概论
u)Kiwa BR|0uJ.M 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。
a_! H_J Evj%$7H1L1 成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力，如 CCTV 监控镜头，红外探测镜头，摄影镜头，双筒
望远镜等等，镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件，放大缩小或局部特写，这是一个定焦镜头所无法完成的。
%JDQ[%3qY w=fWW^>bP 所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。
Z&>Cdgt* Jw5@#j [由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析
优化方法。
%P ~;>4i, v_Vw!u 设计要求
'1DY5`i{ ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
=7e!'cF[ ?ja%*0
R I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
k}:;`ST I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
5 { (4 % 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
F)~>4>hPr ;-"!p 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
+%Tg X&a ~8&->?{ 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
h;vY=r- [5' HlHK 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
xGyl7$J _*UI}JtlS 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
$,:mq>]![{ uxn+.fA 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
w/
~\NI hpXW t Q 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
m lc8q s DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
??aO3 Vm{ z&0[F`U 9b >+ehj B (z8ZCyq7r[ 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
[*O> Lk P7W|e~]Yq 搜索宏
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%r.OV_04
d#+Ne f5 oU,8?( }'~ 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
hN K wQ F&uiI;+ zJ ,
poc!n// 9 Vq 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
" 4#&tNQ s@&3;{F6D XK\nOHLS 3| w$gG;Y 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。
wz3X;1l`c Uu8ayN j 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）。
o|d:rp!^ ]
HD#>K 7 j~Fd8]@
变焦优化
~Y
f8, m $k )K}U 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。
W=EcbH9/.) zjA#8;h~w +d LUq2 M
2|
k. 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
n;.
M5}O ,&3+w ~Ua !BW!!/U Ga9iPv 得到结果：
x`+M#A()/ +C;;4s) a ub$4n!C9 UVLS?1ra 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
nm`( ;<W 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
LiFR7\ z ? glx8@ Zs}h>$E5_B GIYdI#0RC 像差分析
bA 0H
查看畸变
>A]l|#Rz
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。
{?^ES*5 jTqJ (M}L cM9> V2:P U) xeta+ 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
< ~CY?
M 0 8 A P YA 1
gkt lwiCZ S GIHT
L-U4
8 i M 0 5 A P YA .7
% + MUL CONST 2
K!(WcoA&2i S GIHT
20 $Tky_ 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
gO*Gf2A G dk1q9Tx B QUYT/$( Pl|I{l*o(` 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
3,i`FqQa E)Qg^D HP/ 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
SkipPEhA G+sB/l" HL[V}m Ie Chz d 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：
NR&a
er M 0.5 2 A M YMTF 1 72
Z>w@3$\z 专门优化这一条MTF。
aVV E 2:M ?5Z-w cuG;1,?b sX>|Y3S\U 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
8Dx g6> <MO 40MP 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
ML$#&Z@
*7 Smy J@.L" 优化宏
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6,CK1j+tZ 再进行优化退火，50，2，50
+N B5 Fd4 $h k_v~zM p8F$vx4, v(sS$2J|} 得到最终结构：
# 6?2 2Os N/ 0Q`cQ- {X pjm6a7 +&X>ul 各个像质结果：
P:'y}a- RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
b0%#=KMi `+KLE(]vyH 变焦位置1：
EG=U](8T r!>=G%
3PzF^ 8KJ
基本参数
变焦位置1：
{![E)~
JZyEyN aeLIs SEx R*dXbI&,e 变焦位置8：
z;YX 2G/{ 9% P$e=Ui# I.6#>= 畸变
]%Whtj.,x7 'i/"D8 变焦位置1：
aC'#H8e|j K}S=f\Q] 7V\M)r{q7 \=W t{ 变焦位置8：
5oD%~Fk l -Xgup,}? : SD3 MTF
OJcI0(G k|_
>I 变焦位置1：
cz>`$Zz ! G ~\9 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
X.)1>zk =)6|lz^ 变焦位置8：
C\[g>_J G! ryW4 C Bx5:}t UB;~Rf( . 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。
Zf\It<zT5 9 VTE?, 相对照度
oP<E )
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
2-wvL&pi) 变焦位置1：
5U l =Nv] f=MR.\ j7&0ckN&G KI<Vvc m 变焦位置8：
.Wci@5:3 5HbPS%^. oU~ e| 主光线角度
A832 z `
远心度都在1°以内
Uefw 变焦位置1：
VrRBwvp-K k{$Mlt?&- Riz!HtyR B7qiCX}pD 变焦位置8：
#T)gKp $3n@2 N` {~d8_%:b 总结：
o[eIwGxZ d5B96;3 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。
O/Wc@Ln ]+0I8eerd 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
