概论
D]LFX/hlH DkF@XK0c3 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 4>=y Azdz3/ 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。
M+;!]tbc3 ImT+8pa 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。
\]~kyy S>vVjq?~l( [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。
tq4"QBIKh ouu-wQ|(mM 设计要求
xC=3|,U ]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:
R?={{+O d=c1WK I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
;OT#V,}r I为像高,f为焦距,θ为视场角度。
?fqkM 这个关系也很容易理解,一个三角形即可。
!)l%EJngL t2!$IHE: 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。
m,"cbJ
/ o q'J*6r 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
v"Ud mv " yC&b-y 确定设计目标
参数,以下为本次设计的目标:
p8}5x 2F H*:r>Lm= 光学参数:
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) <1
zwniS6R1 S9F]!m^i 像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
X<@y*?D9D sWpRX2{5, 因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
JE8p5WaR DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头
VK@i#/jm `hQ!*f6 \8@[bpI@g 4.Jaw+ 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏:
9<0$mE^: ]J"+VZ_"I 搜索宏
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VgC9'"|
Pc\4QvQ8 b`={s 运行搜索宏可以得到10个初始结构:
dBD4ogo1 v#YS`];B 59%f|.Z) KWuj_.; 从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析:
TckR_0LNV ?T%K + /w0v5X7 hvv>UC/ 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。
0z<]\a4 kAe-d 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)。
/{#_Um0. ]
q0KXuMK K:mL%o2J
变焦优化
H*
JC`: S|5lx7 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。
=~2 Uv>YG \]e w@C 7.1E mJ +/UXy2VRt$ 输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。
BNKo6:wy YC,.Y{oY{ p(b1I+! 5Z>pa`_$2 得到结果:
:
1f 5;]%N HBf8!\0|/ `] dx% i:N^:% 插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。
YPJx/@Z` 再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构:
CR8r|+(8 ~[/c'3+4qn t-gNG!B :@807OYzy 像差分析
p(&o'{fb
查看畸变
QRG)~
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。
aD3F!Sn VNEZBy"F D"XQ!1B% \fFy$ 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
2P>za\ M 0 8 A P YA 1
CR PE?CRQF S GIHT
Mh/>qyS*2 M 0 5 A P YA .7
`g:^KCGMM MUL CONST 2
$j2)_(<A%Q S GIHT
E#F9<=mA) 从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变:
/Rcd}rO la{:RlW I)/7M}t` %oKc?'L0 优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。
V+<AG*[ {-]HYk 在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。
b2-|e_x v2X0Px_ _*B~ESC0 Lj* =*V 优化后,发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令:
r@ *A M 0.5 2 A M YMTF 1 72
+=04X F: 专门优化这一条MTF。
ymVd94L nVA'O \#c+vfq w^6N
:]d 优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。
){|Lh( #$rT 4Nc; 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
*H<g9<Dn JkDZl?x5 优化宏
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HD^~4\% 再进行优化退火,50,2,50
!w\;Q8irN f]65iE?x jY6=+9Jz5 e>9{36~jh 得到最终结构:
d?X6x &Zy=vk* $ttr_4= \@"
.
GM% 各个像质结果:
A;HKR4p;8 RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
c)YGwkY,, 4J|t} 变焦位置1:
BCB/cBE t|"d#5'
#IA(*oM
基本参数
变焦位置1:
QHz76i!=> yj9gN}+ )L("t Z"KuS 变焦位置8:
*fX)=?h56 1h0ohW A'R sy6 畸变
Io X9yGq o*BI^4 变焦位置1:
y9 '3vZ ADUI@#vk Nn\\}R L%Hm#eFx 变焦位置8:
aJ@qB9(ZBe ~[,TLg
6 N Uml" MTF
a-5$GvG bx6}zkf& 变焦位置1:
jd'R2e WF0>R^SpZ 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
kS9 $QnfpM%+= 变焦位置8:
"&|2IA 7[ji,.7 <a3XV Y>~zt - 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。
4(ZV\}j1 Im#$iPIvT 相对照度
)j*qGsOg
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
,Ou)F;r 变焦位置1:
_xsYcw~) g"f^YEQ_ aoX$,~oI5 i i
Y[ 变焦位置8:
gC- 0je y9<Fv|Ric $
7!GA9Bn 主光线角度
t]XJq
远心度都在1°以内
ocUu 变焦位置1:
n4,J#h/ ?sE21m?b- `6su_8Hno 2Mp;/b! 变焦位置8:
mD3#$E!A1 "Xc=<rX .}s a2- 总结:
_aYQ(FO y
6<tV. 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。
qMOD TM~+ $_kU)<e3 好了,本节课到此完毕,期待与您的再次相遇,下周见!