概论
JM YM}G 5zI I4ukn* 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。
(AgM7H0 |(1z ?Spbe 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。
Kd,7x'h`E ^,Y#_$oR 所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。
sJ/?R: @Nt$B'+S& [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。
8h7z 8|p*T&Cn& 设计要求
4#@zn 2l ]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：
{-Y% wM8<i t[cZ|+^] I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
jJCd2O] I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
DJhCe==$v 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
;GxKPy I_@XHhyVZ 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
KrT+Svm [2 cG 7A 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
}M9L,O*^ O>`DR0 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
Z:}d\~`x$% 7w{>bYP 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
@RF !p :Yqi5CR 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%。
sIh,@b !j?2HlIK+ 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。
QR($K W( DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
HGpj(U:`c ,0=:06l !'^gqaF+ }-R|f_2Hp 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
thjCfP Yl#r9TM 搜索宏
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vHPp$lql
AA$-Lx(UJk (1(dL_? 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
k%)QrRnB BK 8)'9/ kMz^37IFMG C.
Hr 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
,9W|$2=F } ?=$?3W ?_9A`LC*
u<l[S 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。
+ AyrKs?h -* u7MF q_ 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）。
2\M^ _x$N ]
0;j)rmt 0a??8?Q1G
变焦优化
|BGQ|7DyG #B3P3\ 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
J]A!>|Ic kw>W5tNpf: r9Wk7?w) .>0j<|~
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
R(sPU>`MX ? -PRS.=% #%x zy@` 1>1&NQ#} 得到结果：
%># VhK B`x rdtW B'OUT2cgB Os MU>v }m 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
mjDaus59 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
xn'&TQo0 mX9amS&B$ B\,pbOE?# qcSlY&6+ 像差分析
0yhC_mI
查看畸变
o. ntzN
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。
g?.ls{H \YE(E04w57 XrY\ot`,D KErQCBeJ 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
f D< 9k M 0 8 A P YA 1
?8AchbK; N S GIHT
u:Fa1 !4JR M 0 5 A P YA .7
p0j QQg MUL CONST 2
$[L~X
M S GIHT
nm)H\i 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
18 ApHp 5\MCk "R! B8){ 038|>l-9[ 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
K}e %E &|> fk5x IW 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
uIOnP }w{ 6Ua !7C[\ No( ]W^F!p~eC 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：
m5c?A+@fZ M 0.5 2 A M YMTF 1 72
J!40` 8i 专门优化这一条MTF。
YIjY? >/@wht4- j V\$'3(* $on" @l%U 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
^O#>LbM"x 3
q1LIM 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
5L6_W -n{ @ev"{dY 优化宏
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}H^h ~E 再进行优化退火，50，2，50
(X =JT c2Q KI~\x e [ <vVe! a8D7n Ea 得到最终结构：
us j:I`> >KPxksFR8 ! =(OvX_ < b`a4SfbQS 各个像质结果：
?A4zIJ\ RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
d 8YP<"V& +rAmy 变焦位置1：
=35 g:fL
Iw)}YZmn
oeV. K.
基本参数
变焦位置1：
I5#KLZVg lZ5LHUzP j<"@ Y7 \9
,a"g 变焦位置8：
*Ubsa9'fS I+08tXO JWZG)I]r 畸变
l tQo_k S vTd#>ke 变焦位置1：
F9ytU> zh m*bTELb s2Z'_r T olm0O (9 变焦位置8：
=Msr+P9Ai qQ&=Z` p! `$PdI4~J MTF
]A? (OA xUW\P$ 变焦位置1：
%C[# :>'+ M `O=rH
} 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
4{PN9i
E ;H' ,PjU 变焦位置8：
ys/U.e|) ! kAV4V;ydh @\*`rl] L m-f0\( 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。
.-Z=Aa> B4
k5IS 相对照度
uSsP'qd
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
v[Mh[CyB 变焦位置1：
I K9plsd* h5)4Z^n ;B^ 9sr SO|!x}GfI 变焦位置8：
q1^bH 6*fl tZXq <k9 I]@QhCm0 主光线角度
+X%pUe
远心度都在1°以内
MZrLLnl6\ 变焦位置1：
"cZ ){w 9kzJ 5} awU! 3)B R@df~ 变焦位置8：
=L\&} kz B XQ'$J_hC lRA NXM 总结：
!U7}?i& H 9GX'+$R] 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。
`_iK`^(- aCRi W;+' 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
