概论
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e):
&pqA 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。
asb") NfIm _ ~r>C 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。
4f+Ke*^[RA pAYuOk9n 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。
*Zln\Sx juM ?y'A [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。
}5|uA/B q QQ~ [ JL 设计要求
mOBS[M5* ]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：
M~v{\!S < ?!#Q A I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
y~w$>7U. I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
}6\p7n 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
o Vs&r?\Z |1EM )zh6 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
cK" "Xz&m 6w' ^,V 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
u+N[Cgh s;L7
_.hH@ 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
SI\zW[IL +'l@t
bP 光学参数：
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) ＜1
Ha< (~qf :jA~zHO 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
Q% 6*S!~ 8ARpjYZP 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
N:0mjHG DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
m]85F^R0 ,JR7N_"I 5 gE AV?*r-vWL. 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
yzYPT}t 9G&l{7 = 搜索宏
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3 S Dw-k
KV Mm<]Z 3 *ZE`` 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
2$|WXYY SJL?(S* w zF"^CJ R/iXO~/"J 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
+<I>]J2 A@GyKx%x$ 0q81H./3 `CO?} rW 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。
dQt]r wj5{f5 RWV 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）。
3(X"IoNQ ]
`Q,03W#GJ% 1 aKY+4/G
变焦优化
% ZZ\Xj 8|gwH2 st~ 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。
! fY'^Ya? Z{|wjZb( JpN+ '/ .:E%cL
+h 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
y<MXd,eE }k$2 r 3 d(<[$ 3. sRqFsj}3e 得到结果：
JS} iNS'X *1|&uE&_R rF'q\tJDz J'W6NitMr 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。
YFeF(k!!n 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
!A qSG- j8P=8w{ SRyAW\*LWU -Z9e}$q$, 像差分析
>yiK&LW^?
查看畸变
XX+%:,G
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。
pkQEry &Z %8s$l'Q; ;.+sz(:hm |bA\>%~ 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
r Z%l?( M 0 8 A P YA 1
Yv\>\?865 S GIHT
eh` n?C M 0 5 A P YA .7
Tc$Jvy-G4A MUL CONST 2
\b6H4aQii S GIHT
c"~ +Y2]tL 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
4-1=1)c* 7M9Ey29f jInI% 5 o- WA1 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
8`M) r'5 06X4mu{ 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
.'aW~WR jOV,q%)^,: z$C}V/Ey _P,3~ ; 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
:@K 1pAh 4 M 0.5 2 A M YMTF 1 72
<2{g[le 专门优化这一条MTF。
DC+ p
s G*` Y~SJp cHP~J%&L 6_}&
WjU' 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
Q6% dM'fR Npq K+GO 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
I 8M^]+c 3M~*4 优化宏
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+9yV'd>U 再进行优化退火，50，2，50
NFsj
~6F# IHC
{2 ^ ?Pbh&! LlbRr.wL 得到最终结构：
x :dI :G U}hQVpP# cug=k f~a]og 5|G 各个像质结果：
tg5G`P5PJ RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
3Q;XvrGA xWR<>Og. 变焦位置1：
9IfeaoZZ4q T*pcS'?'
S1SsJo2\
基本参数
变焦位置1：
NRIp@PIF:" G a,+ s\/$`fuhx )b\89 F 变焦位置8：
}LYK:? _/ nI0TvB D
1 >)q 5D 畸变
k
z{_H`5. D^dos`L0b 变焦位置1：
R-[t 4BHn `%@| sK2 X7. "hGu@ Cr&,* lUo 变焦位置8：
/u &{=nU 1[4
2f# yUY* l@v] MTF
CQ;.}=j
, J !+)v 变焦位置1：
HE BKRpt { V K 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
P[q 'Y^\ aWg*f*2f 变焦位置8：
.+#<~Jv VV'*3/I zLt7jxx xQKRUHD 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。
D:Rr|m0Tk SJ0 IEPk 相对照度
{ BI5lvx:
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
1ZZ}ojq 变焦位置1：
P70]Ju | >
t,1T. L;%_r) 'O:QS) 变焦位置8：
$-*E D}i_#-^MH 6R=dg2tKT 主光线角度
}eLnTi{
远心度都在1°以内
N.1 @!\z@@ 变焦位置1：
]Oh8LcE#BF :i};]pR %p d-{KR kZU
v/]Y. 变焦位置8：
P/?' ea Z]^Ooy[pb =k0qj_ 总结：
\ )'`F;
P -F338J+J24 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。
tqYwP Sr aePLP 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
