概论
\R9(x]nZ% K, ;E5 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。
p SH=%u> K *vt;L 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。
rK6l8)o hc(#{]]. 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。
b5dD/-Vj O_ muD\ [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。
7?!d^$B
9]([\% ) 设计要求
c ( f ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
bivuqKA MO]F1E?X I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
Af~$TyX I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
,GhS[VJjR 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
U awyDs 9IdA%RM~mH 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。
CAig ]=2' Fc)@,/R"v 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。
HTv2# }z'8Bu 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
~k-y &<UR p}z<Fdu 0 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
h9&0Z +zs U/66L+1 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%。
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wv<r]5j g]l'' 7G 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。
h lvK5Z DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
+5g_KS @muRxi kr ^P6}' :".ARCg 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 5Z8 p *2>&"B09` 搜索宏
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7J D' )
_P#|IAq* L~(j3D*
3 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
A_"w^E{P l?v 86k Hs;4lSyUO :[.vM 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
,1.p%UE]> {K~ 'K+TPu b i',j0B U#7#aeI 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。
y1jCg%'H
i<C*j4qQ 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）。
Ea=8}6`s ]
1SQ3-WU s =g7x'
kN
变焦优化
9 R!atPz9 gMi0FO ' 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。
nI?[rCM W 8<&gh+ { T/[cu< OR P\b 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
9!ngy*\x |"q5sym8Y_ Y,qI@n< j7Yu>cr 得到结果：
f=+mIZ ; }I:\P WM Dl=6 /cUO$m o 插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
}`@vF|2 L 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
L8@f-Kk ^ x ]r`b MVpGWTH@F w0 M>[ 4 像差分析
~Py`P' +
查看畸变
B6+khuG(
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。
B B{$&Oh L?b~k= 3oj' y txN 4!{KWL `A 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
TIqtF&@o4 M 0 8 A P YA 1
s2p\]|5 S GIHT
.fqN|[> M 0 5 A P YA .7
OU\ ~:: MUL CONST 2
{f_={k S GIHT
G{~J|{t\yz 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
|w~nVRb /obfw ^ G6Axs1a @Rze|
T. 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
*}qWj_RT b<[Or^X
] 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
e-/&$Qq LtF,kAIt7v _ gR;=~S $? iLLA~ 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
tPWLg), M 0.5 2 A M YMTF 1 72
[T4J{y64Y 专门优化这一条MTF。
'T;P;:!\ ,$ L4dF3 Wx%H%FeK ;3coP{ 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。
ah$b [\#C .&iawz 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
\##zR_ %
IZ-1c1
优化宏
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BQHVQs 再进行优化退火，50，2，50
m,_ Z6=I: \[i1JG .[KrlfI se2!N:|R!G 得到最终结构：
tmYz R %i ; W
)Y
OT <]t%8GB2V e;q!6% 各个像质结果：
2eS~/Pq5=i RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
`:fZ)$sY Lz Kj=5'Y 变焦位置1：
./Zk`-OBT LKB$,pR~1l
nsC3
基本参数
变焦位置1：
/ N10
i v38p%Zm z6\UGSL _Kf% \xg 变焦位置8：
Ms#M+[ a N7zf t yjX9oxhtL 畸变
B)g[3gQ e2TiBTbQaF 变焦位置1：
'3tCH)s Ykw* &opz wH&!W~M
2 c{34: 变焦位置8：
%3 -y[f .f2bNnB~pP BoWg0*5xb MTF
V! A~K
~L\z8[<C 变焦位置1：
C` 9+6 T ` p-cSxR_ 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
9wwqcx)3( skViMo 变焦位置8：
UKvW Jnz s Y Qk YnAm{YyI nh>vixe 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。
wKxtre(v <{cQM $ # 相对照度
cp7=epho
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
HyZqUb Ha 变焦位置1：
zu{P#~21 k$R-#f ; #OD/$f_
?P`K7 变焦位置8：
%T%sGDCV E,U+o $ zP8lN(LA 主光线角度
xF'EiX ~
远心度都在1°以内
06Sc eq 变焦位置1：
M`!H"R 7 0@iY :aF .}TZxla0Zr <uw9DU7G 变焦位置8：
]MitOkX ?mxMk6w <)c)%'v 总结：
|N 7M^ |&) dh< 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。
l4 YJ c !ons]^km 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
