概论
?` ZGM IG3K Pmu 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。
qeO6}A"^| 1o"oa< *_ 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。
77=y!SDP ZZ.0' 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。
c402pj
n-| i [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。
2" {] A;@ DGuUI}|) 设计要求
F# 37Qv ]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：
m LxwJ `))J8j" I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
|EEz>ci I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
: z,vJ~PW 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
4`5Q t=} Xy8ie:D 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。
Vwh&^{Eh 0|+hm^'_ 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。
{pJ@I=q - 9<yB 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
O
|I:[S}, L4A/7Ep 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
8!fAv$g0 M0IqQM57N 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
`GN5QLg#}0 MKh L^c- 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
CH_Dat > DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
Z$=$ oJzB ; dHOH\,: ,["|wqM SIBIh- L 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：
-0 J<R;cVs BMsy}08dQ 搜索宏
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k-PRV8W O
wT AEJ{p r
L|BkN 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
JP% ;rAoJ c M'[;u lJQl$Wx^ 7/$Z7J!k 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
:bF2b..XOu B46H@]d#7K y42 T.oK8c ^0?cyv\>LA 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。
K.L+;
n Q L5|;VH 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）。
27i<6PAC[A ]
bzL;)H4Eo R#^pNJ N
变焦优化
Fb NQ 3:gO7Uv
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。
GQAg
ex)D T`0gtS S ZjbG&o c 8[P6c;\ 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
GM5 6xZ!2T r\- k/ 0 f6A['<%o 00x^zu?N 得到结果：
!_z>w6uR
@9P9U`ZP -r0 \ ill' K Py 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。
6D]G*g wk[ 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
>N"PLSY1 (zODV4,5k` C^v - &*v `fh_8%m]* 像差分析
! { aA*E{
查看畸变
mP +yjRw
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。
90k|u'ikOp ~g|0u O}. #E K8Qe_ 4T\/wyq0 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
/3%xQK>% M 0 8 A P YA 1
| (9FV^_ S GIHT
AsF`A"Cdw< M 0 5 A P YA .7
$6%;mep MUL CONST 2
I`>%2mP[C S GIHT
B>2 1A9& 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
hds 4 _ JU+'UK630 SytDo (_=W V!tBipX% 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
X,CF Y euC,]n. 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
L uK m [<$d@}O !9OgA ,QAp5I%3= 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：
5 !p'n#_ M 0.5 2 A M YMTF 1 72
ZO$T/GE6% 专门优化这一条MTF。
|. W;vc < (19<8a9G glIIJ5d|, K<(sqH 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。
.?]_yX Ka2tr]+s 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
?MB nnyo6 Lxrn# Z eM 优化宏
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JPKZU<:+V 再进行优化退火，50，2，50
|:BYOxAYZ8 $o H,:x?} ' "
yl>" 9F!&y- 得到最终结构：
2a-hf|b1 >xgd< )S?}huX y5 h[^K3 各个像质结果：
YN k|UwJi RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
IQv>{h} L@GD$F=<0 变焦位置1：
5(Oc"0''H I/|n
ma/ $
1k i "UF/
基本参数
变焦位置1：
Okc*)crw 9x,+G['Zt `^{P,N>X ZeV)/g,w 变焦位置8：
6>J #M 4f,x@:Jw Z8UM0B=i 畸变
4VgDN(n0@ NE"fyX` 变焦位置1：
G$<0_0GF gvYs<,: g p2)35 ns k
6a 变焦位置8：
$S{j}74[ ="K>yUfcFl t68RWzqiG[ MTF
\$"Xr P #PQ4uK \ 变焦位置1：
3}Qh`+Yj] # w 6CL 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
| &vuK9q {c; 3$ 变焦位置8：
[%kucG C7 :DJ@HY +6atbbe} *Cw2 h 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。
wt;aO _l oJ:J'$W( 相对照度
R3A^VE;qP
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
;0'v`ob'.? 变焦位置1：
*_wBV
M=2 67?5Cv ,jmG !qJb l H.2H 变焦位置8：
$EF@x}h:A g=Di2j{A $}fA ;BP 主光线角度
5@ug1F&
远心度都在1°以内
eHR<(8c'f 变焦位置1：
U,BB C )VC) } .2xkf@OP l .$#IE 变焦位置8：
L_,U *Jyo c^y 1s* r;z A ` 总结：
&
j43DYw4 AK
HH{_ 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。
5mU_S\)4:z wG
O)!u 4 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
