概论
6__K#r :".w{0l@ 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。
(u9Zk~)F a_{ 6Qdl 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。
uREu 2T2 <m]wi 7 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。
Vo >X p [e1L{ _*l
[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。
!W~<q{VTs J=9 #mOcg" 设计要求
L/ fRF"V ]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：
3e
73l H(&Z :{L I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
KuXkI;63J> I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
)$_,?*fq: 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
+v-LL*fa ;RHNRVP 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。
!.-.#<<_a c{4R*|^ 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。
"lrA%~3%[P PU Cx]5 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
tl^ m=(ZQ >{t+4 p4k. 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
nh0&'hA "-0;#&! 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%。
{ i;6vRr * <q4S(l 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。
W_}/ O'l{ DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
L;yEz[#xaT Xm@aYNV d1bhJK P7r4ePtLk{ 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：
eXG57<t ON km4g}~N</ 搜索宏
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Rsn^eR6^
}"4roJ P^zy; Qs7 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
{:)vwU e{ Mpm#GdT YxyG\J \|, wT/6aJoX 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
}e2F{pQ a.,i.2 M2p<u-6
" Pb4q`! 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。
t:T?7-XIE 4m /TW) 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）。
O9e.=l ]
j ug'g OL9]*G?F
变焦优化
SUu >6'LN *l-`<. 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。
`C g ^in\ pl \ b- U`1l8'W}:# \ JU{xQMB 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
w_3xKnMT\ xFwXW )
,CKvTxz0 zX~}]?|9 得到结果：
[Xh\m DU. ugxw!cj Qi:j)uDW Snx< ]| 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。
u>|"28y 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
T.2ZBG ~|[ 9[sG1eP! S.hC$0vrj UE;Bb*< 像差分析
1|/'"9v
查看畸变
!-RwB@\
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。
6RP+4c R9vY:oN% W>:kq_gT nuxd S , 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
^jOCenE 3 M 0 8 A P YA 1
3 Ta>Ki S GIHT
PI63RH8e M 0 5 A P YA .7
5qiI.) MUL CONST 2
SB1[jcJ S GIHT
m>YWxa 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
iokPmV gn`zy9PU "& Mou 6Hn)pD#U 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
B-dlm8gX
]V iOr8u 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
6V
P)$h8 ^9'$Oa,* 3cHtf xKb"p4k9d 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
gY%&IHQ' M 0.5 2 A M YMTF 1 72
4Cd#sQ 专门优化这一条MTF。
|!xpYT: 8T7f[? zLK\I~rU! gDv$DB8- 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。
B0"0_ n7- Jh^8xI,`C 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
)Oe`s(O@[I 0[i}rC9& 优化宏
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FT4l$g7" 再进行优化退火，50，2，50
ArL-rJ{} 5v3RVaq Z ZYDW v/u 5A,= vE 得到最终结构：
`I{ tZ$iD /W0E(8:C) =1/q)b ,p) '+6 <U[ L 各个像质结果：
#!L%J<MX RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
[G=:?J,P (M8h y4Ex 变焦位置1：
tO`?{?W7 }\VX^{ K j
mZE8.`
基本参数
变焦位置1：
Rhv%6ekI {!y<<u1 F: ,#? %}ixgs7*c0 变焦位置8：
+nzTxpcP@K ?eVj8 $BQo Mn{XVXY@qm 畸变
A'`P2Am s_v }=C^ 变焦位置1：
j<@fT
ewZ 58PKx5`D w_GLC%|7 (Wn
"3
] 变焦位置8：
?jFc@t*\: W}? s ^ wM0E%6
P MTF
.c03}RTC^ }I)z7l. 变焦位置1：
4Lw'v: ( i j!*CTG 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
g/!Otgfu BPqw Dj W 变焦位置8：
L*v93 ;|s K]9tc) (c< f<D| T* 8_FR < 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。
&62` Wr 0C [C2kK *JZ 相对照度
7Y)s#FJ
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
dw3'T4TC? 变焦位置1：
"`[ $&:~ \k 4M{h6 6z PV'~q sC 9- +} 变焦位置8：
Ty.drM ~ J %m 4sI3(z)9H 主光线角度
Up'."w_zE
远心度都在1°以内
{;\% !I 变焦位置1：
-GK 'V B
JU*`Tx A
xRl*B qq/_y t 变焦位置8：
[ O [FCn O-?z' @5cI UQSX<6" 总结：
s !NisF
"i}Z(_7yr 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。
7G?I a%u )ynA:LXx 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
