m+G0<E%
4 I]/ Hme@9(zD. o@Cn_p^X 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
gE]a*TOZk 6A{s%v H 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
)H=[NB6J8 c^q O@%s P^d . , Ltq*Vcl\ 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
/=O+/)l` M 0.5 2 A M YMTF 1 72
^FpiQF 专门优化这一条MTF。
i}&mz~ bI6 V &Dd hG0lR.: &@.=)4Y 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
HT;QepY3 7n3x19T 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
'-1jWw:8 j2v[-N4 {J 优化宏
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k-Hfip[ro 再进行优化退火，50，2，50
' _yk_[/ 1'._SMP yl]Cm?8 J$=b&$I( 得到最终结构：
n <(5B|~y " u$ ]q1S mDt",#g
rgY?X$1q_ 各个像质结果：
}n&JZ`8<s RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
{] ^%?]e #mF Al|O 变焦位置1：
.Y Frb+6 V?=zuB?'
a9q?9X
基本参数
变焦位置1：
)k<~}wvQ0 sf&K<C]( IXk'?9 EN F@6] 变焦位置8：
}[R@HmN M/`z;a=EP |4*2xDcl 畸变
5v-;* G6ES ] 变焦位置1：
R$,iDv.jI ,]N%(>ot > <[ . ?4||L8j2^ 变焦位置8：
?mUu(D:7D *X 55:yha C+IE<=%F MTF
!d@`r1t $7
Uk;xV 变焦位置1：
85~h+Q; j %0_!*#3 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
x5Pt\/ow c324@o^V 变焦位置8：
0PbIWy' }&hgedx BC[d={ _- + # >%bq x 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。
U.0/r!po UL"3skV 相对照度
RN| ..zml
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
&4FdA|9T 变焦位置1：
mf' 1.{ R/YL1s 9Q1GV>j>B KYW1<Wc p 变焦位置8：
,~iAoxD5jY v[
'5X ;~;St>?\R\ 主光线角度
\LXC269
远心度都在1°以内
2ow\d b 变焦位置1：
.>&fwG Q(3 x"+ U:e9Vq'N m ,oe{@ z{*@ 变焦位置8：
lhTbg M BI] t}7 G 9q0E| 总结：
OpE+e4~IF )O
Cr6UR 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。
uBgHtjmae
KRe=n3 1 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
