概论
#vR5a}BAk hg `N`O 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。
d%1 Vby 6x@]b>W 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。
'f.5hX(Y J =#9eW 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。
!:D,|k \m Mi[,-8Sk [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。
y8|}bd<Sr I=8MLv 设计要求
8Kz H
- ]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：
b WB&8 &p ZB,UQ~!Yr I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
gf,[G bZ I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
{5T:7*J 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
3cFvS[JG y $?O0S%F 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。
fydQaxCN D mZ#IP 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。
J]&nZud` 2\[
Q{T=Qe 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
5=.mg6: M[&p[P@ 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
Wp= &nh 9sB LC Z 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%。
U9// m=_ p;vrPS 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。
h)?Km {u% DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
l @r`NFWD@ ^aL> /'Y#| A)f/ww)Q %U&ztvR0C 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：
ze#ncnMo V8z*mnD 搜索宏
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@<p9 O 0
MAG /7T5 &. "ltB 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
1++ Fs S!~p/bB[+I z%/<|`
7 +L}R|ihkI 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
x>[ gShAV! ?*U:=| 4_vJ_H-mO, El3Ayd3 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。
M_F4I$V4 9h^TOZK) 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。
f. U.( ]
l65Qk2<YC fH;lh-
变焦优化
!Y]%U @4} i8 (n( 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
eLo p}*k } 71 9_DF AKKVd%
P( -<q@0IYyi 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
8B7,qxZ wEbO|S+K1 )yv~wi uGS^*W$ 得到结果：
ZvW&%*k= G)y'ex k 8'mm<BV;sT
B*Q 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。
m:5bb 3 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
5lakP? '5SO3/{b %{";RfSVX% 0XrOOYmx 像差分析
vTYgWR,h
查看畸变
; WsV.n
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。
o|c"W}W )]m_ L$9 kpO+ ^]?Yd )v 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
05vu {> M 0 8 A P YA 1
m ?D k(DJ S GIHT
\G &q[8F\ M 0 5 A P YA .7
.2 STBh.; MUL CONST 2
R{Qvpd$y S GIHT
W|[k]A` 2
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
%Z6\W;
(n I'16- >R8eAR$N 9 mH+Ol#( 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
O(f&0h
! I45\xP4i 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
>d#6qXKAU [=I==?2`X r=pb7=M#LN < \S
j5 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：
xDBHnr}[ M 0.5 2 A M YMTF 1 72
{uMqd-Uu 专门优化这一条MTF。
}x}JzA +2 wa4(tM2 $5m_ )]w4a |MXv
w6P 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
Pxm~2PAm ;P4tqY@ 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
Z
]WA-Q6n #T8$NZA 优化宏
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M.R] hI 再进行优化退火，50，2，50
Nd4!:. W e*)RXm % -"e$ VB s%R'c_cGZ 得到最终结构：
)z#M_[zC> F
DCHB~D R 7 *ek_ r' ydjy 各个像质结果：
<\cH9D`dE RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
nu#_,x<LS 'qg q8 变焦位置1：
%Sdzr!I7* U'acVcD
R?Or= W)i
基本参数
变焦位置1：
21Bl Lz vYNh0)$%F /U%Xs}A) rn?:ut P 变焦位置8：
o[!g,Gmoh k&1 ~yW QAy9RQ0 畸变
zoV-@<Eh )ccd fSe 变焦位置1：
hFjXgpz5 [T.BK: ^Q?I8 ,4} -R;.Md_ 变焦位置8：
!Fz9\| t'EH_ U ;mLbJT
MTF
IPl>bD~=p 9J?G"JV? 变焦位置1：
{Z_Pry$6 ~qiSkG 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
;6} *0V_!k 8F<Qc*' 变焦位置8：
X~Li` %XqLyeOS I$neE"wW 9zkR)C 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。
<&o
`T4 XRI1/2YA 相对照度
}q( IKH\&
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
h(I~HZ[K&T 变焦位置1：
&:-`3J- 1Ly?XN S qx"?')+ NDRk%_Eu( 变焦位置8：
*Df|D/, WE [j5 ^Z b&0 VPf*>ph= 主光线角度
2 WIbu-"l
远心度都在1°以内
'lv\I9"S) 变焦位置1：
xnu|?;.}! n\ma5"n0=\ HFx8v!^5N UG+wRX :dA 变焦位置8：
?#\?&uFJ} ~2~KcgPsq r ! 5C3 总结：
AdB5D_ Ir ]P ->xJ 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。
QH4nb h4 "_C^Bc 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
