概论
!aLByMA ~j F5%Gu 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。
] +Gi~ Oe2T mvl 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。
2Ybz`O!
8)R )h/E> 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。
d*q _ DV 5%tIAbGW [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。
9dKrE_zK: {H"gp?Z- 设计要求
+twBFhS7k ]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：
|mmIu_ I&>R]DV I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
"b -KVZ
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
W-Hw%bwN/q 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
b%|%Rek8 2"V?+Hhz 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。
yDy3;*lE ~^Vt)/} Q 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。
_NqEhf:8 ,$}v_-:[l 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
F Fg0} HC!$Z`}Y 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
o`G'E& QD"V=}'? 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%。
n:k~\-&WJ C7q bofo V 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。
8?I(wn DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
Qj 0@^LA '1.T-.4>& c#CX~ !7 *X{D v 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：
9"MC< x#Hq74H, 搜索宏
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J0|/g2%0
K 6|*-Wo.
]9A9q<lZ 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
5F
<zW -; 7b'XQ/rs v?d ~H`L (A( d]l 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
jsi\*5=9p< Pf@8C{I zL)m!:_ 'SOp!h$ 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。
oN)K2&M 0 % YU(,83(+ 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）。
5 QM u=/ ]
A")B<BK z@<`]
变焦优化
O '$:wc# pw&l.t6. 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
M@{GT/`Pf }$iH 3#E8 roL~ r`f` |\N[EM%.@ 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
9\Y j`,i5 6,s@>8n Eiz\Nb H={fY:% 得到结果：
W%~ S~wx rq2XFSXn nm\n\j~ { -<h5_h@ 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。
&\c$s 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
JUwP<C[ hDVD@b k)y0V:ZY]O yUEU IPL 像差分析
n;O
3.2
查看畸变
!|Vjv}UO
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。
Ak>RLD25_ E})PNf; Ct"h.rD ] iFga==rw 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
D~2,0K M 0 8 A P YA 1
1V JE+3 S GIHT
O^sgUT1O M 0 5 A P YA .7
N}.h_~6 MUL CONST 2
gKS^-X{x
S GIHT
) `;?%N\ 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
x ?Q;o+2v SU
H^ ]4> <lv:mqV )+\e+Ad}H 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
a)`h*P5@ I#$u(2.H 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
N IV&)`w #pOW2 Uj8\ js k <N 7J0 PO}N 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：
` LU&]NS3 M 0.5 2 A M YMTF 1 72
<0&];5
o n 专门优化这一条MTF。
l^"gpO${K
(lt/ t #(XP=PUj @bD,^3 U 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。
){8^l0b @GjWeOj] 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
B4U+q|OD# s_E iA _ 优化宏
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{?eD7xL:- 再进行优化退火，50，2，50
Pf(z0o& xr.fZMOh4 :) mV-(+o J#'c+\B<2X 得到最终结构：
1/ j}VC Hyc19| CX\#
|Q8q $yc&f(Tv 各个像质结果：
qItj`F)d RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
8G(wYlxi C 5)G^ 变焦位置1：
se7_:0+w %
sT=>\
5RZAs63t
基本参数
变焦位置1：
u3c e\ 3}Uae#oy 2Ni2Gkf@
-u)06C*39 变焦位置8：
S(/@.gI:f h:j-Xd$H+ q$U;\Mg) 畸变
6t*=.b,N ^VoQGP/cl 变焦位置1：
( 3=. 3[ EMJio\ rP#@*{"; 1~ZDHfd5 变焦位置8：
H 6e ^" E 85Ms*[g Z1OX9]##r MTF
B/pNM81( ka" jv"z 变焦位置1：
,>"1'i&@ @(Q4 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
Gz ^g!N[ J&
yD X> 变焦位置8：
(Z 6[a{}1i f)N67z6 Awe\KJ^` CbK7="48 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
<}.)kg${O l,sYYU+iY 相对照度
'Y>!xm
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
GTJ\APrH 变焦位置1：
0D 0 #*J ;?%2dv2d YQ e @C ZL~}B.nqS 变焦位置8：
NL2n\%n b\H(Lq17 cC WOG d 主光线角度
s9O] tk
远心度都在1°以内
$3"0w 变焦位置1：
%l3RM*zb 7Zr j U { 4 #4kfGoT ]P] lG- 变焦位置8：
h'T\gF E% j:U>V7Kn3~ _VR4 |)1g 总结：
'6
w|z^ G s*ea'T) 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。
^k u~m5v LhV4 ^\+ 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
