概论
m YhDi c /(Dg$DbX 成像镜头包括定焦镜头和变焦镜头，我们在日常生活中使用的
光学系统大多是可以变焦的，比如手机镜头、专业相机的镜头、显微镜等。
z`]:\j'O3" CXi:?6OG 成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力，如 CCTV 监控镜头，红外探测镜头，摄影镜头，双筒
望远镜等等，镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件，放大缩小或局部特写，这是一个定焦镜头所无法完成的。
DKl\N~{F IhK%.B{ dZ 所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。
GAh\ 6ul koj*3@\p/ [由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析
优化方法。
F C=N}5u ~ D/1U)kt 设计要求
aQj 6XG u ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
~O3VX75f ]BmnE#n& I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
[ o
6 I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
%e+*&Z', 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
?H8dyQ5" jk% H+<FU` 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
uaha)W;'9 ]Z [0xs 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
GB)< 5I G P`sOPr 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
]Z*B17// /! * =* 光学参数：
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) ＜1
LFvZ 7M\\ Z !l]v.S 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
VaO[SW^ U/h@Q\~U 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
A}_pJH DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
8K&=]:( f#gV>.P;h\ ZM [Z9/S8 S[N9/2 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
x]t$Zb/Uxa 6wZ)GLW[ 搜索宏
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`X<a(5[vV3
Q2*
~9QkU S7~HBgS< 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
z8xBq%97us [c v!YE NnaO!QW% T>J ,kh 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
,
Y lS "CZv 5) >=.3Vydi1 F 6C7k9 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。
,RP 9v* @ 'U`a4 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）。
U=5~]0g ]
z" ;(0% "F4 3q8 P
变焦优化
}{Ra5-PY xC}' "``s 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。
@jrxbo;5 G2-0r.f ^ dE[ ; O- LwX
> 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
&>QxL d# ^Y5I OX: wSPmiJ/! s)KlK h 得到结果：
34nfL: y 7PBE( d%m bm4Bq>*=U Wu(^k25 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。
ZSyXzop 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
t*H|*L#YR kk4+>mk }X/YMgJ A}&YK,$5ED 像差分析
'GiN^Y9dcc
查看畸变
sg49a9`8
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。
DiTpjk ]c` #f/4%|t: B692Mn v~jm<{={g 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
*c&OAL] M 0 8 A P YA 1
u0G
tzk S GIHT
}xi? vAaTl M 0 5 A P YA .7
'J5F+, \Ka MUL CONST 2
-Fu,oEj{* S GIHT
X.[bgvm~C 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
5 6.JB BZZ X( rXRP# Z
P6 p>?DQ udIm}jRA" 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
b18f =<# kWy@wPqms 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
`wU['{= +R HiX!PG ccPWfy_ #s15AyKz5 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：
ksueP MIK M 0.5 2 A M YMTF 1 72
_~ei1
G.R 专门优化这一条MTF。
NH}o`x/ ^bl w\;LB e*PUs |YyNqwP`, 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。
^_DwuY S.1>bs2 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
&z:bZH]DH q*`
m%3{ 优化宏
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|UMm>.\' 再进行优化退火，50，2，50
cSV&p| ]4 c+{ >dm9 YfQ #{J~
km / 得到最终结构：
$,U/,XA
{E L3xN#W;m7 -)')PV_+ \gP MYMd 各个像质结果：
(PGw{ _ RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
y2 s(]# 8 <4vCx 变焦位置1：
w?|qKO / (hTk&
rXD:^wUSc
基本参数
变焦位置1：
_u$DcA8B 5 D^#6h 4 rM
A%By^L- M57<e`m 变焦位置8：
Ti_G w->Y92q] X 5
or5v 畸变
$o5i15Oy. n~|?)EL 变焦位置1：
.9B@w+=6 Zf!Q4a" zs
I?X>4 &Y=~j?~Xm 变焦位置8：
M`'D D-Q s <!G2~T "%^_.Db>| MTF
H(76sE 8YlZ({f 变焦位置1：
H2:
Zda# ;#v3C; 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
8o%Vn'^t MT>(d*0s 变焦位置8：
*m <[ sS ,>6a) 2xh TA*}p=?6?! ^\O*e) #* 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。
}>BNdm"Er W1"NKg~4 相对照度
a}NB6E)-
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
qfJ2iE|o2. 变焦位置1：
8el6z2 Fik ;hB X(BxC<!D. )yig=nn 变焦位置8：
%4!^AA% _dk[k@5W{' QEt"T7a[/ 主光线角度
Y2l;NSWU
远心度都在1°以内
nn:'<6"oV 变焦位置1：
R~a 9}& MhHh`WUGh fWEQ vQ FNLS=4 变焦位置8：
AeEdqX) !^F_7u@Q "A
Bt 总结：
Lwi"K8.u
hq {{XQ 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。
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mA T<Xw[PEnP 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
