概论
^o6&|q e5.sqft 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 I)hd z eop7=!`-~~ 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。
ao)8ie 3!KEk?I] 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。
r#' E;Yx }h `ddo [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。
\dc*! Es nL-kBW Ed> 设计要求
W &Gt^5 ]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：
dRnO5
7+{ \jTh bCb I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
BvV!?DY4 I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
!3Me
6&$O 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
TP&&' 4?D1 F6 c1YI[ 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
O_ /|Wx P0^7hSo 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
,O ]AB !7 fVO2m T 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
LuW^Ga"E 1q;r 4$n 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
K
yFR;.F- (J/!9 NS: 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%。
G .k\N(l Z:s:NvFX 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。
WL/9r
*jW DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
b_j8g{/9 |F^h >^
x AIa#t#8${ n"c3C) 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
-z$&lP] 0I@Cx {$ 搜索宏
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JPfE`NZ
ck 4g=QpD{ O/2Jz 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
sOLR *=F{ PFnq:G^L s.G6?1VXlY f.y~ Sew 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
K+s
xO/}h w_e UU)z |;6l1]hk6 !u=,b fyH 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。
z("Fy vswBK-w(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）。
2DbM48\E ]
gC qQ~lWZ H0 .,h;
变焦优化
E)7ODRVbl :},/ D*v 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。
F"M$ "rC] nmrYB w> ,dIo\Lm N$SJK 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
Du2v,n5@ @Ui dQX"b kwd)5J Y2,\ WKa 得到结果：
T{%' "mm; /4Lmu+G4 B =`"!?we %d\|a~p: 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
gwepaW 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
p-t*?p
C -'OO6mU N%.D j H 1"82JN|! 像差分析
[o,S.!W8
查看畸变
WrGz`
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。
*t+ E8)qL 32sb$|eQq uF=x o`=| }w)`)N 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
%aszZP M 0 8 A P YA 1
E0i_sB~T S GIHT
!cWnQRIt_F M 0 5 A P YA .7
mxRe2<W MUL CONST 2
-^JGa{9* S GIHT
Xkv+"F=- 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
6/#5TdJA Q4;br ?2H Mwdw7MZ"S [n_H9$ 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
-~HlME *~f drQioH- 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
YTco;5/ U "qO&;m X; gN[ dIo|i,- 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：
pw7 _j;}l M 0.5 2 A M YMTF 1 72
L^`oJ9k ! 专门优化这一条MTF。
adJoT-8 P6 79^on8 k} }<wj~f([ pP'-}% 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。
I k#>6 _]=` F
l 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
a`w)awb Te {L@sj 优化宏
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bz~-uHC 再进行优化退火，50，2，50
QsmG(1= iDO~G($C DOXRU5uP3 Oed &B 得到最终结构：
NRKAEf_#w c3lfmTT6^ S)"5X)mq n^/,>7J 各个像质结果：
;e0>.7m RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
MjI}fs< ` ,(1' 变焦位置1：
<EI'N0~KG O'."ca]:5
|k'I?:'
基本参数
变焦位置1：
uF T\a= ^;YD3EZw 'q[V*4g T^GdN_qF 变焦位置8：
>t8eVMMa B`hxF(_p/ y|KDh'Y 畸变
f|VP _o< "0L@cOyG 变焦位置1：
$^7 &bQ d*3R0Q|#{ i=2+1 ;K CWkm\= 变焦位置8：
B0 Z~L){i O!f* @ Ro:-u7q MTF
wCvD4C.WH rI]:| k 变焦位置1：
l}AB):<Z xs &vgel> 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
n ?,fF( 9/s-|jD 变焦位置8：
v2@M,xbxF: JmY i& I )B2Z(<Q 00pHnNoxW 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
n?
s4"N6 >8NQ8i=]V1 相对照度
tOko %vY8
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
nMc-kyl{ 变焦位置1：
t%dPj8~ GV[[[fu :,VyOmf kD; BwU[ 变焦位置8：
R a*9d]N@ \aW5V: ? qbAoab5 3 主光线角度
Tf0#+6 1>
远心度都在1°以内
Y2$ % %@ 变焦位置1：
E_ y h 9lk @/7Rp8Fr .HtDcGp \R#XSW, 变焦位置8：
=C:0 ='a OQsH,' |]]fcJOBP 总结：
H+ 0 * JqZ%*^O 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。
]CL70+[^9 G/`_$ c 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
