概论
N|%X/UjZ2. {I/t3.R` 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。
w~3z) ; ;(rK^*`fO 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。
H`,t "I f?TS#jG4} 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。
X ePGOw))O
`)>}b 3 [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。
8\G"I xyHv7u%* 设计要求
,hZ?]P& ]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%5"B} nG o*3\xg I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
B>[myx I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
EHfB9%O7y 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
DT_ %Rz~< pLM?m 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。
Lj/ ZH`(n5 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。
`/9I` < y a`zHx3 Yg 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
eIOMW9Ivt $W9dUR0 光学参数：
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) ＜1
g1 =>u R,fAl"wMu 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
^>^h|$ 8U n0<+b 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。
6!8uZ>u%Vg DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
""m/?TZq' ,t!I%r Oc-ia)v1G 2 4 sQon 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：
6R*eJICN +:W? :\ 搜索宏
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Wz #Zk NO
,!X:wY}dW o6:@j#b 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
i^8w0H<-@v . .w$p-1 &*oljGt8 xe9\5Gb} 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
}h* j {b, S waMpNXL ; , 7m Lhrlz,1 设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
shO4>Ha Cq3Au %7 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。
1~j,A[&|< ]
@jq H8 Z-y oJZi
变焦优化
g4{0 0_,un^
修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
1:_}`x=hM 4q(,uk&R[ uo*lW2&U d,Oe3?][0p 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
{Z1-B60P iRqLLMrn t~.^92]s| jo<Gf 5 得到结果：
#WGy Q u Do5{t'm3 .y0u"@iF ;iJ}[HUo 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
kBY#= e). 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
3>=G-AH/$K !3o/c w9 P7REE_<1 &B++ "f 像差分析
um\A
查看畸变
]7RK/Zu i
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。
9*Fc+/
bjN"H`Q )Y"t$Iw" | !1iLWQ 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
FI)0 .p M 0 8 A P YA 1
'#~Sb8
S GIHT
V8b^{}nxt M 0 5 A P YA .7
1F+nWc2 b MUL CONST 2
#qJ6iA6{ S GIHT
}uO2 x@ 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
pW>.3pj ;!OME*?m< I*mBU^<9V ,4}s 1J# 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
+eop4 |Z \lyHQ-gWhc 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
<l>L8{-3 ?ZkVk =t? pB n;:
'C;K Nc 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
-qLNs_
_k M 0.5 2 A M YMTF 1 72
k9c`[M 专门优化这一条MTF。
e`)zR'As Tc|+:Us y G {a;s-OA3 Rn{X+b. 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
W;U<,g
' qSaCl6[Do 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
/)rv Ndn XH Y,;4 优化宏
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'[b w7T 再进行优化退火，50，2，50
pwF])uf*{\ q\~D:z$+CO Qr?(2t# 7'@~TM 得到最终结构：
Ju.T.)H lH"VLO2l uiWo<}t}{ SW Hi iF@ 各个像质结果：
:K!L-*>A9 RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
KnK\X>: b'RBel;W 变焦位置1：
3v)``
n@ ?Uhjyi
"2T* w~V&y
基本参数
变焦位置1：
@^HZTuP2; ,rh NXx <V# ]3$(S vQ{mEaH 变焦位置8：
kQrby\F(<
"b`3 vnX~OVz2 畸变
5g 2:o^ _ n4 C~ 变焦位置1：
mf2Qu }jg,[jw_"X Qaiqx "x3 *bi;mQ 变焦位置8：
T`Xz*\}Zb kB-<17 i"{znKz vD MTF
q]y{
4"=5 >a: 6umY 变焦位置1：
hP
jL AQ,%5MeqJ 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
Wix4se1Ac Lvn+EM 变焦位置8：
` ) ~C T ?C_Y2JY :A,7D(H| XZ|\|(6Cc 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
1*B'o<?P1 ,go$ 6 相对照度
Wk]E6yz6
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
,){WK|_ 变焦位置1：
t>"|~T$9 @u8kNXT;h <{. pY rn 4o( Q+6m 变焦位置8：
x |3G}[= $X rX(l5 S2$r 6T 主光线角度
44UN*_qG
远心度都在1°以内
cUU"*bA# 变焦位置1：
=#vU$ ~a smuQ1.b sQT<I]e g"D:zK) 变焦位置8：
vH]2t.\ }kk[l vhJ }9L;|ul6 总结：
<rNz&;m} K )9f\1\ 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。
2O0< /^Z%E *BQy$dfE 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
