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    [原创]变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-05-18
    概论 *EFuK8 ;  
    ./CD W  
    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。 2F/oWt|w?  
    QvlV jDIy  
    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。 ~e686L0j  
    m1RjD$fM  
    所谓变焦,即镜头的焦距在一定范围可调节,通过改变焦距从而改变系统视场大小,达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头,即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围,因此非常利于画面构图。 "!:)qVL^  
    ?BU?c:"f  
    [由于一个系统的焦距在某一范围可变,相当于由无数多个定焦系统组成的,在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 Xc<Hm  
    RAA,%rRhu(  
    设计要求
    6|1*gl1_LD  
    ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度,镜头的焦距会随之变化,通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面:CCD 或COMS 或其它探测面),在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系: lr)9U 7  
    qCm8R@  
    I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) i({MID)/_  
    I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 'N\nJz}  
    这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 FaKZ|~Y e  
    +9.GNu  
    变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 *`t3z-L  
    -gv[u,R  
    通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 PVrNS7 Rk/  
    `_OB_F  
    确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: Q>WnSm5R  
    dA0o{[o=  
    光学参数:
    Optical system parameters  Values
    Spectral region/nm   420-650
    Focus/mm    25-32
    FOV/(°)    30.11×19.08-23.73×14.96
    Image size/mm   15.4×9.6
    F/#    2.4
    Telecentricity/(°)   <1
    Mz;KXP  
    72= 4#  
    像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 QiNLE'19^  
    zT'(I6 S:)  
    因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 <m%ZDOMa  
    DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 03!#99  
    |A2o$H  
    'K|F{K  
    5IbCE.>iU  
    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: ^j2z\yo  
    u`pw'3hY  
    搜索宏
    请评论区留言联系工作人员获取代码
    VgS2_TU  
    lN_b&92  
    _Bhd@S!  
    运行搜索宏可以得到10个初始结构: 5oo6d4[  
    xN6}4JB  
    R4S))EHg  
    ~31-)*tJ]  
    从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: G9CL}=lJ,  
    0"i QHi  
    r|ogF8YN  
    5[P^O6'  
    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。 h@Ix9!?+  
    Q;kl-upn~8  
    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)。 ' ?EG+o8  
    ] hfs QAa  
    _$KkSMA~_  
    变焦优化
    3(1UI u  
    X rut[)H  
    修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 kWgrsN+Z  
    LWV^'B_X-  
    fF. +{-.  
    Xet} J@C  
    输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 VgMuX3=  
    Cf@N>N#t)  
    ,n$HTWa@0  
    M+7jJ?n  
    得到结果: u89Q2\z~"M  
    dDl_Pyg4K  
    >skl-f  
    +l<;?yk:;  
    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。 |j4;XaG)  
    再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: 0I*{CVTQj  
    'N/u< `)  
    y~ wN:  
    N'?#g`*KW  
    像差分析
    }L>0}H  
    查看畸变
    kuv+TN  
    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。 cZAf?,>u  
    BuS[(  
    MFqb_q+  
    Nk?/vMaw  
    因此在优化宏中添加控制畸变的指令 /=KEM gI?  
    M 0 8 A P YA 1 4"Mq]_D  
    S GIHT 3GXmyo:o$  
    M 0 5 A P YA .7 KnUVR!H|  
    MUL CONST 2 e)|5 P  
    S GIHT hdYd2 j  
    从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: SI7r `'7A'  
    JC7:0A^  
    / &yc?Ui  
    iL'j9_w,  
    优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 Om2w+yU  
    m|PJwd6  
    在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 }zrapL"9X  
    RIFTF R  
    n{"a 0O  
    w+hpi5OH  
    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: P5v;o9B&  
    M 0.5 2 A M YMTF 1 72 Gl9 ,!"A  
    专门优化这一条MTF。 K/8TwB?I  
    @E=77Jn[px  
    Y$W)JWMY`  
    Lg|]|,%e  
    优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。 Ce} m_  
    kk}_AZ0eK  
    最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 i\kDb=  
    lO HW9Z  
    优化宏
    请评论区留言联系工作人员获取代码
    lDZ~  
    再进行优化退火,50,2,50 [$Jsel<T=  
    dHtEyF  
    H"wIa8A  
    )<.y{_QUN  
    得到最终结构: NBA`@K~4  
    2h1P!4W85  
    J#\oc@  
     |?ZNGPt  
    各个像质结果: Xi!e=5&Pa  
    RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm u"DE?  
    @su!9]o  
    变焦位置1: @ 6H7  
    *C.Kdf3w  
    bl#6B.*=  
    基本参数
    变焦位置1: )QI#szv6  
    mBQpf/PG  
    .d+zF,02Z  
    ow#8oUf=  
    变焦位置8: =tl~@~pqI  
    Ei89Ngp\}  
       z</^qy  
    畸变
    -:Bgp*S  
    T75N0/teS  
    变焦位置1: "_:6v64Gx  
    \+k~p:d_8  
    {HjJ9ZGQ  
    SUD~@]N1  
    变焦位置8: 6Y9<| .  
    {"db1Gbfg  
       w7f)v\p  
    MTF
    kkXe=f%  
    m",G;VN  
    变焦位置1: tMyMA}`  
    IH.EvierJ  
    已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 LVdtI  
    G^#? ~  
    变焦位置8: 8tzL.P^  
    {a(<E8-^  
    }Ggn2 X  
    Is9.A_0h  
    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。 @2TfW]6  
    (R(NEN  
    相对照度
    Z 4c^6v  
    短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 15MKV=?oY  
    变焦位置1: AnpO?+\HF  
    %1)JRc  
    Hro)m"  
    W!1 B~NH#  
    变焦位置8: V@K^9R,|  
    >L$9fn/J  
       He&A>bA)z  
    主光线角度
    c*R18,5-  
    远心度都在1°以内 <"av /`;  
    变焦位置1: #;UoZJ B  
    qBZ;S3  
    *Zn,v-d  
    ER:K^ Za  
    变焦位置8: 'Y]<1M>.g  
    v+CW([zAx#  
       a~zh5==QD  
    总结:  !>Q{co'  
    6mjD@  
    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。 b(> G  
     nWUau:%  
    好了,本节课到此完毕,期待与您的再次相遇,下周见!  
     
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    变焦投影镜头设计
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    谢谢楼主分享。。!