概论
MXa^ g" Px&_6}YWy 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。
QW $p{ zo ~`C _B]3| 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。
nQoQNB N -]/MB 8 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。
e"52'zAV- (6 Od [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。
oFf9KHorW >W;NMcN~ 设计要求
]jFl?LA%7 ]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：
yji[Yde;| - X71JU I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
`/ayg:WSU I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
5OppK(Oi*C 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
&'x~<rx kJp~'\b 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。
l6&\~Z( c%J6!\ 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。
qS2Nk.e]o \1Xk[% 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
!~Uj 'w BUJ \[/ 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
~e 1l7H; NOuG# P 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%。
pX
^^ 0 6e B; 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。
{@^;Nw%J DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
C=/B\G/.9 X S [L-NHG ]m b8R:a1 ]MV8rC[\ 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：
`daqzn $Sgf jm 搜索宏
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o^\Pt<~W
-juG [zn L meP J 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
DS<1"4 b| Ve3z5d:^ |4Q *4s %, kP_[!>Q 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
M
9t 7y _XV%}Xb' X,7y| tb xi =ApwNj 设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
kg [ %Q]] `za,sRFR 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。
CwA _jOp ]
2gPq B*H qW0:q.
变焦优化
En?V\|, tt zNv>L, 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
l%0bF9\ ff\~`n~WZ XH"+oW GQqGrUQ*} 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
\^c4v\s<o# u dZOg L>1hiD& z1PwupXt1 得到结果：
sjr,)|#[ =_7wd*, QPJ \Iu@D$ pk/#RUfT+ 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。
]:<! ( 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
N{;!xI v Y% s:oHt 5ilGWkb`'X &A QqI 像差分析
z)qYW6o%
查看畸变
@ _Ey"k<
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。
* qd:f!Q3 Gk, Bx1y #j Q auO I0Pw~Jj{ 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
~s!Q0G^G M 0 8 A P YA 1
\<4N'|: S GIHT
eqo0{e M 0 5 A P YA .7
1i76u!{U MUL CONST 2
9%/hoA) S GIHT
9y7N }T6 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
Z*%;;&? kQ`t Y`3F L"bOc'GfQ 06&J!,p
: 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
Q` ua9oIJ= I"07x'Ahq3 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
2Je $SE8 _pvB$& Mt[yY|Ec| 7L{1S
v 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：
`fu_){ M 0.5 2 A M YMTF 1 72
Gm=qn]c 专门优化这一条MTF。
rhJ&* 0M _ bFUr 3db{Tcn\@] b\k]Jx 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。
IC `3%^ #2{-6ey 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
L:R4&|E/t RJrz ~,} 优化宏
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z;c>Q\Q 再进行优化退火，50，2，50
LK^|JE u O\5%IfB'" bjZJP\6 @,vmX
z 得到最终结构：
"[ bkdL< '%N?r,x
C ~P4C`Q1PT# B VB n.ut 各个像质结果：
zTz}H* U RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
/x<g$!` X wu41Mz7 变焦位置1：
7+O)AU{ )DSeXS[
e
615Ya<3f8
基本参数
变焦位置1：
D31X {dJ q!Du
J vB:\ZX 4 FXQWT9Kk~_ 变焦位置8：
IkrB} YW }$e W* -;" "l{ 畸变
i2F7O" f. =Tj{)=^/# 变焦位置1：
Wn%P.`o # O[@!1SKT0 =%Y1 ] F ~# -?V[ 变焦位置8：
H4$qM_N })g<I+]Hf9 ^7gG tz2 MTF
@ CprC]X MK&,2>m,A 变焦位置1：
Y]z
:^D j-<]O OD 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
#mxOwvJ ;kFD769DLw 变焦位置8：
PmR].Ohzi v 6 ~9)\!j p|>*M\LE# u'YXI="( 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
z7K{ ,y L2}\Ah"[ 相对照度
-Q
WvB
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
z.vQ1~s 变焦位置1：
=i/Df ? OO:S2-]Y>e J_Lmy7~xbD q_M N 变焦位置8：
K-qWT7< mF4 W4~" s~M4. 06P 主光线角度
Jo? LPR
\6
远心度都在1°以内
!xs}CxEyA 变焦位置1：
m`yvZ4K! 3CCs_AO M2$/x`\-~ ,d"T2Hy 变焦位置8：
;6tra _ 4:/]Y=)x \CB^9-V3 总结：
Cbbdq%ySI 1p&.\ ^ 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。
(tK_(gO H2X_W Swm 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
