概论
WM y97*L< 3On IAk3 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。
J |*Z*m $+(Df|) 成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力，如 CCTV 监控镜头，红外探测镜头，摄影镜头，双筒
望远镜等等，镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件，放大缩小或局部特写，这是一个定焦镜头所无法完成的。
9%fd\o@X '{]1!yMh 所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。
n(X {|? /V'^$enK!} [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。
=BD} +(3 R&oC9< 设计要求
tW<i;2 l ]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：
] 5(T{ JFAmND;+ I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
7#
>;iGuz I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
(EW<Ggi 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
u&4CXv= `Fn"%P! 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。
FHz tF$Z t "y[ 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。
sk ' < K5~ #h,7dz.d 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
WP( +jL^- lKVy{X 3]* 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
nsT]Yxo%M 3k YVk 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%。
oJ\ )-qSf oZM6%-@qi 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。
$qz(9M(m# DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
yH`4 sd /"~ D(bw0= 4Vv~ By3y.}'Ub9 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
P:~X az\F 4)]w"z0Pc 搜索宏
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01N]|F:
Gp 8%n z@ 70{* 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
Tbf@qid e hMcSB8 ? =J@M, mbHg j @w+>h 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
=1!,A V gh;w-a uj8G6'm% J A=9EnTU 设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
72i ]`
Cx
N]fo 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。
|)%]MK$; ]
/ 5x~3~ d3nx"=Cy0I
变焦优化
<V> [H7 O~p@87aq 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>7@N:5 d]3c44kkK{ FWi c/7 W^o* ^v 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
4jWzYuI&J \IL; }D{ E$u9Jbe ,^Cl?\9" 得到结果：
M x-? & 96V@+I G<F+/Oi&DX `&3hfiI} 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
/]xu=q2 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
|*G$ilu 9EPE.+ns YsX&]4vzm k`j>lhH 像差分析
Fi7 G S;
查看畸变
p"xti+2,
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。
P^lzl:| tQ,,krw~ +*I'!)T^B U~;Rzoe)q* 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
a {4Wg: M 0 8 A P YA 1
Fwu:x.( S GIHT
6%j v|\> M 0 5 A P YA .7
d9 j+==S
< MUL CONST 2
uG5 RE S GIHT
O^Y}fo' 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
%=ZN2)7{ 8+7n"6GY2/ h20< X ; G }2DZ=&>' 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
}3b3 ^f Moldv
x=M 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
Bz VF!<! : ~R Y /Zzb7bHLK UQ7E7yY# 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：
i)@IV]]6yL M 0.5 2 A M YMTF 1 72
fZq_]1(/uP 专门优化这一条MTF。
gv6}GE ak SUk)}e 0h3 -; % tny^ sG/' 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。
hc2AGeZr $!'S7;*uW 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
Gp l @4O;dFOQ) 优化宏
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4 !q4WQ ; 再进行优化退火，50，2，50
~x(1g;!^ vp[;rDsIJ$ ` <?{%ja *X_-8 ^~ 得到最终结构：
4s: S_Dw h/LlH9S:! ?k 4|;DD ,k9@%{4 l 各个像质结果：
2 cB){.E RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
A89n^@ XEUy,>mR 变焦位置1：
i"B q*b@ 1#Ls4+]5
J{69iQ
基本参数
变焦位置1：
D*nNu] |j Au=9<WB%H , GU|3 odPdWV,&* 变焦位置8：
y8HwyU> E7CeE6U +,g"8&> 畸变
FX
yyY-(O hx5oTJR 变焦位置1：
YKWiZ nt5x[xa `R\nw)xq HCCEIgCT 变焦位置8：
& az
:YTq 5PRS|R7 Ir,3' G MTF
(C&Lpt_ 4PcsU HR 变焦位置1：
N Dqvt$ }+m")=1{ 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
Dp8`O4YC Cj +{%^# 变焦位置8：
/A4^l]H;+3 {,9^k'9 b@> MA ^^;#Si 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。
v90)G8|q h(>eHP 相对照度
y$Y*%D^w
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
Twi7g3}/jB 变焦位置1：
$ Ith8p~ &yabxl_ C||9 u}Q< >Av[`1a2F 变焦位置8：
q b[UA5S\` zZhA]J nG~#o 主光线角度
`a + "[%
远心度都在1°以内
Z=|NoDZ 变焦位置1：
jfOqE*frl! G% q^8# r2xXS&9!| 1[ 4)Sq? 变焦位置8：
Y+kfMA v W[R^5{ k` aQTISX; 总结：
^{m&2l&87 pVa9g)+z} 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。
DDwj[' R /E32^o|,> 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
