概论
Vg
\-^$ ^Y'J0v2 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。
o4~ft!> n+Ag |.,| 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。
Ac7`nvI= X'?v8\mPK 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。
ejr"(m(Xe GE5@XT [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。
&/JnAfmYqt huKz["]z[ 设计要求
Plq [Ml9
]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：
Z:/S@ry [tD*\\IA I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
^ w&TTo( I为像高，f为焦距，θ为视场角度。
(ZEVbAY?i 这个关系也很容易理解，一个三角形即可。
'E&K%/d Tl%4L %
bE 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。
zi-+@9T _ZS<z Q' 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。
A\# ? rK /XMmE 确定设计目标
参数，以下为本次设计的目标：
@tj 0Ir v @nc!(P7_ 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
xrX("ili so 8-e 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%。
/Hx0=I hYWWvJ)S 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。
RDqC$Gu DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
O,OGq0c c''O+,L1+ .8 6..1 \!^o<$s.G 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：
RsOK5XnQ n { a_L
/"7 搜索宏
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ncA2en?
FN,uD:a nb|MHt PX 运行搜索宏可以得到10个初始结构：
dY|jV}%T Q` s(T ~% }g"|o #-f^; =7 从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析:
s24H.>Z uf>w* [m5 W
,U'hk% K5p h x 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。
N- Z 9
2kgm)-z 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）。
vOj$-A--qU ]
Hb$q }1+y b;O+QRa
变焦优化
e5/_Vga .iYg RW=T 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。
vJ'ho o{hK t? b7,qzh K@,VR3y / 输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。
gJ7$G3&oZg evR= Z\
_ l^"G \ZVI p4Y 9$( X 得到结果：
z[rB/ |2 ( BGipX4 hf-S6PEsM Sce9R?I 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。
gf=*m"5 再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构：
h`Mf;'P :R n9rdX KJ~pY<a? dWUu3 像差分析
9e5UTJ
查看畸变
`otQ'e~+t
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。
f1{ckHAY55 # 9t/j`{ EGt)tI& -5[GX3h0 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
21[F%,{.), M 0 8 A P YA 1
]5\vYk S GIHT
K v7NCpq' M 0 5 A P YA .7
88K*d8m MUL CONST 2
g;h&Xkp S GIHT
9<a yQ* 从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
z yr6Tv61U r:cUAe7# `jHGN i Vh8uE 优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。
|3L MVN ]*|K8&jxl 在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。
\) ; rOqh 4Rn i7qH q|l|gY1g) 1 W u 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：
D/WS M 0.5 2 A M YMTF 1 72
i@*
^]' 专门优化这一条MTF。
cOQy|v`KD, DbN'b(+ f+V':qz :9b R uUm 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。
63Hk N4D4 L DsYr] 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
$#r(1 Ev ]`prDw' 优化宏
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.vO.g/o 再进行优化退火，50，2，50
BR2y1Hfi K 5SO($ pA'A<|)K0 g8Z14'Ke 得到最终结构：
(=j!P* w%;'uN_ MQ44uH J ZAZCvN@5 各个像质结果：
2XHk}M| RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
lND[ anB! +b+sQ<w?. 变焦位置1：
Qx;A; n!lw u*{ _WL[(
WIm7p1U#V
基本参数
变焦位置1：
s /M~RB!w ^v-'=1ub? N+5 ^h(~ VaxO L61xE 变焦位置8：
p/h&_^EXU aTsfl 3;NRW+ 畸变
=]e^8;e9
y6}): | 变焦位置1：
ozLJ #eOE9 $4
Uy3C+6 l #Q`f. keskD 变焦位置8：
)_cv}. xe "ux]kfoT |@.<} / MTF
dn_OfK =joXP$n^ 变焦位置1：
I })t ,rQ)TT 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
G4' U; !T#y r) 变焦位置8：
.E#Sm?gK r z{ 'X d _~Vz+nT /T )n5X 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;:[73 nM-SDVF M 相对照度
sdYj'e:N
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
#Hi]&)p_ 变焦位置1：
pm~;:#z7
R Sz[6 @T1+b"TC ]31 XX= 变焦位置8：
*)1Vs'!- 0WE1}.J< g )qnjeSs] 主光线角度
+ <9
e N
远心度都在1°以内
<[:7#Yo
g 变焦位置1：
ih |Ky+ ! %aBJ+V F +\GZ(!~ _G #"B{ 7 变焦位置8：
zK4
8vo P<!$A
W#I:j: p 总结：
V}fKV6 v9 Yc`j 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。
6\fMzm
#0hNk%X= 好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
