概论
?B <.d8i Xi!e=5&Pa 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。
/?*ut&hwv vZXdc+2l 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。
a?*pO`<J{ @I?: x4 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。
U"a7myB+jX jwheJ G [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。
$5>m\wrl j2mMm/kq\ 设计要求
6+:;M b_S ]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：
% {0F. T/jxsIt3 I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
I^G6aw I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
%I@ vM s^ 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
ul!q)cPb{ otQ
G 6 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。
xp *d: SUD~@]N1 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。
Wl]XOUZ {"db1Gbfg 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
So4# n7 UkC'`NWF* 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
sY?sQ'E2] 4|DN^F~iut 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%。
.p(r|5(b :bXTV?#0
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。
nI 8zT0o DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
3A\Z ]L @ @=,bO h;~NA}> D[{"]=- 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：
$_gv(&ZT CiTWjE?|7 搜索宏
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x! u6LDq0
gl!ht@;>ak 3;R`_#t+ 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
&%T*sR =>7czw:S 1 /f hS#+V* W >| '4y) 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
UU ' 9 S`vw<u4t !e('T@^u6u /9| 2uw` 设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
AG"iS<u IEWl
I 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。
Zt
1nH ]
| I3&a=, U\>k >|Jr{
变焦优化
1;v wreJ S5~(3I
)v 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
C}\kp0mz JC}T*h>Ee eQIS`T [5Zi\'~UH) 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
kqGydGh*" 0\+$j5; ^ tVIPH.R l>)+Ho D 得到结果：
7r pTk&` =.,XJIw& Ld=6'C8ud (V" 7H 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。
1"T&B0G3l 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
f|2QI ~ R A$?o3--#]G U[:Js@uH_ ZT+{8, 像差分析
WrR8TYq9D]
查看畸变
>Fc=F#tA9
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-8_&E?6m iu{QHjZK( <XzRRCYQ )7Oj 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
?l`|j * M 0 8 A P YA 1
FQcm = d_s S GIHT
?:W=ddg M 0 5 A P YA .7
OGW0lnQ/ MUL CONST 2
$ C8s S GIHT
WctGhGH 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
lNv xt6@s XOEf," !ce,^z&5 4n% |h-!8 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
s2K8 |q= ,;yaYF 6|/ 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
%gTY7LIe1z H)K. 2Q f1t?<=3Ek< Q|Nw @7$` 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
TaZlfe5z M 0.5 2 A M YMTF 1 72
I2?g'tz 专门优化这一条MTF。
Dj
w#{ WR DMT2~mh %3q7i`AZ Hlj3z3 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
RG- ,<G` C(}Kfi@6N 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
oSP^
. BJ$ Qq\hD@Z| 优化宏
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Rz33_ qA 再进行优化退火，50，2，50
~bfjP2
g kqLpt ),0Ea~LB 4 &l W~ot1, 得到最终结构：
dVBr-+ G)%r|meKGB #}8gHI-9% Tg v]30F) 各个像质结果：
x%RE3J- RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
#F+b^WT R ,m)YL> k 变焦位置1：
"9 ;Ay@'B $HV`bJ5!L*
iRL|u~bj
基本参数
变焦位置1：
r
D|Bj(X8 \ X;)Kt" ~<=wTns! =`wnng5m 变焦位置8：
]$A6krfh| OI)/J;[-e `R:HMO[ ow 畸变
1@ Rl^e y !^w}Sp 变焦位置1：
It8@Cp.dU AHTQF#U^ yzJTNLff L%4Do*V& 变焦位置8：
9K#U<Q0b' Tc; j )_C) >\ PNKpn{ MTF
g=kuM tR-rW)0K3Q 变焦位置1：
e fm#:>H E XQ 3(:& 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
S d]`) }I#,o!)Vd 变焦位置8：
*iujJ i fngk<$lvg U9yR~pw (k>I!Z/&2 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
fvw&y+|y! |FZIUS{] 相对照度
!T26#>mV
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
SWMi+) 变焦位置1：
sT F Ru /PtmJ2 [ > 0NDlS%Q: Rs1JCP=d8 变焦位置8：
)R"deb=s YX6[m6L U
ScTeh 主光线角度
5\P3JoH:Yg
远心度都在1°以内
>[TJ-%V>oR 变焦位置1：
NFlrr*=t> H%`|yUE( ? Eh)JJt -n C!kpo 变焦位置8：
:X ~{,J rTL o6wI e=EM07z 总结：
&io*pmUm6 hS:j$j e 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。
@P}!mdH1 8i?h{G IMV 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
