概论
;J\{r$q M
O5fu! 成像镜头包括定焦镜头和变焦镜头，我们在日常生活中使用的
光学系统大多是可以变焦的，比如手机镜头、专业相机的镜头、显微镜等。
,|I\{J #C i/x PO 成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力，如 CCTV 监控镜头，红外探测镜头，摄影镜头，双筒
望远镜等等，镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件，放大缩小或局部特写，这是一个定焦镜头所无法完成的。
#py7emu gx[# @ ( 所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。
z@y*
jT ^F?H)[0 [由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析
优化方法。
h Z lajky `Uk,5F5 设计要求
B^Ql[m&5+ ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
}VR&*UJE "4"\tM( I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
Z-4A`@p I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
QBto$!}) 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
D .C m& !xo@i XL 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。
U7crbj;c)d %o4d4 3uZ 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。
N 5/TV% u \g4\a?i 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
cD s#5, -I=}SZ 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
V2/+Sv B2 3UC8iq* 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%。
>^J!Z~;L) `ss ]\46> 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。
{OAy@6
+ DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
Tjs-+$P+ 6\o. wq *C\ 4%l [RpFC4W 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
U}A+jJ cjN4U [ 搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
N[ pk@M\vX
Xkv>@7ec
1}jE?{V* 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
X<9DE!/) I:6xDDpZG` V$v;lvt^Uq 3al5Vu2: 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
W)4xO>ck*3 _)Qt,$ xBw"RCBz^ Ne9
.wd 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。
19# )#
n^ )d.7xY7! 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）。
r*p%e\ 3 ]
2! 6Kz q moo>~F _^
变焦优化
2Q k\}KWs 0~ S<}N 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。
nVM `&azD `UJW:qqW 7I44BC*R~ r2Z`4t N: 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
#&5\1Qu :<(<tz7dj 9E#(i P 3}gK`1Nq1 得到结果：
z`2d(KE? JR>B<{xB VN".NEL ixH7oWH# 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。
7> mYD3 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
d!X?R} ropiyT9; (1HN, iJy 0`thND)?O 像差分析
#P@r[VZ{6
查看畸变
K;ML'
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。
+]zP $5_e bDNd
m-
'ng/A4 ~S6N'$^ 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
n 3]y$wK M 0 8 A P YA 1
qprOxP
r S GIHT
&Os Ritj M 0 5 A P YA .7
/W> " G1) MUL CONST 2
# 0 (\s@r. S GIHT
K7Vr$,p 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
aKy|$
{RC T{M:)}V m>!#}EJ| Q!{Dw :7 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
y_&XF>k91 gD\}CxtG 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
(Vv] : Y] rY= #^S 3Cl9,Z"&6$ 5=986ci$U 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
[ub\DL l M 0.5 2 A M YMTF 1 72
4\3t 5n 专门优化这一条MTF。
F)w83[5_d Uy :.m Jx< AF}"
优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
n}?G!ySg 6KG 63`aQ 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
LfApVU m H%N+V r3O, 优化宏
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(ce NVo& 再进行优化退火，50，2，50
~4<3`l= A (c2\:hvy ~=ktFuEa Se`N5hQ 得到最终结构：
R2`g?5v ^aCYh[= =;=V4nKN 88j
;7 各个像质结果：
Zto E= 7K RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
={ '($t%|T BkfBFUDQ 变焦位置1：
*Rh .s!@4 +GU16+w~E
P0z {R[KBH
基本参数
变焦位置1：
,?6m"ov4( NG UGN~p @&##c6\$ J|24I4 变焦位置8：
%Qz`SO 8x? e&4u^ '+K Y{|yB 畸变
m4>o E|\ Xy<f_ 变焦位置1：
!\O ,dq x{V>(d'p s'Gy+h. QvN
< uxm 变焦位置8：
86F+N _>Z jgw'MpQm{ c[lob{, MTF
em !R9J. Sr 4 7u{n 变焦位置1：
bnu0*Zg> no6]{qn=6 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
O>5 u5n 1/+r?F 3 变焦位置8：
f+Li '? , %O3^7i J4c 4Os>3 =e-a Z0P 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。
?Hxg x ]u ~Fn2 相对照度
4$GRCq5N;
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
[<a%\:c m4 变焦位置1：
0a 6z "K} YPDsE&,J) w!w _` 7[ T8TsKjqOZ 变焦位置8：
'/gwC7*-& 6 Ok=q:; V?dK *8s 主光线角度
SSb K[aR
远心度都在1°以内
<?7,`P:h[ 变焦位置1：
O[p^lr(B7 LNx E-Dp wK`ieHmp M #=5u`h 变焦位置8：
C|;Mhe'r= 64rk^Um n9fA!Wic 总结：
VD&3%G! a:^ Gr% 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。
J}_Dpb [L qq7X ",s 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
