概论
5lD`qY OqMdm~4B!j 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。
bws}'#-* s?m_zJh 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。
qonStIP \F`>zY2$% 所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。
=J)-#|eZG W&cs&>F# [由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析
优化方法。
ZG1TR F " !m~r 0M7 设计要求
*2-b&PQR{ ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
+ug2p;<B HU/4K7e` I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
hG~.Sc:G I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
J5jI/P 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
X6Z/xb@ VByA6^JR 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
=to.Oa RR VhLfSN>W 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
q%q +2P> ,.2qh |Ol 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
> r(`4M: ! jAp V 光学参数：
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) ＜1
PB"=\>]`N |ITCw$T 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%。
V\L%*6O H)Me!^@[D 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。
@N<h`vDa DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
OY81|N
j qTbc?S46pt A =Z$H2 x%H,ta% 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
W+8 s> y"7*u
3>" 搜索宏
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6A =k;d o
)sK53O$ wBw(T1VN 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
*'H\ `@L / 3hY[#e %zY5'$v ` \v=@' 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
Crj7n/mp]s GNuIcy =(\BM')l f>Ua 7!b 设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
kzK9 . 9dAtQwGR"6 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。
0uM&F[.x@g ]
ci2Z_JA+ 4,R"(ej
变焦优化
Z 1wtOL OJA_OqVp$K 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。
!fe_w5S ^ #1*7eANfr 0:I<TJ~P `bV&n!Y_ 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
r: >RH, _4 nm h0q4 `jOk6;Z[ ]n"RPktx 得到结果：
x3U>5F@ % ;u"2L0@ L[nDjQn" m`$Q/SyvG 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
n`w]? bL 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
n q>F_h 6yAZvX LxWd_B @' M"c
q 像差分析
="vg/@.>i
查看畸变
D{y7[#$h$
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。
[S~Bt78d%r [\h?mlG? )'RaMo` 4 ?fC9) s 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
?GhMGpd Mq M 0 8 A P YA 1
kc=Z6(= S GIHT
E6O!e<ze^ M 0 5 A P YA .7
1+ 7_L `SB MUL CONST 2
B@dCCKc%/ S GIHT
@b., pwZF 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
!j% uHmvHA~/c8 1(>2tEjYT +Q);t, 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
kF ,ME5% $- % um 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
]63!
W c =6=:OId HRM-r~2:-] 2.MUQ;OX 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：
-}!mi V M 0.5 2 A M YMTF 1 72
52#6uBe 专门优化这一条MTF。
<,/ 7:n c jg~?R (^g XO /2/aMF(J 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。
bE2O[B oUN\tOiS+ 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
a.?U $F lP]Y ^Gz 优化宏
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ybFxz 再进行优化退火，50，2，50
O_.!qk1R 8c9<kGm$E kRX?o'U~C #s\kF * 得到最终结构：
b30Jr2[ @> ~\ So| %
C2Vga# nIfAG^?|* 各个像质结果：
7_) 38 RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
gg%)#0Zi _JNYvng m 变焦位置1：
cRbA+0m> g:y4C6b
= GF=_Ac
基本参数
变焦位置1：
:@-yK8q's aD' Ax\- i +~BVb Y0EX{oxt1 变焦位置8：
G?XA", AC 6g" h}p\{S kAPSVTH$v 畸变
'OP0#`6` eQ8t.~5;- 变焦位置1：
S`FIb'J SN L-6]j ~ @xPoD& vo*oCfm 变焦位置8：
to&,d`k=- mR
XR uK ~ |A0* MTF
$HQ4 o\~ N_iy4W(NU 变焦位置1：
wi
jO2F F4z#u2 ~TC 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
HZ Wt >f 6z6\xkr 变焦位置8：
T7.SjR6X> qA`@~\ qh" C:5d/9k R"P-+T=7M 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。
C5TV}Bq\ YMK ![ q- 相对照度
'=Lpch2J
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
0 \ (:y^X 变焦位置1：
we^' R}d =IQ}Y_xr sHk>ek]2I "H`Be 变焦位置8：
pl1CPxSdO ; xp-MK <Y U4RZ 主光线角度
gz[3 xH~
远心度都在1°以内
0D@ $ 变焦位置1：
fDqT7}L A7+ZY, VlA]A,P}i JOt( r}gU 变焦位置8：
!f52JQyh
w 0= +#BOW z 总结：
] T]{VB 8^j~uH 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。
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N=2T~M 1 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
