概论
T!8^R|!a6 wWy; dma# 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。
Vv45w#w; mL=d E Q 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。
%VH, (}i RE U," 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。
~/]]H;;^u o`,~#P| [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。
0z8?6~M;< oojl"j4
设计要求
0Gc@ AG{ ]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：
;~EQS.Qp D]]wJQU2 I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
@kqxN\DE I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
!: ^q_q4 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
L%T(H< G d=PX} o^ 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。
"FWx;65CR V }Y*Yv 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。
a:f P mK[Z#obc= 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
? : yz/9( %bAQ>E2 ;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
n4/Wd?#` 3R3H+W0{ 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%。
d_,5;M^k t$18h2yOL 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
rG}e\ziKuj DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
5e /YEDP lPZ(c%P Do/R.Mgy* ?vFy3 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
6O As %QZ }IyF |[ 搜索宏
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^$K&Met
`m7<_#Y X.eOw>. 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
_&uJE&xl} At'CT5= @-'a{hBR L"qJZU 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
1f`De`zXzr Y~WdN<g HIXAA?_eh= ;=Ma+d # 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。
QB*,+ u4 !6 KX^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）。
6ZqU:^3 ]
ABN4kM>% fF(2bVKP:
变焦优化
j_~KD } hOY@vm& 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。
@C)s4{V C/e.BXA UK
':%LeL ) `DVPudiy 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
IZ=Z=k{ BJj'91B[d ^M'(/O1 L ;L: 得到结果：
YThVG0I = x>yqEdR=o (?jK|_ h>/teHy / 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。
r&{8/ 5 " 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
FDMQ Lx f V<QpC5 : _8K8Sa &C9IR,& 像差分析
B\J[O5},
查看畸变
6}^x#9\
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。
q+?&w'8 ?Mjs [ | \ND]x]5d UPhO =G 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
~H}Z;n]H M 0 8 A P YA 1
9@*pC@ I) S GIHT
f 2WVg;Z M 0 5 A P YA .7
x{1 v(n8+= MUL CONST 2
s41%A2Enh S GIHT
=XfvPB A 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
{7 :1F)Pj e>MtDJ5 Hn/t'D3 j1_>>xB 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
q,P.)\0A J67
thTGFq 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
%J*1F ' .v;/[0 YWIA(p8Qkk vMzL+D2) 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：
+ ~V%R{h M 0.5 2 A M YMTF 1 72
6 tH}&#K 专门优化这一条MTF。
+6WjOcu f#s 6 'g
7ys' [G|}r y" =?l 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。
!X}+JeU ' 59.$;Ip;g 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
D <iG*I C6 e5*S 优化宏
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02]HwsvZ 再进行优化退火，50，2，50
[vu;B4^" AF:_&gF 7J9<B5 U ui?@:= 得到最终结构：
a!o%x }R* %q \; XJ$~> w"v96%"Y 各个像质结果：
qjRbsD> RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
YIN* '!N |;J`~H"K 变焦位置1：
nk! uO^ L 0 Ckw},,
R&!;(k0
基本参数
变焦位置1：
\(??Ytc<B Y M o 8C( %R5- 6 @.L#u#
变焦位置8：
^qL<=UC. BD"Dz q 2z;nPup, 畸变
4l0>['K&{ OI Fjc0 变焦位置1：
xjp0w7L)J "C}<umJ' OTYkJEC8\N 5]G%MB/|$ 变焦位置8：
y_: {p5u 7b~uU@L` %]F/!n MTF
WReHep ` { Ox=+]M 变焦位置1：
I?1 BGaAA /\e_B6 pF< 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
vAP1PQX; %S%UMA. 变焦位置8：
qbc= kP SOPair <r 2(uh7#Q "uplk8iCJ 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。
eS Z':p XnYX@p 相对照度
_gH$
,.j/
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
Lt~&K$t7~ 变焦位置1：
JV,h1/a(" {*;K>%r\o OeGLMDw R o{xprE1 变焦位置8：
;M mu} jcC"vr'u| %V1j M 主光线角度
Kf?:dF
远心度都在1°以内
C`ZU.|R 变焦位置1：
bR}fj .gP 07=I& Pum CY=lN5!J M:.+^.h 变焦位置8：
rPr]f; Pc?"H!Hkn 'JgCl'k, 总结：
'PrBa[% hKg +A 该变焦投影镜头所有指标已经基本满足要求，使用了13 片球面
透镜加保护玻璃。对于片数比较多但变倍比比较小的变焦镜头，直接用 ZSEARCH 搜索花的时间太长或者搜不出好的结果，可以先用 DSEARCH 搜索一个变焦位置的结构，然后用 ZFILE 把它变为变焦镜头再优化。
b*tb$F q`8
5 - 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
