概论
FXLY *eRk VycC uq&M 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。
n*(9:y=l1 RbOEXH*] 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。
V2Iq k]V%y ~!V5Ug_2 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。
hA?Flq2QV ;4(ULJ* [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。
Kjw==5)} n8h1S lK08 设计要求
T"h@-UcTl ]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：
# 6g9@tE _xKu EU} I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
h=?V)WSM I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
7hV9nuW 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
6YErF| rC !!X 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。
N@qP}/}8 seQSDCsvw* 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。
B=ckRW q W|2o^ V 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
?"hrCEHV{9 9+i rf^D`O 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
~mSW.jy}=- m8j Q~OS 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%。
J\@ r ~x5G k<&zVV ' 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。
wOMrUWB0 DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
o"kVA;5<G 0 _n
Pq ^uWPbW&/q kT@m*Etr { 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 [
Je ?IN'Dc9&%- 搜索宏
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mp'Z.4
2uCw[iZM ZXJ]== 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
6D\$K &g;&=<#I ~M c'~:{O {+3
`{34e 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
~|:U"w\[= 0I v(ioB= *+ i1m `6Q 3 P=I)q 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。
yv;KKQ 74w Df 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）。
ShIJ6L Z ]
LJ8 t@ui B,5kG{ 2!
变焦优化
{`ghX%M(l 4\_~B{kzZ 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。
Vr ^UEu.w? /Kd9UQU 4@mK:v % K\trT!I 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
@zC p/fo3 C>:,\=y% Q M) ob -u$U~?|` 得到结果：
5Ic'6AIz sd5)We `DFo:w!k <-h[I&." 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。
D#k ~lEPub 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
$~,J8?)(z h}U>K4BJ *-';ycOvr <\'aUfF v 像差分析
5-RA <d#
查看畸变
P!yOA_)as
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。
H[Q3M~_E 47=YP0r?>T xG1(vn83gq Djr/!j 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
Pr_DMu M 0 8 A P YA 1
eyzXHS*s;L S GIHT
re x M S M 0 5 A P YA .7
!"LFeqI$lr MUL CONST 2
8xb({e4 S GIHT
vNQ|tmn 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
7NMy1'-q s}<i[hY> 2w;Cw~<=d A
D%9;KQ8 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
_oE 7< F|&%Z(@a 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
_)Ad%LPsd7 +[`
)t/ fP/;t61Z 8xt8kf*k 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：
tRbZX{ M 0.5 2 A M YMTF 1 72
Ov;q]Vn> 专门优化这一条MTF。
~^J9v + RN2 z/F Uf "#8I &xZK w$0*5n>) 优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。
>-j( [% f C+tu>= 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
w :9M6+mM^ ]zz%gZz 优化宏
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.\+c { 再进行优化退火，50，2，50
a/n~#5- Jow{7@FG d~KTUgH'< F8&L'@m9> 得到最终结构：
K_fJ{Vc> O uMjL>YLq{? "8
?6;!, sWKv> bx 各个像质结果：
z+c'-!e/ RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
}O\g<ke:u 5`QfysR5 变焦位置1：
P6)d#M [W99}bi$
Pf~0JNnc
基本参数
变焦位置1：
R@KWiV JyePI:B&)j X([@}ren tm.&k6% 变焦位置8：
F(`Q62o@ BkB9u&s^ :BF
WX 畸变
f\;f&GI p2gu@! 变焦位置1：
[ $M l;K E)]emeG d Q6n8 ,2 * <9x|)2P 变焦位置8：
+&* >FeJY G+ WCE* bd3>IWihp MTF
`FK qVd ~Fo`Pr_ 变焦位置1：
+A%zFF3 Ok phbAX 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
(kx>\FIK* xM>dv5<E 变焦位置8：
J?Rp 9 lX[rBZ <#~n+, y*8;T v| 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
6wb M$|yFj hP/uS%X 相对照度
17 VNw/Y
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
&# @"^(} 6 变焦位置1：
`KE( R8y & WdP=E" F|&m xsL fVZ_*'v 变焦位置8：
U}{\qs-z t z=LO$,JW` `U ;V- 主光线角度
eoPoG C
远心度都在1°以内
`~@}f"c`u 变焦位置1：
=OR&,xt ;e~K<vMm;y %; ` 3I$ 5JZZvc$au 变焦位置8：
hflDVGBW Kw>gg Q?%v b 总结：
s '@@ q Pv@;)s(- 该变焦投影镜头所有指标已经基本满足要求，使用了13 片球面
透镜加保护玻璃。对于片数比较多但变倍比比较小的变焦镜头，直接用 ZSEARCH 搜索花的时间太长或者搜不出好的结果，可以先用 DSEARCH 搜索一个变焦位置的结构，然后用 ZFILE 把它变为变焦镜头再优化。
Vb2")+*: m >b
i$Y 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
