概论
q<5AB{Oj? hKG)*
Q 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。
-E*VF{IG1 'Y6x!i 2 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。
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@WF 3RwDI k?>% 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。
(%bqeI!ob Cb`2" mpWS [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。
td}%reH !x%$xC^Iz 设计要求
[iT*L) R4 ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
Ys+2/>! 6k 1;62Ntk I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
^HO'"/tB@D I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
a9+l :c@ 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
K!L0|W H%! &l&B[s6[ 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
5a0&LNm u3[A~V|0= 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
w=|"{-ijo Vr|sRvz 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
bL6 , fUS
` oPUf! 光学参数：
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) ＜1
@(b;H 0r~ p7Q}xx 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
i_[nW :iKk"r,2P[ 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
q' % cVM DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
`A\|qH5`W oP%'8%tk gq:2`W& 5 bb@3%r|_< 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
s)eU^4m f@)GiLC'" 搜索宏
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UHaY|I${U
+~ZFao qf ~T'!.^/ 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
0v "h / #P^cR_|\ ^! r<-J
;oT!\$Mu 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
ZD`9Ez)5 9_/dj"5 K'DRX85F "m'roU 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。
Wh7}G YU (|i}b 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）。
$z":E(oy ]
v;_k*y[VV$ )LRso>iOO
变焦优化
:tTP3 t5 wpW3%r;9 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。
{i!@C(M3 @qaK5 P&2/J%@zG /bBFPrW 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
zmEg 4 v'I >ow5aOlQ& 7 G 3*@cl jeLC)lQ* 得到结果：
'{ I YANVT [$+N"4 x_eR/B> u&7c2|Q 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
Oq W (C 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
0DIXd*oj & 8<w8"B.i ]"DsZI-glW 017(I:V?(: 像差分析
hZ;[}5T\<S
查看畸变
gb,X"ODq
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。
Qjl.O HO -NgL4?p= Jd0I!L !U?Z<zh 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
qL
0{w7 M 0 8 A P YA 1
tPb$ua| S GIHT
wFHbz9|@I M 0 5 A P YA .7
{YoK63b$ MUL CONST 2
XFx p ^ S GIHT
0Ia8x?80V 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
1p%75VW S.$/uDwo _,C>+dv) 61"w>;d6 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
)kl(}.9X
X u+^41 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
x_K8Gr#Z 0 ;xKPa6`E ha -KfkPFE FO/ [7ZH 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：
}k K6"]Tj M 0.5 2 A M YMTF 1 72
+YA,HhX9 专门优化这一条MTF。
1q Jz;\wU ^zs]cFN#% %0< -5&GE $afE=
qC* 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
&0='z 'Rg6JW\ 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
|8:IH@K* ff3HR+%M 优化宏
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3cH`>#c 再进行优化退火，50，2，50
ee+*&CT) T cP
(?v `BA,_N |6 Up/s)8$. 得到最终结构：
S.#IC
lV (r ]3tGp />EH]-| AdW Lab; 各个像质结果：
\>%.ktG RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
(i"@{[IP p903 *F^[, 变焦位置1：
P0 va= H o_K.
+^$
e_6-+l!f
基本参数
变焦位置1：
g3`:d)| =(-oQ<@v f'2Ufd|J| aUBGp: ( 变焦位置8：
0)?.rthk4S jYv`kt a IA9rn 畸变
;ZSJ-r etPb^&#$ 变焦位置1：
Tr}
r`
% k7 0o=} giDe '4L0=G:A<q 变焦位置8：
i s2OJ, JS&=V 67[ :ziV3jRM MTF
y7s:Buyc -j6&W` 变焦位置1：
CflGj0oy8 RkrZncBgV< 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
Q}A*{9#|
^o *$OM7x 变焦位置8：
i"#36CVT~ ";& 5@H| m~LB0u$ac ?dJ[? <aG 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。
e)Be*J]4 aBH!K
相对照度
LFi 8@
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
O e-FI+7 变焦位置1：
3k AhvL ,:Q+>h w;LIP!T# L=ala1{O 变焦位置8：
x8#bd{ Z |8oD* , KfSI6
Y _ 主光线角度
JD Q7
远心度都在1°以内
Y5 BWg 变焦位置1：
lk$@8h$vS O> 5xFz'm hzT,0<nw k u@sQn 变焦位置8：
r+4<Lon~ pyW&`(]S XM9 }ax 总结：
!e+^}s #s 4v0auK 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。
@w8MOT$ n<}t\<LG^c 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
