概论
Y)pop :y t iCg%$h 成像镜头包括定焦镜头和变焦镜头，我们在日常生活中使用的
光学系统大多是可以变焦的，比如手机镜头、专业相机的镜头、显微镜等。
]3f[v: JQ \ f+;X 成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力，如 CCTV 监控镜头，红外探测镜头，摄影镜头，双筒
望远镜等等，镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件，放大缩小或局部特写，这是一个定焦镜头所无法完成的。
5 D^#6h 4 fd>{ UyU 所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。
rM
A%By^L- *!&?Xy%\"j [由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析
优化方法。
o ^UOkxs.
J@_^] 设计要求
vn$=be8l4 ]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：
}s<;YC i.)n#@M2 I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
Y!_c/ !Tx I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
hB.8\-}QMq 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
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)x&uM! md'wre3 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。
n~|?)EL 3Q=\W<Wu 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。
ut560,h~ S!=R\_{u$ 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
{fHor Er
j{_i?R? 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
zs
I?X>4 r1<*=Fs=>> 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%。
+<[ q"3 `Tyd1!~ 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。
1Xm>nF~ DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
P<vU!`x% q a7ZufB/ Pm)*zdZ8 6#CswSpS 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：
Eq;w5;7s [ R+M .5 搜索宏
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H OWpTu(
<Y}m/-sD5 z!bT^_Cc0 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
-sJD:G,% +39uKOrZ 0Pf88 '6 +)q ,4+K%} 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
w$f_z*/ 6X h7Bx1 ?|W3R K ; ,s 3| 设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
PL$XXj>|: /K&9c
!]$C 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）。
m6BUKX\m ]
:+jg311} oOI0q_bf
变焦优化
Y"8@\ 73(R 2ak]&ll+h 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。
} 'x)e $aJay]F ff.k1%wr^ Fh)xm* u( 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
d6tLC Q m-Jy
4f# B;=Z^$%T ig.Z,R3@r 得到结果：
cK]n"6N[ |Vz)!M
O[M Fp }?mSMqnB 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。
e7xv~C>g 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
IWq\M,P 4lX_2QT]E p! :oT1U !|4]V}JQ 像差分析
+\_\53
查看畸变
PsNrCe%e
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。
7 "'P fP4c >Df; 1:U zx\ -He `H:`JBe=+[ 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
8o|C43Q_ M 0 8 A P YA 1
}1 qQ7}v S GIHT
dX 1jn;7 M 0 5 A P YA .7
T=-UcF MUL CONST 2
m\jjj^f a S GIHT
ZXb{-b?[` 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
7=?!B#hm ! p#P<V% ^ fC2o%3^ ~Oq
_lM 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
4pT^ * Psx"[2iZm 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
\)u A:v a~LA&>@ wMCg` rk -n|>U: 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：
iLBORT !; M 0.5 2 A M YMTF 1 72
FvVC 2Z 专门优化这一条MTF。
\f4rA?+f F68e I%Y b?`2LAg n g4,ldr"D 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。
M-h+'G d*Mqs}8 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
g!_#$ az3 1\@PrO35J 优化宏
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{c3FJ 5: 再进行优化退火，50，2，50
Gu$J;bXVj tc `3-goX w`8H=Hf 7:LEf"vRZ 得到最终结构：
MQw}R7 D['J4B .>TG{>sH n;:.UGl9. 各个像质结果：
)_C>hWvo_ RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
IYq#|^)5+ Fl($0}ER 变焦位置1：
ba G_7>Q9H a" YVr'|
zOSUYn
基本参数
变焦位置1：
.GJbrz o>(<:^x9 EmO[-W|2 TE o 变焦位置8：
:35h0;8+ <?IDCOt ? iP9 ]b& 畸变
BQWg L &D[M<7T 变焦位置1：
}a!|n4|` ,sc#l<v )! rD&l$tE tx[ ;& ; 变焦位置8：
C TG^lms Ww 8U{f '+$r7?dKP MTF
T=pP )vOBF5 变焦位置1：
=/'>.p3/S XQ [\K6X5 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
@BnK C&{ Y1r'\@L w 变焦位置8：
Gev\bQa |Tmug X7 .4E24FB[f? f eB ?
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
mz1m^p)~{ PO'K?hVS^w 相对照度
r]xN&Ne5Q
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
xzY/$? 变焦位置1：
S6 bYd` x1wD`r (T2HUmkQ6 ) C~#W 变焦位置8：
~2hzyEh 11QZ - ^ -tWxB GSa@ 主光线角度
Oz\J +
远心度都在1°以内
:tFc Pc' 变焦位置1：
,V]FAIJ \NDW@!X BR@gJ(2 l<=k#d 变焦位置8：
V]Ccj\Oi }vB{6E+h/w "dndhoMq 总结：
w_`;Mn%p r`FTiPD. C 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。
-ys/I ,}< n=d#Fm0< 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
