概论
? O.&=im_ VB Ce=< 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。
+!X^E9ra bygwoZ<E 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。
>4;A (s` 46*?hA7@r( 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。
JV@>d K8 q*2ljcb5 5 [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。
3]wV`mD uvT]MgT 设计要求
k1X <jC]P ]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：
3o6N&bQ b rK];2[U I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
$Cte$ jg{; I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
xD1w#FMlQs 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
67d0JQTu m Wtwp- 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。
MLUq"f~ N J6jrtLh 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。
K{ N#^L! 't
wMvm 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
WFtxEIrl3j .t\5H< z 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
pmfyvkLS .a$][Jny 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
*8Gx_$t& KVJiCdg - 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。
dq[CT DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
6zyozJA HZR~r:_
i aVd{XVE 2OEO b,` 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：
R7+k=DI } nu hLt1 搜索宏
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7)~/`w)P
lv,<[Hw1 &AC-?R|Dp 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
%T!UEl`v \3x,)~m ^oM* f{9 'H:lR1(, 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
Z?X
^7 < wOINcEdx \S3C"P%w $K Krl 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。
A:>G: X 5t ~,.Agx 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）。
aHS.U^2 ]
W%)
foJ Ry tQNwv3
变焦优化
8 z\WyDz \3Ys8umKq 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。
L Ktr>u I
91`~0L* rJ K~kKG #N wlKZ- 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
U_Id6J]8 [[ H XOPaV p<tj6O $GPenQ~}, 得到结果：
uG~%/7Qt{ Xfk&{zO-j D:M0_4S =]E;wWC 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
=DUsQN! 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
R2-OT5Ej f?[I wA` ZmU S} j'I$F1>Te 像差分析
UII R$,XB
查看畸变
3T%W fS+
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。
/EA4-#uw rU%\ 8T0f x4Y+? 2 y;3vr1? 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
+(QGlRd M 0 8 A P YA 1
bw ' yX S GIHT
hT# [[md" M 0 5 A P YA .7
lmgMR|v MUL CONST 2
_\1 wLcFj S GIHT
dq[j.Nmq 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
%HpTQ ;a*i*{\Rm &S]\)&Yt 1ki##v[ W8 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
eOE7A'X ^D
;X 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
s-J>(|
z<hy#BIjnd ZOi8)Y~ !Z`~=n 3bk 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：
ebcGdC/%> M 0.5 2 A M YMTF 1 72
ubju uha" 专门优化这一条MTF。
"9>~O` l, h)~KD% pdngM 8n b(&2/|hd 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。
1.4]T, ` 7AX<>^ 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
"W?k~.uw Y7zg 优化宏
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pJ ;J>7Gt 再进行优化退火，50，2，50
K, WNM S D\jRF -z *1$rg?yGf S`)KC- 得到最终结构：
c 5+oP j DvKM[z3j ;o H17 @TdPeTw\ 各个像质结果：
l`UJHX RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
4/&U s Nq/,41 变焦位置1：
/ QZnN?k xa[<k >r3
Zz'(!h Uy
基本参数
变焦位置1：
bN`oQ.Z 4 S#8w nHq ),(ejRP'r I3uaEv7OZc 变焦位置8：
J^R))R= mnzamp #'^!@+) 畸变
lbZ,?wm "CapP`: 变焦位置1：
^/47 *vcN5 3k` "%R.H y \$B9KX 3ZGU? Z;R 变焦位置8：
B$1e AwT9
oJ ~ZzW 2
:u4~E3 MTF
s^TF+d?B };o6|e:2E 变焦位置1：
bHH{bv ~Z `C%,Nj 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
%<6oKE bg[k8*.:F 变焦位置8：
}L^Yoq] M=H W2xn 0}2Uj>!i OD-C U8X9 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
4(o: #9I VT96ph 相对照度
d/!sHr6 9
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
ywXerz7dUk 变焦位置1：
Ir|Q2$W2^c :~3sW< P R <mj H#aSy \:mx Ri 变焦位置8：
5V!L~# Z#BwJHh }jBr[S5 主光线角度
JryDbGc8
远心度都在1°以内
~
nNsq(4 变焦位置1：
vmK<_ xbwd VQ5T$,& [wG?&l$.KB $6}siU7s4 变焦位置8：
t uo'4%]i m8,P-m 7 Oe |:Z 总结：
O Ul+es 1d h_" / 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。
fIN8::C s[ 'uBXSP# 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
