概论
[$; \1P/ hw[ jVx 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。
97"dOi!Wh LW?Zd= 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。
Hya ";' QF^ _4Yn 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。
~ou1{NS Be"Swz(n [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。
zqEMR>px P'o:Vhm_H 设计要求
cSdkhRAn ]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：
oK3uGPi
bu`8QQ "C I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
En@] xvE I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
/4 zO 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
yX: A?U "=~P &Mi_ 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。
*We.?"X']. 3/ sKRU 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。
|| |uTfrJ a`}b'X: 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
99Xbp P5 5 i!zh9,i>M 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
l!2hwRR z-(#Mlq:! 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%。
SB5[PDL_q EZvB#cuL- 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。
hK= \O) DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
CbK &.a $V"NB`T 1VW;[ oc Q +3VDapfin 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
X1* 6qd+E 6 bL+q`3> 搜索宏
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J"w!Q\_
W":is" ,e"A9ik # 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
wv,,# P oo\0X Ph&AP*Fq dZ!Wj7K) 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
?sl 7C
gl @_0 g "Ul 8 kZ ~ &fBLPF% 6 设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
yHW=,V. o l 67x 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。
7I;Give{ ]
t +0&B" w>I>9O}(`
变焦优化
o/I <)sa 9%\<x 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
TQ &%SMCn 7> -y,?& @+ ",f] )>LQ{ X. 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
? W Wnt^
?{#P.2 < i'4EnO "Kk3# 得到结果：
%8H*}@n ?uUK9*N fys@%PZq [Kk LpZG 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
6 G"AP~|0 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
Eg t;Bj#% Ah)OyO 6
^ SCZ EWN$ILdD 像差分析
,=l MtW
查看畸变
/_rAy
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。
'#<?QE!d2 IS7g{:}=p q`09 k ]x64hgm 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
oaI7j=Gp M 0 8 A P YA 1
_1*EMq6 S GIHT
t~p9iGX< M 0 5 A P YA .7
`"[VkQFB/ MUL CONST 2
iR 4CY- S GIHT
x Mtl<Na
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
MxxY MR '6{q;Bxo e = &
abu Rs)tf|`/ 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
5 (>m=ef" ]M{SM`Ya 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
2uw%0r3Vi6 IDzP<u8v mBc;^8I?23 D`e!CprF 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：
r4NI(\gU M 0.5 2 A M YMTF 1 72
;: Hfkyy] 专门优化这一条MTF。
8_f0P8R!y -w 2 !k 133lIX+(k (|ga#%iI 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。
.eXIbd<C 2U>1-p&dn 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
]*}*zXN/E % xLziF 优化宏
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$$ {ebt 再进行优化退火，50，2，50
UuT>qWxQ8 dT,X8 " 8NeP7.U<w ci5ERv` 得到最终结构：
)QaJYC^ + j3`:;'L - J!F((jt \UJ:PW$7 各个像质结果：
O j MDxG
w RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
}<FBcc(n 3-32q)8 变焦位置1：
~n]:f7?I uVDB; 6
<3 HW!7Ad1
基本参数
变焦位置1：
lZ^XZjwoM &[I#5 bGk E( 8!VY ^ jY>KF'y 变焦位置8：
3X0^xUA6 - K}@Gp ZH_ J+ 畸变
$+JaEF`8 3KB)\nF#% 变焦位置1：
kp <9o!?) ICq;jf ML Fxv~;o# \C} tK,79 变焦位置8：
<6p{eGAQV } M'\s F8b*Mt}p MTF
d^]wqn pf /J{P8=x}_: 变焦位置1：
1P8$z:|~ o1zc`Ibd 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
M/d!&Bk LdWeI 变焦位置8：
H W.S~eLw* x"AYt:ewuc 4CX * J [LGa:`` 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。
!6< 2JNf *i5&x /ds 相对照度
Z`b,0[rG[
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
X:8=jHkz 变焦位置1：
( }JX ]- Kh<v2 &??(EA3
Dvd.Q/f 变焦位置8：
3w{ i5gGn ?_<ZCH vGm;en 主光线角度
WHE*NWz>q
远心度都在1°以内
u#J 5M&# 变焦位置1：
?0'bf y] J|6aa m l?+JbLg0 Mqw&% dz'_ 变焦位置8：
'^Sa|WXq y"@~5e477$ wy) Frg 总结：
/ d6mlQS kP8Ypw& 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。
5r
zB "L q%>L/ KJ# 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
