概论
w/R^Vwq 3 . @W.GG8 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。
kys?% Y1 *I~F7Z]| 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。
OAv/P|n= 6>l-jTM 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。
#2pg h? 2oN lQiE_ [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。
ZnQnv@{8 l 6 D$xG"c 设计要求
twJck ~l~n ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
9TeDLp P)T :6K I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
5~qr+la I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
]xuq2MU,l 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
{#7 t(:x XOxm<3gXn 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
wc;5tb# <4Ak$ E %" 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。
XVY^m}pMe Q
(`IiV 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
$XJe ) p 0-\G6 光学参数：
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) ＜1
R (6Jvub"I #0weN% 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
xa K:@/ |u03~L9G 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
;Eck7nRA ) DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
oI^iL\\2h J?%Z7&/M> g|W~0A@D ;]p#PNQ0 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
nHA2p`T 0O[q6! &] 搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
;v.l<AOE
8,%y`tUn>u 1y>P<[ 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
:kgwKuhL JBuor c 'I;pS)sb b+h Z<U/ 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
55hJRm3 i<-#yL5 .Yo# vV yfYAA*S!z 设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
5Pn$ @3 j'~ xe3j 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）。
bE0cW'6r ]
xJ,V !N nc([e9_9v
变焦优化
9erTb?@S ='>k|s: 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。
,)%nLc KWM.b"WnXr @aI`ru+a he
9qWL&^G 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
I/fERnHM/+ Lk`0z d[jxU/.p; /SSl $ 得到结果：
7(Z I]< 9].!mpR 2g|+*.*` }[? X%= 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。
. [*6W.X 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
i $#bg^ 3]/w3|y KK/ ~W =p ^Sn,t 像差分析
0!\pS{$zB
查看畸变
F~z4T/TN%G
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。
b1E>LrL ?;! l-D y q>f1V3 a'W-& j 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
e nE8T3 M 0 8 A P YA 1
HP"5*C5D S GIHT
8+Oyhd*| M 0 5 A P YA .7
e*=N \$ MUL CONST 2
Ol Q7Yi> S GIHT
l. !5/\ 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
/mF%uI>: V;Te =4 HS>Z6|uLY Q(>89*b& 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
gtqgf<mS Nq Ve{+1x 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
z'XFwk ){ArZjG> Z[[ @O >Y!5c 2~`; 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：
[C.Pzo M 0.5 2 A M YMTF 1 72
Z<;am 专门优化这一条MTF。
l0l2fwz( s^)wh v`C ZQZ>{K ":tQYo]d 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。
{?$-p%CF`8 XSkx<"U* 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
"O!J6 wRCGfILw 优化宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
c>,|[zP{ 再进行优化退火，50，2，50
|Rf4 ^vN _r^Cu.[7 YP5V~-O/ gR
)xw) ! 得到最终结构：
37Q9goMov \,+act "v pA&CBXio {|9x*I 各个像质结果：
Wz`MEyj RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
z
G hJ E %FCOKw_ 变焦位置1：
Xb@lKX5Re cNZuwS~,
{ =pRU_-^
基本参数
变焦位置1：
xxL D8?@e7 /J")S?. [u 0O5(\8jM _3i.o$ GO 变焦位置8：
N< }{oIsZ+ c!{v/zOz G|*^W;(Z 畸变
mR\rK&'6 X"0n*UTF, 变焦位置1：
IxNY%&* ` <x e=G]v cy%JJ)sf @*`9!K% 变焦位置8：
aY& He~ A%qlB[!: >AX&PMb` MTF
;'CWAJK U
bUl ] 变焦位置1：
bL v_<\:m 4= ^_ 4o2 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
G$kspN*"A I
CCmE#n 变焦位置8：
>|1.Z' r/ ?0QoY A@.$ n#8N{ya5x1 1iyd{r7| 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。
%%5K%z,R# #z$FxZT<b 相对照度
HIM>%
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
1n|)05p 变焦位置1：
[ }-CXB cyu)YxT BiI?eT + b~uz\%' 3 变焦位置8：
}A)>sQ A& u" NgJ EA_6L\+8& 主光线角度
K.'II9-{
远心度都在1°以内
J}a 8N.S 变焦位置1：
\ @6P A I`"B<=zi =gL~E9\ =I.
b2e 1z 变焦位置8：
AT.WXP0$A }H2<w-,+ BCN<l +u 总结：
?L.c~w; l
;/.ZjTRw 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。
3%c{eZxG= l{OU \ 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
