概论
@n=FSn6 c I W|1)8d 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。
wmv/ ?g BYDOTy/%nJ 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。
$uNYus^vS Q5v_^O<! 所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。
U}`HN*Q.q Y6%O 9b [由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析
优化方法。
pzBd(d^* 0w l31k{ 设计要求
_Ai\XS
Am ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
_1Iw"K49Qx 0j~C6 vp I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
wvSaq+N I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
s2+s1%^Ll 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
G5 x%:,n cbA90 8@s 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
^$O,Gy) V 4[]4KKO3Q2 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。
$5 l=& "^iw {]~U 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
^R S`q+g Pd<>E*>}c. 光学参数：
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) ＜1
hI 1 }^; of:xj$dQ_ 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%。
{#1}YGpiVM O7RW*V:G@ 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。
$'VFb=?XrK DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
ugt|'i t7DT5SrR P\H$*6v( )Wm:Ilq 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：
O% kX=6 j kIgEF2d* 搜索宏
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. ),m7"u|
f~? MNJ2 2^7VDqLc 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
4jl-? 1e#}+i!a RI_3X5.KQ s k_Q\0a 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
t |aBe7t7 It@.U| LY^pmak Ol'Ct'_k," 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。
LN?W~^gsR 9I C|2w66 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）。
_YW1Mk1 ]
%A dE5HI- /u 8m|S<
变焦优化
0Y9\,y_ FHS6Mk26 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。
\Z^YaKj& 3X&}{M:Qo /-l 7GswF #yv_Eb 02 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
ZLJfSnB PI#xRKt >8nRP%r[5, bi bjFg 得到结果：
t .&YD x Q!: J.J q(J3fjY) 8` *Wl;9u 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。
--S2lN/:T 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
A-&C.g c6;tbL Z`23z( + ^[SQw)* 像差分析
kmm1b (
查看畸变
lmZ Ssx
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。
@""aNKA^r> hSq3LoHV x-km)2x=W D0D0=s 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
([='LyH];z M 0 8 A P YA 1
>v9 (" S GIHT
1O0o18' M 0 5 A P YA .7
9 GuG"^08 MUL CONST 2
`)FSJV1 S GIHT
P OQRq%w 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
p*8LS7U T Lmx95[#@a F`;oe[wfk T< "Hh.h 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
#=@(
m.k:s @54D<Lj 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
jiMI&c l E4aCL#}D NuKktQ d K%ltB& 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：
, [xDNl[Y| M 0.5 2 A M YMTF 1 72
-9)<[>: 专门优化这一条MTF。
G%w hOIFRq j_VTa/ hmv"|1Sa!~ pmR6(/B# 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。
\e64Us>"x o/ bmS57 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
sG`:mc~0 GtRc7, 优化宏
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UGK4 uK+I` 再进行优化退火，50，2，50
V8w!yc 5"=qVmT) [!B($c|\ R87-L*9B^0 得到最终结构：
^T83E} T> cvV C~F do0D AOhfQ:E 4 各个像质结果：
8jW"8~Y#0 RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
y<bA Y_-[ LwQq0<v 变焦位置1：
SR@yG:~ ZtPq */'
y -j3d)T
基本参数
变焦位置1：
XS 5*=hv: D3s]49 j) S3rN]!B+ i#o:V/Z . 变焦位置8：
^W|B Xxo ?YzOA$ { I Kx]?0sS 畸变
aV?dy4o$ <<}t&qE%2% 变焦位置1：
QZ!;` ?( !iBe /yb ]]~tFdh `wRQ-<Y 变焦位置8：
,2\?kP oc8 .:?X<=!S&t bkfwsYZx MTF
C'mYR3?m; ;fLYO6 变焦位置1：
/ 4 P+ 41f4zisZ 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
UV}\#86! G9y
0;br 变焦位置8：
UruD&=AMK YY~BNQn6d }}Gz3>?24= OU&esw W 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。
+L(0R& C VhdMK q~` 相对照度
>*#clf; @p
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
7?Vo ([8 变焦位置1：
FV >j
!>Y oxkA+}^j8M 6[g~p< 8n} 5ve4 u 变焦位置8：
6( 1xU\x f>$Ld1 &?\'Z~B4 主光线角度
~Q7)6%
远心度都在1°以内
%Z|]"=;6 变焦位置1：
Wez"E2J` ?' F>DN W\xM$#)m $6\-8zN k 变焦位置8：
F0,-7<G d4@\5< e_3KNQ`kA 总结：
r?Y+TtF\e pAwmQS\W 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。
Y@WCp 4 j9 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
