概论
jO3u]5}. 6 g`5`KU| 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。
>s 8:1l )r6SGlE[Y 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。
xO9]yULgu D -+)M8bt 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。
CXP $bt} 4pTu P / [由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析
优化方法。
k.%W8C<Pa
!K^Z5A_; 设计要求
U0bE B ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
f w>Gx9 %_@5_S I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
ao" ; 5 m I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
]R0A{+]n 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
[TfV2j* e
x V 1Z&l 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
W!4V: (T /& !d 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
*ZSp9g"Z /%q9hI 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
!wb~A 0m ^(m6g &$( 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
< iprPk F+y `4> x 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%。
5@Lxbe(
q ]E8 <;t)# 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。
$E_vCB _ DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
acju!,G $E x 9 .8PO7# y>cm KE 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：
[Fj#7VZK B[_b J
* 搜索宏
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8 W< )c
2=,Sz1`t M^JZ]W( 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
2 "Uk}Yz| ZM^;%( ^FMa8;'o
6p6Tse] 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
z &vms *u4X<oBS* >/`c mNmb ]GR q 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。
?N?pe} 6.7 Kp 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）。
\lakT_x ]
wuko s5 9-iB?a7{.
变焦优化
;I))gY-n pBnf ^Ew1 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。
j.N\U#3KK 3Xl nI:w = *|#JFy?c[ v9` B.(R u 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
yGG\[I;7 _xL&sy09t SF7b1jr zU tf& Ih 得到结果：
Yg,lJ!q ow$l !8 9}0Jc( B/x `0 XbV A 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。
3N*C ] 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
q[+: t I_I;.I k 2/4x]i
H* ;xtb2c8HT 像差分析
&r5%WRzpYT
查看畸变
YJvT
p~
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。
H g_
XD, .:!x*v y$9 t!cx {#M{~ 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
A'-YwbY M 0 8 A P YA 1
'yRv~BA S GIHT
8PjhvU M 0 5 A P YA .7
bK;a V& MUL CONST 2
I"<.
h' S GIHT
K}3"K C 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
[ Q_| 6Di EjE`S_i= .LcE ^y[V 4m!3P"$ 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
%vYlu%c<
9QZ wUQ 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
Y '*h_K rWpfAE)! w/W?/ 1P>q 7#. PMyK9 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：
5d{Ggg{s M 0.5 2 A M YMTF 1 72
H>X1(sh#} 专门优化这一条MTF。
a(T4WDl^ pd qa) >$ {&qsh9ob > ,vW 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。
-mo
'
$1 rB|:r\Z(jG 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
sl O9H6< (`/i1#nR 优化宏
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zGz'2, o3 再进行优化退火，50，2，50
Nh/ArugP5P R*eM 1 bJ!f,a '/ <[l}^`IC^4 得到最终结构：
` ^k<.O 0MGK3o) `z`;eR2oX <!XnUCtV 各个像质结果：
2czL 1Ci RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
S9+gVR8]C q[A3$y( 变焦位置1：
>8t[EsW/ 2]f.mq_PD
3-%~{(T/
基本参数
变焦位置1：
;K -t uxiX"0)g > ZaindX{.1 Cms"OkN 变焦位置8：
{\Y,UANZ
=H?5fT^
=DwH*U /YR 畸变
]r5Xp#q2 d0E5 ;3tQ 变焦位置1：
4zb V' ] uW_ /7ex wb"t:(>& gipRVd*TA 变焦位置8：
8GQs9 uoc- qmm PMZzzZ MTF
{'aqOlw3<j c{ (%+ 变焦位置1：
3_-m>J**
8#-}3 ~l[ 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
MRu+:Y=K H} rP{`m 变焦位置8：
P ^+>QJ1 Gl1$W=pR: -8e tH& t2 <(by! 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。
R_DQtLI f89<o#bm7h 相对照度
{a%cU[q
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
U t@)<N 变焦位置1：
^T>.04";x ?q`mr_x%? M!@[lJ {'C74s
变焦位置8：
ga%77t|jm3 wu' 60po yY|U}]u!V 主光线角度
V^5 t~)#46
远心度都在1°以内
-7Wmq[L / 变焦位置1：
1N*~\rV*? 2N#L'v@g=+ e@Y R/I8my Yb*}2 变焦位置8：
/2I("x] " WL vS< e/e+ 总结：
>48Y-w gUQCKNw 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。
euK!JZ Kz;VAH 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
