概论
lHBk&UN' zkXG%I4h 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。
7q>WO nYJ)M
AG@ 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。
DGl_SMJb uFDJRQJ< 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。
!Pf_he TFbMrIF
[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。
5CZi i=@ }Yt/e-Yg%r 设计要求
*ip2|2G$ ]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|PK) I p2 N;- I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
X / I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
eRk vNI 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
]i ewukB4 c:0nOP 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。
5;wA7@ +H5= zf2 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。
`+_UG^aeW -POV#1s 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
\2(Uqf#_ A`Vz5WB 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
gPO,Z T8&
kxp 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%。
VG*Tdaua~ $2Y' [Dto\ 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
( H/JB\~r DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
3+mC96wN 3.M<A Te^ lP *_dt 9 %$/t`'&o- 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：
7%C6hEP/*W H79XP. TtE 搜索宏
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iaAVGgA9+
'_& Xemz D_oGhQYY4 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
cn&\q.!fh Wk$ 7< gkr +uMOT#KjR j4j %r( 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
Ws"eF0,'Z ?N 2/;u> ~kUdHne ( R)% Jr.U 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。
EoM }Co yyke"D 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）。
H)&6I33` ]
%?K1X^52d N S*e<9
变焦优化
dI'cZt~n =Nn&$h l 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
Ox ;q +5 o<@b]ukl& cI)T@Zg_o+ _"
0VM > 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
Hn"xn79nc ^R.kThG #g,JNJ} 40cgsRa| 得到结果：
|:_WdU"Q] MxMrLiqU6l "L^Klk?Vn :7&#ej6 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
!e?;f=1+E 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
jQjtO"\JG N yT|=`;
,L ;ueAo P?%kV 像差分析
u/?s_OR
查看畸变
xE(VyyR
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。
7kmU/ (8 k2 Yh?OH n_5m+
1N o~7 ~S 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
-QR&] U+ M 0 8 A P YA 1
MONfA;64/ S GIHT
2\h]*x% : M 0 5 A P YA .7
n(^{s5 Rr MUL CONST 2
S#+Dfa`8X S GIHT
9-)D "ZhLe 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
&oJ = rj zRZ L{fKZ ~\A(xm W} 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
JjarMJr| D {KJ !rT 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
f\+MnZ4[Qj E!.>*`)?. rUjK1A{V SP][xdN7 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
f\CJ |tKX M 0.5 2 A M YMTF 1 72
ER0nrTlB< 专门优化这一条MTF。
rlSar$ ^Glmg}>q sE87}Lz |^jl^oW 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。
0ut/ ' )[ ^`ah\L 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
$$7Mq*a> qW8sJ= 优化宏
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` #Qlr+X 再进行优化退火，50，2，50
rE wEdyK 61e)SIRz9I TVVL1wZ A&%vog]O 得到最终结构：
_t[RHrs vR$[#` X o HqBNTyH )cnH %6X 各个像质结果：
Y r6wY s(% RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
E ,5XX;| K=|x"6\ 变焦位置1：
o'Q"
Fj? Q4_
E^kB|; Ki
基本参数
变焦位置1：
K|Sh
! #l> +9 &AR@5M u 0mcZe5RS 变焦位置8：
\.c =7{n 2 C3EQz r` 畸变
"G. L)oD d:08@~# 变焦位置1：
fFu +P<?" R4 2+^'af U .?N
] %A mX-U 变焦位置8：
QWL$F:9: ; S
Re` gaFOm9y.e MTF
o+{]&V->gN N l~' W 变焦位置1：
J~.8.]gXW /) 6+I(H 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
{4B {~Qe; F@ Sw 变焦位置8：
NDsF<2 A4
bT(} =j klkshlk d |~)!8N.{ 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。
AQAZ+g(IK '3B"@^] 相对照度
R@ksYC3 F
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
N %;bV@A9 变焦位置1：
)4h4ql W Er@ 'X0n {yXpBS L\)GPTo!x 变焦位置8：
IIj
:\?r pB o=omQV 3a|I | NP 主光线角度
#)A.yK`u
远心度都在1°以内
eI20)t`j 变焦位置1：
*@; Pns]L- KK-}&N8 2c)Ez? &E& _Z6# 变焦位置8：
_]oNbcbt( _x +)Tv B!J~ t8 总结：
X
?
eCK, iX]tL:,~i 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。
_k'?eZB x:wv#Wh:l7 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
