概论
|y*c9 @VI@fN 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。
SX#&5Ka/ Ul# r 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。
[>9is=>o. ->jDb/a{C 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。
9M ]_nP Y A}w/OA97RO [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。
iDD$pd,e\
b2*TgnRq 设计要求
yk J>*z ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
+,l-Nz 3U}%2ARo_ I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
; @X<lCk I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
06jQE2z2R 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
^^Vg~){ 4 g{LP7 D;6 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
Mfk Z A(X KyEx 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
~G w*r\\+ #z42C?V 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
"jCu6Rj d ,//S`j$S 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
0 "#HJA44 vD4*&|8T# 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%。
Zd& S @Z P
{'b: C 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。
D'4\ *4is DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
tp|d*7^ i 31)&vf[[ JS77M-A c W l4%GB 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：
>sbu<|]a
7
8Y?;x} 搜索宏
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s^SJ Y{
pot~<d`:K" (.,G=\! 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
N g,j# w
= KPT''! GthYzd:'hJ adw2x pj 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
4P0}+ 0YHFvy) 2pAW9R#UV- W!<U85-#S 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。
&{i{XcqH' ; rS{: 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）。
SA z ]
aDCwI :Li( I_BJH'!t
变焦优化
W>LR\]Ti@ r
:dT z 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。
bZ6+,J &wX]_:? T;#FEzBz uw7zWJ
n 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
-Y E^zzh 54/=G(F =Sv/IXX\di YS ][n_ 得到结果：
ctUp=po `x|?&Ytmf9 W%J\ qA A=4OWV? 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。
5X+A"X
; C 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
qb4z
T xkn;,`t^lJ BuwY3F\-O DrQ`]]jj7 像差分析
T;uX4,|(
查看畸变
u&NV,6Fj2[
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。
Q20 %"&Xp] _g. {MTQ $u.z*b_yy 1"g<0
W 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
xfQ1T)F3g M 0 8 A P YA 1
AR= ]=8 S GIHT
$C\BcKlmv M 0 5 A P YA .7
ZW}_DT0 MUL CONST 2
5m*,8 ]!- S GIHT
Vc2`b3"Br 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
nK,w]{<wG! 9gFUaDLo =}*0-\QG Uv.)?YeGh 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
HDLk>_N_s, 1qch]1
^G 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
grYe&(`X r,udO,Yi=c 6 p zS p yw!{MO 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
E3i4=!Y M 0.5 2 A M YMTF 1 72
w &(ag$p ' 专门优化这一条MTF。
_^;Z ~/. FtZ?C@1/ T |p"0b A ""H?gsL[ 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。
"{n&~H` 9F vF hY 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
G"6 !{4g zTp"AuNHN 优化宏
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/,dz@ 再进行优化退火，50，2，50
j6YOKJX yr6V3],Tp <[phnU^
8 @oNXZRg6 得到最终结构：
[ }:$yg y(&Ac[foS} Z.WW(C. d1*<Ll9K 各个像质结果：
TV:9bn?r) RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
n?Q|)2 2 >7FHo-H/T 变焦位置1：
2T1q?L?] -} +[
2/f}S?@
基本参数
变焦位置1：
CAe!7 HiR z{6Z
11| omF z@ ?5p>BER? 变焦位置8：
> usL*b0% @L`jk+Y0vF , _P-$lB 畸变
O< I- fOHxtHM 变焦位置1：
b LL2 3
{V>S,O3] KXrjqqXs "|NI]Kv 变焦位置8：
=*Lfl'sr_ Fcx&hj1gQ [K Qi.u MTF
C^){.UGmJ I'Hf{Erw 变焦位置1：
~~.}ah/_d b$7 + ;I; 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
{vj)76%y YR70BOxK 变焦位置8：
NHt\
U9l' 5(2;|I,T "7
yD0T)2 7=uj 2.J6 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
DDZ@$L! q )GdD== 相对照度
^Pf WG*
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
m~|40) 变焦位置1：
[UR-I0 s!/ JJnH%Q Q59suL W)/#0*7 变焦位置8：
YUb_y^B^ @WhHUd4 s <b.D& 主光线角度
TC('H[
]
远心度都在1°以内
Sdo -nt 变焦位置1：
s" |Pdc4 LeQjvW9y x; S @bY :s,Z<^5a)g 变焦位置8：
SM '|+ d
G*m 0\ 965 jtn 总结：
|)&%A%m 4*L_)z&4; 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。
D9df=lv
mD +vH4MwG$.& 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
