概论
9;JU c0% ];j8vts& 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$6-7<p `p'L3u5H- 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。
WET $H, ZhM-F0;` 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。
dk ;Ed $F\&?B1. [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。
u4fTC})4{C M`iJ6L 设计要求
$?I ^Dk ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
0.&gm@A~c$ )pJ}o&J I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
,CwhpW\Y I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
p 4(- 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
x"U/M ?l Gf]oRNP,N 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。
[xM07%: :sM|~gT 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。
nef-xxXC^I _czLKbcF 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
2c9@n9Vx3a v
mw7H 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
7B+?1 E( ( |O;Ci 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%。
nE::9Yh8z _v]I6<!5U 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。
|oO0%#1H DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
Ya\G/R t41\nTZr x-Xb4?{ (;Lz `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：
L{
.r8wSrI HQ2in_' 搜索宏
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|(y6O5Y.
y~U+MtSf# o&I 0*~ sN 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
5Ko "- EKwS~G.b! s?OGB} Uf_w
o 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
&QCqaJ- SHz& o[u Z(U&0GH` qxd {c8 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。
TpMfk7- Z <ke!H 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）。
I0)iC[s8; ]
yu}4L'e jY ^ndr0;
变焦优化
^{Syg;F= 4p %`Lv 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。
2LD4f[a; GlD@Ud>o) 4 Ag+ YMqL,& Q{1 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
azOp53zR ojyG|Y 5 z El`h r("7
X2f 得到结果：
Rs<,kMRGVL _jeub [ #1m!,t C qJISB7F[%O 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。
%NxNZe 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
wl(}F^:/` @X4; fd G? jY>;P) N } Q, 像差分析
-4GSGR'L&y
查看畸变
(S9"(\A
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。
UDp"+nS >E)UmO{S Blaj07K B_}=v$ 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
YK"({ Z>U M 0 8 A P YA 1
ncS^NH(& S GIHT
ixfkMM ,W M 0 5 A P YA .7
R `s /^0 MUL CONST 2
@6t3Us~/ S GIHT
X>*zA ?: 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
](8XC_-U' D0"+E* A.z~wu%( BB>7%~3f 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
%J+ $p\c 3zh'5qQ 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
Zz/w>kAG*{ %\ 5y6 `o:)PTQNg k$I[F<f 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：
nz>A\H M 0.5 2 A M YMTF 1 72
&,KxtlR![ 专门优化这一条MTF。
u y`U1> pCpj#+ |_) xFyMg& U ?>zq!C&R 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。
}Pw5*duq 5i1 >z{ 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
)03.6 Pvs T,H]svN5p 优化宏
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WpmypkJA# 再进行优化退火，50，2，50
MTLcLmdO Odbjl[>k @br%:Nt *w@>zkBl 得到最终结构：
A= ,q& %|-Rh^H[JK TOBAh.1
ym${4 各个像质结果：
G~m(&,:Mu RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
dC.uK^FuJ {J99F 变焦位置1：
oh:t ex< 9V"^ F.>
+< 3t v&"
基本参数
变焦位置1：
4 Y-9W2s h\.UUC&< 5_`.9@eh. E6@+w. VVO 变焦位置8：
"`&?<82 6 5<p: e?f[t*td 畸变
!N)oi $T% ;9p rsv f
变焦位置1：
pwu5Fxn) ~xHr/: x "N,oDs x#ouR+< 变焦位置8：
(Ojg~P 4;& g[eI-J+F w5&UG/z%l MTF
b LxV . t~I[J\< 变焦位置1：
G LE `ba <p<gx*% 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
1p{\jCi, 2 Kh5:+n_X 变焦位置8：
Rf8|-G-}# SJy? ^ > iG` *Qyw
_Q 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
3Um\?fj>}( wuh$=fya 相对照度
dXdU4YJ X
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
.Q?AzU,2D 变焦位置1：
40 :YJ_n
4uTYuaCNs b$B5sKQ \!631FcQ 变焦位置8：
TuX#;!p6 F oEZ1O< f[dwu39k 主光线角度
"+ )ey> _
远心度都在1°以内
s2d;601*b 变焦位置1：
YjsaTdZ!& `T~M:\^D m =opY~&h @9QHv 变焦位置8：
=fRP9`y rZDKVx KK7Y"~ 9&- 总结：
AWf zMJ;VS Z0-W% W 该变焦投影镜头所有指标已经基本满足要求，使用了13 片球面
透镜加保护玻璃。对于片数比较多但变倍比比较小的变焦镜头，直接用 ZSEARCH 搜索花的时间太长或者搜不出好的结果，可以先用 DSEARCH 搜索一个变焦位置的结构，然后用 ZFILE 把它变为变焦镜头再优化。
Y$'fds4P ||/no UK 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
