概论
u+
hRaI;v P{BW^kAdH 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。
KFRf5^ % gK( G1 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。
! * KQ2#e 3)L#V
. 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。
z}B 8&*> Jt #HbAY [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。
TvS<;0~K >56fa6=3@ 设计要求
wt;`_}g ]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：
2b,edJVt? KeB??1S I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
_sZ&=-FR I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
dh.{lvlX| 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
{:b~^yW O*bzp-6\ 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。
H "5,To |z"$^|@d? 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。
N{ $?u %W$b2N{l 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
*M*WjEOA ~7PiIky. 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
bfEH>pQ> # $tI<MZ&Z 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
b:r8r}49 YJ-<t6 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
Nd_A8H,&B DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
S:Jg#1rww- SIK aDIZ ,3c25.,* D U)q]'[u 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
),y`Iw 6 V ncr} 搜索宏
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<#;5)!gr{
F |y0q:U B0A y 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
fAz4>_4 JiO8 EIM )4-!]NsV rBU)@I pDG 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
akPd#mf :8 `$Bb V >R_m@$` \kf
n,m 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。
Cg%Owe/E?0 2hso6Oy/v{ 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）。
zY@0R`{@p ]
kP/<S<h,g 3Nwix_&S
变焦优化
auX(d -m ujN~l_ 4 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。
D| <_96_m YlT&.G 5Ma."?rW
}EHL
}Q 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
lq]8zm<\)] -P-8D6 Rq e|7/As ;$ 1x_
Cb 得到结果：
N !ay#V :xq{\ "r -{J0~1'#- 7lAJ
0 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。
nT2b"wkTT 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
%K8YZc(& T-GvPl9ZJw 2 M\7j $;} @2U 像差分析
AS:k&t
查看畸变
|+JO]J#bc
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。
J7oj@Or9 Zn40NKYc ]Ol
w6W?% +t1+1 Zv 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
,' t&L] M 0 8 A P YA 1
[Mc H l1a S GIHT
"X._:||8
M 0 5 A P YA .7
d2US~.;>l MUL CONST 2
J#4pA{0 1w S GIHT
]9'F<T= $_ 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
& e3}Vop 1:M'|uc 7bE`P[ ]5:[6;w S 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
7h!nt=8Y
lX/7 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
59:kL<;S- oa5L5Zr,A {| j- e{* r8N)]Hs ZH 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
I7 SFG O M 0.5 2 A M YMTF 1 72
BT;1"l< 专门优化这一条MTF。
Xkx&'/QG,U N>sT@ >
) "Wk K1u vO"E4s 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
.#a7?LUH / :BC<]s 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
j 5[ >HL NU {eoqaT 优化宏
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=%> E8)Jb 再进行优化退火，50，2，50
?$<~cD" Sw t4~?m{ ts@ e
, ,,I K} 得到最终结构：
RLLL=?W@ (r'NB @Xh8kvc81 H.l
WHM+H4 各个像质结果：
[!} uj`e RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
;
+Ie<oW {\VsM#K6 变焦位置1：
#L*MMC" :'fK `G
6
7<2?NLE8*
基本参数
变焦位置1：
,g|ht%" aK,\e/Oo ogdAJw6 9 <3=k 变焦位置8：
RJN
LcIm f_ hG2S k I3l1 _ 畸变
ashVV~\8A s <$*A;t 变焦位置1：
z!~{3M '$ G%HUn gKPqU @$* uIJ
zz4 变焦位置8：
" 68=dC 1JI7P?\B !+Sd%2o MTF
?D NeL;6 IZ . b 变焦位置1：
N$Tzxs g J$m'kC; 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
j2n
4; m ~%: TE} 变焦位置8：
|l?*' = @XKVdtG G#'G9/Tm AIA4c"w.EO 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
pSpxd |k {UhpN"'"n 相对照度
&23t/`
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
*NI hYg6 变焦位置1：
zn\$6'" 2QIo|$ P$`k*
v f{D~ZC.* 变焦位置8：
*AYjMCo t@`Sa < o -]8)G>~M 主光线角度
Mg u=cm )
远心度都在1°以内
-9"[/ 变焦位置1：
0Jm)2@ x^UAtKSy #~q Y%X 2|8$@*-\ 变焦位置8：
'[[*(4 a3 ~T'$gl -$y/ *' 总结：
: DBJ2n sRGIHT# 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。
Vdf~ rV 4({Wipd 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
