概论
\*N1i`99 :h3JDQe:. 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。
L!G3u / [n"<(~ 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。
+W1rm$Q &Xav$6+Z1J 所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。
TGLXv P&
\ W{h7+X]Y [由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析
优化方法。
DNy)\+ [
F N
R&
: 设计要求
O`=Uq0Vv ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系：
[Wh 43Z 21[F%,{.), I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
]5\vYk I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
K v7NCpq' 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
6xe
|L O +N-x8W{ 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。
smU+:~ 0{yx*}. 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
meWAm?8RI 1:t>}[Y 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
34=0.{qn =jN]ckn 光学参数：
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) ＜1
Cw}\t!* ! 4Rn i7qH 像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
vn <S " C 0%%@
2+ 因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
UPYM~c+} DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
}0(
Na k Wd'gftQ A
M2M87{t 4=Ey\Px 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏：
7 ' S] ~-+Zu< 搜索宏
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7yp*I[1Qf>
GpL#, q Yc D6u>[Z[T 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
IoA;q) I,eyL$x tp<V OU a Q\76jD`m\ 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
P]B#i1 ho1F8TG= ShpnFuH >$DqG$D 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。
(4LLTf0 Pcs@`&}7r 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）。
V1.F`3h~ ]
B]7jg9/ :3f2^(b~^
变焦优化
7&4,',0VL %jk PrI 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。
!U_L 7 o 2 #A; Z4jK >9`ep7 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
J|-HZ-Wk|J =]e^8;e9 E 6: p "z bE 得到结果：
l #Q`f. keskD Wi^rnr'S s s~
A8/YoU} 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。
|@.<} / 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
$0T"YC% &F_rg,q&_ G:`Jrh M%x L K7 像差分析
8F`
查看畸变
.5;LL,S-
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。
Ky#B'Bh}`g Yj6p19 'hO;sL ?bAFYF0!I 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
~uadivli M 0 8 A P YA 1
fhKiG%i'l S GIHT
+ f!,K M 0 5 A P YA .7
Y,b tL'[W MUL CONST 2
mndl ~/ S GIHT
|SKG 4_wGe 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
AijTT% Aq%^>YAp #J724` d~-p;i 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
?i2Wst e8mbEC(AK 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
orH0M!OtS! BK9x`Oo 2 o MkY#<Q} F*t_lN5{ 优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令：
ir:~*| M 0.5 2 A M YMTF 1 72
y*h1W4:^- 专门优化这一条MTF。
l/zC##1+. M5WtGIV C_cs(}wi V}fKV6 v9 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
=4<S8Cp r/hyW6e_ 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
&v5.;8u+OV "%''k~UD 4 优化宏
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W^.-C 再进行优化退火，50，2，50
q|i%)V`)- ^y0C5Bl; E8_Le gT& 'i(c 得到最终结构：
F4E3c4
8 1 }BdVD t )|y2Q 2 ?- 07 g 各个像质结果：
6$s0-{^ RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
R efRoCD1 Secq^#]8 变焦位置1：
RF~Ofi @ Rx6 >52>
=lC;^&D-0/
基本参数
变焦位置1：
N1N{O l' OssR[$69 J4v0O=" R G0S 变焦位置8：
Kka8cG h !G^dW. mPfUJ#rS 畸变
poQdI?ed, + sywgb ) 变焦位置1：
Z@,PZ Yi&-m} 7AO3-;
l] 6`qr:. 变焦位置8：
w;c#drY7S l{6` k<J( UiR,^/8ED MTF
,<$YVXe/ 8pk#s J51 变焦位置1：
l H)em.# O~h94 B` 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
Q^lQi\[ <r<Dmn|\a 变焦位置8：
dv'E:R(a &I RA=nJ J1tzHa6 m0|Ae@g~3 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。
n{64g+ au~] 相对照度
9 ^PRX
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
B:?#l=FL 变焦位置1：
]l=O%Ev AhvvuN$n% >+:r ' ik2-
OM 变焦位置8：
% j *k (_w
% G@!_ZM 8h 主光线角度
/v"6BU
远心度都在1°以内
x d^&_P$= 变焦位置1：
.pM
&jni Y ua`6M -BA"3 S -DP8NTl" 变焦位置8：
IXZ(]&we #
0GGc . +{ xMIl_ 总结：
R}DX(T,K YH[ XRUa 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。
H>? :U] 4%wq:y<
)/ 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
