概论
Wd4f Iegk !-
f>*| @ 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。
\C.%S +u ,CW]d#P| 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。
M<JJQh5 >JT{~SRB|Y 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。
J*6I@_{/ U ZCPK{Ru QE [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。
2rHw5Wn]~ iU^ 4a 设计要求
-Nmf}`_ ]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：
7= XQgbY/ Qi Wv I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
^&<~6y}U^ I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
`7jm 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
d$ Mk .jMm-vox} 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。
s# w+^Mw$ Ku LZg 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。
zF /}s_><* Ff>Y<7CQ
v 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
x( w <U1 jIE> t5 fy 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
Wq)'0U;{$ ~J2-B2S! 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%。
Z_' %'&Y o^RdVSkU; 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。
$N;!. 5lX3 DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
QxnP+U~N N&NOh|YS R+]p
-NI ^ D,xWc|V 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
Z{#^lhHx DjOFfD\MF 搜索宏
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.Q" 3 [
y- k?_$ M )xQxc. 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
J'9&dt 4W9 !_:j(j h x4!P( o1 ;TSnIC)c 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
|}Mkn4 \$;\,p p w :FH2* w%S<N 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。
.u7d ?3SlvKI}H` 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）。
+a zPpGZ= ]
+^YV>; UQ|0Aqwq
变焦优化
p8s2#+/ I#eIm3Y? 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。
NJqALm!( u4VQx,, lk.Q6saI1 ]p'Qk 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
CcY.8|HT i`& yPw 1 \YX | n_ Um)GI> 得到结果：
C,2IET I.x0$ac7 vCH >Fj"7 9Z *` { 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。
EoU}@MjM~ 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
S-2xe?sb w** .8]A"N IUd>jHp`6 4n3QW%# 像差分析
)\mklM9Z
查看畸变
um ,/^2A
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。
!c6 lP'U 3 tXtt@Yy eg(xN/D qgZ(o@\ 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
oeIB1DaI M 0 8 A P YA 1
[&NF0c[i S GIHT
fvit+ M 0 5 A P YA .7
*qO o,e MUL CONST 2
[Hd^49<P2 S GIHT
1 MB 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
0@AK :Hd?0eZ| u85y;AE,( /2l 4'Q= 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
$Fr2oSTT) $ya#-pi`; 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
t9 m`K9.\ B|extWwu {qLnwy!i Nq*\{rb 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：
a*SJHBB M 0.5 2 A M YMTF 1 72
*[.\ S3K` 专门优化这一条MTF。
$%1[<}< 6bb=; ke3=s 8: s3Q`O 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
Nm,v E7M W:5m8aE\ 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
y|MW-|0=! :eIB K 优化宏
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e'\I^'`!M 再进行优化退火，50，2，50
%{}Jr` ny=CtU!z 1Eg}qU,: U Ciq'^, 得到最终结构：
Rb9Z{Clq> Q;aZpi-E" .7) A8R7Wt !/jx4 w~R 各个像质结果：
, YkQJ$ RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
*\joaw ^1Yx'ua' 变焦位置1：
siD Sm m7RWu I,
:m37Fpz&b
基本参数
变焦位置1：
{qx"/;3V wV -cpJ,} *:&fw'vd, BV!Kiw 变焦位置8：
nmSpNkJ5 G %#us3x _pu QX @i 畸变
@EZXPU t8P>s})[4 变焦位置1：
Xp{gh@#dr f ~Fus LZ oth+: 1%-?e``. 变焦位置8：
;l`8w3fDt CLYcg$ V .
}=;]= MTF
IsRsjhg8x KX9Zws C 0 变焦位置1：
X`aED\#\h w1KQ9H* 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
R/b=!< (=P nLP 变焦位置8：
8wy"m=>=b} d->b9 t 1&p>
v >yWJk9h f 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。
XBr>K> ( lhjPS!A~ 相对照度
~P/G^cV3s
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
Jz|(B_U 变焦位置1：
Lte\;Se.tu WYh7Y [ wu%t8O2 4o=G) KO{ 变焦位置8：
Tl1?5 ,%jJ
,G, 6 XG+YIG6w 主光线角度
Z7 f~|}
远心度都在1°以内
t)m4"p7 变焦位置1：
?_^9e J`V6zGgW V2y[IeS Q DMf9wB 变焦位置8：
Bo0y"W[+ K {iay g!k tou^p-)GQ| 总结：
ut Tek5/ TxiJ?sDh* 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。
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43DdIG$ pE`( kD 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
