概论
trnjOm xK 9"t;!C& 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。
R }c,ahd h2ewYe<87` 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。
4YM!S E-I P66{l^ 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。
c< L^ 1,G2 U(3+*'8r,1 [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。
*T$o" *} U:m[*
}+< 设计要求
vpcx 1t< ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
H !Z=}>TN =Ig'Aw$ x I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
Iq0_X7:{QI I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
vBx*bZ 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
akHcN]sa2 eU 'DQp* 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。
v]\io#
B
=@BYqiY 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。
cP%mkh_ri A9\m .3jo 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
S .rlF1` Da*=uW9 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
^
}Rqe 3US}( ' 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%。
|>@Gb gw^M )kR~|Yn<- 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。
{%5k1,/( DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
,IoPK!5xy eB X#^ M EMD8:[' U.is:&] E 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：
8rwkux > 7;RhA5M 搜索宏
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/=I&-g xC
x*&
OvI/o ^IGutZov 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
&S}%)g%Iv9 H_KE^1 r2H \B,_ 2*Hw6@J j 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
|&B.YLx L&M6s
f$N R+k-mbvnt BoZ])Y6= 设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
o:B?g DM O 4@sN =o 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。
Z_Jprp{3h ]
.r[b!o^VR .WM 0x{t/
变焦优化
uqwB`<>KJ N p9N# m? 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
z2Sp 7 ^,C=2
BqC, -gC S o; ; 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
Y)^qF)v,d >yFEUD : Z&FC:4!! % Z~, F? 得到结果：
k%-_z}:3V Au jvKQ( le*mr0a W$LaXytmak 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。
Su`LB z" 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
s\Q hCS RN\4y{@ $O" S*)9 TY~8`+bJ 像差分析
g+Vfd(e
查看畸变
AY4ZU CqI
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。
Uf )?s z ]:`q/iS& p48M7OV F{}m lQg 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
3Tze`Q 9 M 0 8 A P YA 1
^|y6oj S GIHT
2 ?YN8
n9n M 0 5 A P YA .7
9,|{N(N<! MUL CONST 2
hR,VE'A
S GIHT
_[;>V*?zp5 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
m^cr-' K=Z~$)Og) vaL+@Kq~& 4 zuM?Dp 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
[uK*=K/v '9^+J7iO(+ 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
<>/0 ;J1< t"M&Y y "?EoYF_ [tYly`F 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：
MMg"G6? M 0.5 2 A M YMTF 1 72
(t' hWS 专门优化这一条MTF。
D /ysS$!{ Z$!>hiz2 [uCW8:e K] ;` 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。
I>ks H ;;rEv5 / 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
sv` +?hjG 3YT>3f!\
优化宏
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)RA$E`!b 再进行优化退火，50，2，50
v`3q0,, 8 CKN^8E eh_ {- ,] HH%/h
得到最终结构：
:*|%g lZoy(kdc P 1`X<A ozN#LIM>P 各个像质结果：
>DX\^86x RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
u1K;{>4lx BeP]M1\?> 变焦位置1：
ph\ KTLU :SFcnYv0
ZuZe 8&
基本参数
变焦位置1：
J6pQ){;6 bOR1V\Jr$q p6~\U5rXm ! Ra.DSL 变焦位置8：
7A0D[?^xe N-*
^V^V dI k/vg 畸变
dXr=&@ 1 zK.%tx}+=k 变焦位置1：
3S4'x4* rPaUDR4U iW.4'9 W rvSYqN 变焦位置8：
#wz1uw[pI! 9_yO 6)` hAx# 5@*5 MTF
t(3<w) r2 r|!w,>. 变焦位置1：
!YD~o/t@| 5IOMc 4v 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
951"0S`Lo awP
']iE 变焦位置8：
1=LI))nV ^rF{%1 DT y bWb'+x C1=7.dPr 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。
E.*TJ +EI+ @hS 相对照度
R.n:W;^`
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
! 63>I I 变焦位置1：
3Z?"M y&8' V \
r v`kP"I pfd||Z 变焦位置8：
kMD:~ V j ys1Ki {&tbp
Bl# 主光线角度
EPx_xX
远心度都在1°以内
7WZ).,qxY 变焦位置1：
"4W@p' Oc\Bu6F #H]cb# -]8cw#y
0A 变焦位置8：
&?~OV:r9 l| 1O9I0Gd _ _x2xtrH 总结：
=HJ) !( t;wfp>El 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。
r{DR$ jD `[T|Ck5 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
