概论
O%r<I*T^r c\ Dv3bF 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。
>qE$:V "_5 L" o6)N 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。
{#vo^& B ydt1ED0Q- 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。
+~ -|(
y ?Rdi"{.wI [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。
W>~V?%F&' DCj!m<Y& 设计要求
<W pz\U ]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：
$)U
RY~; i 5G Kz@as8 I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
6
Qmtb2 I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
Yr+&|;DB 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
6R25Xfm_| FB@G.f 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
0PN{
+<? . bu]bfnYi9 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
`)'YU^s B4 hR3 % 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
Rh=h{O C
RNO4 光学参数：
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) ＜1
}5K\ l
S7bSR?~L[ 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
.Fe EK( wegBMRQVp 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
[Y[|:_+5 DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
% :NI@59 FX{Sb" '>Z
Ou3> %Eu SP0 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
~Y{K ^:wN^ uB \A8zC 搜索宏
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=_5-z|<
s S._N@f n}"MF>zDK 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
e. [h ^Oo%`(D? zQ6otDZx m 9r
X 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
MD +Q_ k3&Wv y&UsSS [ACa<U/ 设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
nk[ixVc bFcI\Q{4 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。
;X8eZQ ]
*cf#:5Nl DUaj]V{_^
变焦优化
@>:r'Fmu- =oBV.BST u 修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。
HJDM\j*5 ,a}+Jj{ YQ]W<0( \j4TDCs_[ 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
&U:;jlST9 /)j:Y:5 aPRF Ay[6r UO 得到结果：
7"1M3P5*8 LqNsQu "; 6]M(ElV1H `rvS(p[s 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
d-X<+&VZ 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
@I9A"4Im ZjWI~"] vLq_l 4l
Dc
U$sf* 像差分析
L^dF
)y?
查看畸变
O.i.<VD7
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。
C-&\qAo?<: D KR2b`J `$05+UU RK< uAiU 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
umI@ej+D M 0 8 A P YA 1
"d% o% S GIHT
? g}G#j M 0 5 A P YA .7
05Ak[OOU> MUL CONST 2
|Y4c+6@_ S GIHT
voiWf?X 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
}Ge$?ZFH
(cx
Q<5 ;O+=
6>W xQ%N%
` 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
!#3v<_]#d ',P$m&z 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
P`^nNX]x+, 1N, </<" dSkM A c~SR@ZU 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
~ 6Da M! M 0.5 2 A M YMTF 1 72
lxf+$Z`~: 专门优化这一条MTF。
n&1q * }Y:V&4DW -%,=%FBi~4 ]jjHIFX 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。
Q WcQtM .~u[rc|< 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
D HQS7%)f` F$M^}vsjGx 优化宏
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FF #T"y0Y 再进行优化退火，50，2，50
zcGmru|k H\RejGR -!q^/ux 8
kvF~d
; 得到最终结构：
42M_ %l_ >jz9o9?8 $O3.ex V =U'!<w<- 各个像质结果：
OY Sq)!: RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
%:t! u&:q jh(T?t$& 变焦位置1：
K
@RGvP 0nbY~j$A=
rtNYX=P
基本参数
变焦位置1：
. J <t] Q p7h|< >v2/0>U ~y{_NgMo 变焦位置8：
,.Lwtp,n P?p]sLrP 1*" 7q9 x 畸变
e>6|# d x
]" > 变焦位置1：
'i',M+0>jC !0d Qfj^_ ^hXm=r4ozR k3K *{"z 变焦位置8：
oqAO@<dL! kDol 1v` ?Z2`8]-E MTF
;4l8Qg
7 )r^vrCNy> 变焦位置1：
w"5Eyz-eO fLnwA|n= 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
-0UR%R7q R2v9gz;W 变焦位置8：
p[w! SR%=
9u^M{ 6 ( <YBvpt4> EB|
iW2' 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。
r4pX4 7H t L3R<' 相对照度
oUwo!n}
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
3m= _ a 变焦位置1：
8t Q;N' "I66 @d? qC g<g %cLS*=MO 变焦位置8：
[0EWIdT*b [I=|"Ic~ iLch3[p% 主光线角度
i,h 30J
远心度都在1°以内
aX`uF<c9 变焦位置1：
:`e#I/, +N=HI1^54R 'y\Je 7 {;DAKWm@T 变焦位置8：
Ie(i1?`A8 ele@xl E/g"}yR 总结：
K fD. J) Z/%FQ 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。
QuqznYSY{ *#'j0;2F 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
