概论
*j,bI Y&se "C (yuVK1G 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。
"6U@e0ht <mj/P|P@ 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。
~j(vGO3JB #I*{_|}= 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。
*SIYZE' _0FMwC#DY [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。
KLj=M;$:K {2m F\A#. 设计要求
H9i7y,[* ]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：
e|5@7~Vi B~| ]gd I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
"A &A?% I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
f F)M'C 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
4;3Vc% V6'u\Ch| 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。
J bJ!,86 IR $d?\O3 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
RAk"C!&^m XjP & 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
=:xX~,qmv HY1K(T 光学参数：
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) ＜1
l6 }+,v@# hN~H8. g 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
pL}
F{G. 4b((,u$ 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。
UN F\k1[ DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
>~]|o 9<toDg_ EJMd[hMhe (aC=,5N 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：
&|}QdbW <[-{:dH,5 搜索宏
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KdYR?rY
{.p ;V 7I#C[:7x 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
::'Y07 Z2`M8xEiH ` OgT"FdL! @mv
G=: k 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
q
:~/2<o O(2c_! d q~5zv4NX W)J5[p? 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。
f+ !J1 ]\A=[ T^ 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）。
B(vCi^ ]
` - P1 Y )8rF'pxI
变焦优化
.9=4Af \'[tfSB 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。
] +m 2pEO = M4:nt ~E y + KS$"Re$ 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
8>
$=p4bf <82&F &4} =@'G@ V!Sm,S( 得到结果：
WFV'^- 4 ILl~f\xG) v<g~ EjzCf 4e
eh+T 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
#_aq @)Fd 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
Sia W; ks D}X6I#U'/ _F`JFMS H
lM7^3(& 像差分析
<;W-!R759
查看畸变
3@ Fa
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。
nh5=0{va|L `{h)- Y`` f.^|2T I1g `[#id@Z1 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
P7,g^:$ M 0 8 A P YA 1
"M-' ;; S GIHT
7%? bl M 0 5 A P YA .7
XMkRYI1 ~ MUL CONST 2
pg7~%E4 S GIHT
Me? I8:/ 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
S2E z}*plp 6("bdx;! ty#6% ?< W|Ya 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
dL 'oKh, BgUp~zdo 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
^M q@} 0 /ILd|j(e {5X,xdzR !1i-"rR 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：
}i^|.VZZ M 0.5 2 A M YMTF 1 72
+"BJjx G 专门优化这一条MTF。
8UgogNR\ i.Y2]1 sU*?H`U3d %CvVu)tc 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。
/J_ ],KdU <&) hg: 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
+ jwk4BU Z#N w[>NN* 优化宏
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]4[%Sv6]G 再进行优化退火，50，2，50
i \/'w] =JfwHFHd# ^JMG'@x ]N'% l]_$ 得到最终结构：
~BuB ma_ V~/-e- 9u xl,%
Z~[ &u O-h 各个像质结果：
Y %bb-|\W RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
m{RXt E%D .a=UX, 变焦位置1：
e<9 ^h)G )}N:t:rry
e<1Ewml(]
基本参数
变焦位置1：
|36%B7H 0%L:jq{5 PcT] \rxjvV4fcZ 变焦位置8：
YzG?K0O% O9By5j 4 :* ]#n 畸变
(T pnJq "xTVu57Z[ 变焦位置1：
JmR2skoV, p A_u;* [@VzpVhXz |3B<;/v5 变焦位置8：
uk$MQ v*D < ^5$))r BRY/[QRqZ MTF
+kYp !00 yeta)@nH 变焦位置1：
5&EBU l} %a u>D 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
Lm`-q(!7w dz/@]a 变焦位置8：
EFVZAY"+!; VvP: }yJ +l)t5Mg\ ] W Yub1 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。
U&R)a|
7R
qCrp c= 相对照度
T>(X`(
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
S{e3aqT#N 变焦位置1：
V~/@KU8cH >S } X)4 )A DI[+KW $X Uck[ 变焦位置8：
hV,T889'
"D vZCf[} fOSk >
gK 主光线角度
pl@K"PRE
远心度都在1°以内
|gxPuAXa) 变焦位置1：
Hk4k = )3\B tx<^PV2 !'#
D~ 变焦位置8：
' #=n> ZEDvY=@a )mN/e+/Lu 总结：
#0h}{y
E
)XSHKPTQ1 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。
BH}Cx[n? ~ J^#g?RHN>m 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
