概论
uJ`N' `Z o Rfb4+H& 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。
?o<vmIge /08FV|t X) 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。
HOW<IZ^ \ %-<O 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。
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}~?&yB {R$`YWk [由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析
优化方法。
(}#&HE< ^} j~:EZb 设计要求
] #~J[uk ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
/Qgb t q 4BXrEOw I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
\Y# I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
"|\hTRQ 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
lL}6IZ5sb ]4rmQAS7" 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
s>9I#_4] :?f<tNU$ 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。
Rtf<UhUn q/U-WQ<+ 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
+\dVC,,=^g lp*5;Ls'q 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
/%YW[oY{V l&& i` 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%。
^Ks1[xc* ` A-x^JC= 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。
at>_EiS DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
;Q ZG< ,7nu;fOT[ LcKc#)'EE s'O%@/;J 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：
&H _/`Z]Q o HK 搜索宏
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DLwlA !z
<XL%* o sc8;B/ 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
I!zoo[/)% AB=%yM7V* 74_ ?@Z( -=-^rQx9 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
<h(AJX7wsD `JI p$ Ehy(;n)\ <n_? $ TJ 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。
h ! B{7J `! 8\ |/ 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）。
hC-uz _/3 ]
9^^\Z5 e_-g|ukC
变焦优化
N\|B06X n3e,vP? R 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。
e"@r[pq-{u q~>!_q]FE 5?3 v;B6 mmQC9nZ 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
uVY n,DB` &4E|c[HN ['QhC( { sta/i?n 得到结果：
H_g]q pyf'_ '
!huU "'B DVxp'w 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。
R14&V1 tZ 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
j1Ys8k%$l 3 EAr=E] )t~ad]oM +@$VJM%^7b 像差分析
7]@M
查看畸变
3SM'vV0 [
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。
%n]jsdE^| ]:ca=&> Gb2|e.z aT/2 rMKPF 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
zt2# K M 0 8 A P YA 1
DN9x<%/- S GIHT
9X[378f+( M 0 5 A P YA .7
^PdD-tY< MUL CONST 2
=$}`B{(H S GIHT
t<`wK8) 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
6oKlr,. 4FneP i~i vkLt#yj~ @MQfeM-@ 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
OL=X&Vaf< [YQtX_ ;w 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
};2Lrz9< va~:Ivl-) [p\xk{7Y Jv(E '"H 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
[:,|g;=Y} M 0.5 2 A M YMTF 1 72
K[SzE{5=P 专门优化这一条MTF。
d+M ogku2 &WCVdZK: / /G&= i$ Yy!G?>hC 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。
qPN 6o#J 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
)p!")
:'fv b%VBSNZ 优化宏
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KW0KXO06a 再进行优化退火，50，2，50
Wb FCj0 $IKN7 9~,!+# YC{7;=P f 得到最终结构：
C _W ]3 7DW-brd
,g P;XRe1 % [,^2s 各个像质结果：
(1,4egMpR RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
N9c#N%cu _#<l -R` 变焦位置1：
p<VW;1bt5 <!u(_Bxw/
DL_M#c`<
基本参数
变焦位置1：
9 Up> e .Gno K? ]~WIGl"g ,! ~U5~ 变焦位置8：
e?aSM KE)^S
[Da /[3!kW 畸变
a.<!>o<t: -mZ{ .\9 变焦位置1：
?$7$ # DX WsM/- P1Y TI'~K}Te kr
?`GQm 变焦位置8：
KueI*\ p ,g)9ZP.F Io ;26F"" MTF
~m'8BK qmpU{f s 变焦位置1：
a'@?c_y;$ 7"_g X 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
A`1/g{ Ha '$OLU[(Y 变焦位置8：
64!V8&Ay Ks7kaX )\0c2_w> VM
ny>g&3 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
`=foB-(zt "_&HM4%! 相对照度
A7 :W0Gg
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
! FnH ; 变焦位置1：
3412znM& Yc'7F7.<6 mCpoaGV_ Y6 @A@VJ 变焦位置8：
8<ri "m, /9yA.W;
o;:a6D`
主光线角度
4~r=[|(aY
远心度都在1°以内
`S7${0e 变焦位置1：
^coJ" [D whg?X&j\V sXSZ#@u,WN 8eoDE. } 变焦位置8：
Uz!cVs?- hMx/}Tw wt 2 ? 7a\s 总结：
ex2*oqAdX A d7=JzV 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 3YG:* V# 6`PD6 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
