概论
e'`oisJU?q )v9[/
]*P 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。
j0 GI[# s5pY) 6) 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。
xI@~I g |); >wV" 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。
Q^k# ?j# u62sq: GjH [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。
"Wm~\)t( y AWDk0bx 设计要求
--9mTqx ]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：
qj1z>,\ ZeeuH"A I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
vf2K2\fn I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
B4}XK =) 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
c&++[
q0~_D8e, 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。
xeI{i{8 -)oBh 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。
'!R,)5l0h |$PLZ, 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
=r ~ . I | 6> _L6t 光学参数：
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) ＜1
RVfe}4Stm# }>0
Kc= 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
gnXjd} lIz_0rE 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
Bt,Xe~$z- DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
&wN
2l- %'e(3;YI IMza
2 {0 ~0 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：
lQBM0|n yUO|3ONT 搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
PoJ$%_a}
:2E1aVo4b >|) 0Amt 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
FE}!bKh 4MJzx9# (L$~ zw5gr ?Z>.G{Wm@ 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
U$)Hhn|X / \rq$W_ gE&W6z0fJ ,dx )rZ* 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。
L\NZ Dkd 7E`(8i 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）。
5lnSa+_/f ]
iIaT1i4t. _-]!;0E IV
变焦优化
o^Ysp&#p -fJ@R1] 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。
i ,pN1_- tvT8UW' i 1I>RK QaWHz
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
qQOD K;p<f{PE mO)PJd2ZD K\+} q{ 得到结果：
.l+~)$ P5>5ps"iU !?o$-+a| X@qk > / 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
Z .':&7Y 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
b/B`&CIA0" u:$x6/t 96pk[5lj{? =6L *!JP< 像差分析
y[p$/$bgC5
查看畸变
#M?F^u[
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。
7~"(+f /3Nb tB7K&ssi BKQIo)g.G 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
3` k[!! M 0 8 A P YA 1
!ml_S) S GIHT
5U{4TeUH M 0 5 A P YA .7
b>QM~mq3^I MUL CONST 2
jefNiEE[ S GIHT
8nIMZV 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
H+VO.s.a Er"R;l]xJ Qq T/1^imS \ I^nx+l 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
O[I R| *O+R|Cdp/ 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
T+;H#& -".kH<SWv LAv:+o(m/ dU oWo3r= 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：
4j X@m M 0.5 2 A M YMTF 1 72
d&[i EU 专门优化这一条MTF。
@sw9A93A -(\1r2
Y [x!i*
rW3 .4Qb5I2# 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。
<.,R Bo 4>4V-m\ 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
*A?8F"6> JFkN=YR8 优化宏
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:7p9t.R<$h 再进行优化退火，50，2，50
ePp[m
zg6 oL<BLr9> {Q5KV%F_ J>`v.8y 得到最终结构：
iH-bo@ gtD <7=&DpjI7F NWEhAj<w 各个像质结果：
+J|+es RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
]SFWt/< a9[mZVMgUK 变焦位置1：
%'N$l F"] ,-@xq.D
bqSM DK
基本参数
变焦位置1：
glv ;C/l pe|X@o l+%Fl=Q2em }N ?g| 变焦位置8：
?RHn @$g8M C (G(^_6 D i:{er(p 畸变
(~h7rAEc 1\/{# c 变焦位置1：
$; ?c?n+ >w9sE8i KYp[G s iC\%_5/ _ 变焦位置8：
u t$c)_ vd`O aM}#U 6
Ew@L<v MTF
a"x}b ?=<~^Lk 变焦位置1：
Xx_tpC? 9TC)
w| 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
~(P&g7 u u QnT[\k? 变焦位置8：
%)?`{O~ h O r7
mD V43TO V^WU8x 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。
!scD|ti 8f|98T"
相对照度
l-<`m#/v
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
V4|uas{0I: 变焦位置1：
HJIC<U Tg0CE60"
$#e1SS32 8#w)X/ 变焦位置8：
&dr@6-xaq FH8k'Hxg y \D=Z
N@ 主光线角度
1Ipfw
远心度都在1°以内
%Ds+GM- 变焦位置1：
I-kWS 4 !X]8d yW \F{ :5,Du) T7[NcZ:I 变焦位置8：
$,ikv?"L 6@V~0DG qtMD CXZ^n 总结：
.UQE{.? <CZgQ\Mt 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。
$!B}$I;cd ~TqT }:,H 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
