概论
YI@Fhr
&NU ]'h; {;ug 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。
8C7Z{@A&# `i fiL 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。
y%cO# P @ x0Z5zV9 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。
}roG( 1-VT}J( [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。
O#_b7i JTW)*q9a 设计要求
6`\ ya@ ]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：
2]WE({P P Sx304 I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
\Fb| {6+ I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
R_kQPP 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
i8PuC^] =Ho"N ` Qy 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。
)=^w3y nII^mg~ 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。
lE5v-z? &| }Je>;{&% 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
23ze/;6%A H0*,8i5I 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
#"f ' 7'TE kB
P *K 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%。
)qU7`0'8 MI#mAg< 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。
vqNsZ 8|` DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
Y+-xv x
: E4[}lX} BNu cc'] +K$N AT 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
%[QV,fD'E S h4w qf 搜索宏
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Xb XA+ey 6
lU2c _4 d- E4~)Qy 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
oC |WB S E ]} n( Nt -<W+, &KC!*}<tx 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
N Pjv)TN}3 t+TYb#Tc my.`k' slW3qRT\k 设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
V'gw\mcb \wav?;z 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。
! 1sU>Xb4J ]
-9Ws=r0R 8c xai8
变焦优化
ANM g k#JQxLy# 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
0Z I(/r saZ>?Owz nCxAQ|P? ;N=G=X|} 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
,L YFEq_ HgRwi It :+& AY2` # Gf +=G 得到结果：
ljJ>;g+ =U-r*sGLN TH1B#Y#<J yJJ4~j){l 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
HZ"Evl|n 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
o'V%EQ QLq@u[A ^ @=^;nB ^4$ 'KIq 像差分析
4sF v?W
查看畸变
2j&@ p>
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。
${&5]!E[>D i%{X9!*%TX e$/B_o7( 15H6:_+=0 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
Y: QD M 0 8 A P YA 1
mxG ]kqi S GIHT
/.Jb0h[W1 M 0 5 A P YA .7
'/%zi,0 MUL CONST 2
' [0AH M S GIHT
Qo0H 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
Q5+_u/ ]Yyia.B c+' =hR[ D &:yMp( 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
Bx~[F =_TaA(79 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
d5 j_ 6X Ukphd$3J= Sr.; GS5i x8#ODu H 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：
u= l1s1> M 0.5 2 A M YMTF 1 72
pd@; b5T 专门优化这一条MTF。
5F $V`kYT ra7uU* >v5k{Cbp0 u:gtOjk2 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
fZWGn6$ 5i So8*9} 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
A2H4k|8 F@<0s&)1 优化宏
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b'@we0V@S 再进行优化退火，50，2，50
M^ma dx6` f^<6`Aeq Owv +1+B '_0]vupvY 得到最终结构：
sKaE-sbJY s4= "kT] c9Es%@] SS.jL) 各个像质结果：
rnm03 '{ RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
MQ/
A]EeL Q[ieaL6& 变焦位置1：
v Y|! &~DTZg Y
% g"eV4 j
基本参数
变焦位置1：
6)gd^{ Z0,~ V j8 ,n7!G f6=w3RS 变焦位置8：
?:rx1}:F +{`yeZ9S 7Hw< ojkt 畸变
) |#%Czd4 L):U"M>]= 变焦位置1：
*gsAn<
KU&G;ni 2 @$@mqHI} y>VcgLIB 变焦位置8：
/i|z .nNO Tp%(I"H'_; vFmJ;J MTF
l0 ] d }k$4/7ri 变焦位置1：
FcbM7/ m@xi0t 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
0Ce]V,i6C> 7hNb/O004 变焦位置8：
7LZ^QC B33$ u3d cSP*f0n,eo M++0zhS 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。
l3i,K^Y L _uxPx 21g} 相对照度
"AueLl)
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
.q`{Dgc~ 变焦位置1：
;1AG3P' A]`:VC=IU `\ $8`Zb; ` |e!Kq?#Q 变焦位置8：
H:&?ha,9 UV7%4xM5v h#YD~!aJ 主光线角度
~XM[>M\qB
远心度都在1°以内
T8 J4C=?/ 变焦位置1：
FVWfDQ$&v N0TeqOi4Y 5OLQw(E q ojXrSb"y 变焦位置8：
x!TZ0fq0 ]Tp U"JD )6oGF>o> 总结：
hXL|22>w< Ws[D{d S/ 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。
U..<iNQE5 h^|5|l 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
