概论
6$_/ / '>0rp\jC 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。
HI*j6H?\ CHo(:A.U> 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。
,!'L~ { KQv97#n1 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。
mb_~
"}A g _2EH [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。
HA W57N W^Z# _{ 设计要求
7PG|e# ]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：
p5PTuJ>q +4--Dl? I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
. L'eVLQe I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
( V^C7ix: 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
f )K(la^' l7 M! [Ur 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。
f{j (H?5 JMIS*njq^ 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。
>wJt# ZB UYW{A G2C 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
n\G88)Dv`V 8
DE%ot 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
cW*p}hD 9]^ CDL 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%。
&ytnoj1L( -|aNHZr 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。
!3 j@gi2 DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
m#kJ((~ vh" > Z4 @h$4M t7N l
S m7i 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
|E =8 ZB@Bj>,b p 搜索宏
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u#s b r8Y
SB}0u=5 z=/xv}, 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
9u2 Mra k6mC _ |r%lJmBB ~D$?.,=l 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
N5 Rda2m %A ^qm M);@XcS f~{@(g&Gl 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。
oiL^$y/:;z pcl '!8&7 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。
s1| +LT ,D ]
m\O|BMHn ?.%'[n>P
变焦优化
V( A p|I:G 13v# 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
Fs|aH-9\ Ebk_(Py\ X 'W8 mqk *6b$l.Vs 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
u(92y]3, f#3U,n8: "`'' eV3 q;{# ~<"+ 得到结果：
EX.`6,:+ 2 +o94w^'^$b 1tMs\e- ( g>>
插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
f3u^:6U~ 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
gfW8s+ eJv_`#R&Of 5C^oqUZ paG^W&`; 像差分析
?-g/hXx;
查看畸变
00d<V:Aoy
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。
k25:H[ ? h*Ngbj>
0M^v%2 2 ARt+"[.* p 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
'Lb- +X, M 0 8 A P YA 1
E"|LA[o
S GIHT
/ y.+N`_ M 0 5 A P YA .7
cJ >
#jl& MUL CONST 2
Eoo[)V#x{ S GIHT
C ~&~Ano, 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
X$<s@_#1 @TTB$ snW=9b)m `?H yDny 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
e t$VR: b?~%u+'3 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
?k*%r ;e> 'p{N 5eM 9O.ok U ? !dy 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
? V0!N; M 0.5 2 A M YMTF 1 72
G; *j L4 专门优化这一条MTF。
PDEeb.(. S3G9 / yG`J3++
S 2qF
?% 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
_7#9nJ3| HL ^+:`, 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
=y$|2(6 C " W, 优化宏
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aB N^J_ 再进行优化退火，50，2，50
1 @}`dc d\_$N b* \.`;p :U}. 得到最终结构：
%)|pUa& 8-2e4^
g( w' / Mn+ [f?fA[, [ 各个像质结果：
_Prh&Q1zs RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
}KB z8M5 zree}VqD;5 变焦位置1：
ID#p5`3n @]r l2Qqe
*K<|E15 ,
基本参数
变焦位置1：
3Dd"qON! {c;][>l *XlbD j`'9;7h M6 变焦位置8：
KXQ &u{[< TvbkvK gB;5&;T: 畸变
907N;r &7i o/d\/ 变焦位置1：
q, 8 TOn wc%Wy|d ~`uEZ S^Lu RF]F 变焦位置8：
'\ MYC8" Q=,6W:j Hz*5ZIw MTF
_XO3ml\x@ e6
R<V]g 变焦位置1：
Mx3MNX / iB]xYfQ&@V 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
@Nm; lZK y .O% 变焦位置8：
O7M8!3Eqm ]~Su W7F1o[ 9?jD90@
} 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。
:"vW;$1
} 4dEfXrMf 相对照度
0bR)]"K
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
nE 2w ? 变焦位置1：
H 8'q Y %M=Ob k _V.Mm A P1r)n{; 变焦位置8：
r@O5{V DFk0"+Ky s9Tp(Yr,k 主光线角度
2ncD,@ij
远心度都在1°以内
^Uj\s / 变焦位置1：
_5t~g_(1OK uPmK: 9]3R yobcAV` K Wq&< X5 变焦位置8：
DR%16y<h )U?5O$M;lE dHzQAqb8J 总结：
s U|\? pJ =ObI 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。
]g3RVA%\l U
'$W$()p 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
