概论
*EFuK8 ; ./CDW 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? QvlVjDIy 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$fM 所谓变焦,即镜头的焦距在一定范围可调节,通过改变焦距从而改变系统视场大小,达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头,即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围,因此非常利于画面构图。
"!:)qVL^ ?BU?c:"f [由于一个系统的焦距在某一范围可变,相当于由无数多个定焦系统组成的,在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析
优化方法。
Xc<Hm RAA,%rRhu( 设计要求
6|1*gl1_LD ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度,镜头的焦距会随之变化,通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面:CCD 或COMS 或其它探测面),在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系:
lr)9 U7 qCm8R@ I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
i({MID)/_ I为像高,f为焦距,θ为视场角度。
'N\nJz} 这个关系也很容易理解,一个三角形即可。
FaKZ|~Y
e +9.GNu 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。
*`t3z-L -gv[u,R 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
PVrNS7 Rk/ `_OB_F 确定设计目标
参数,以下为本次设计的目标:
Q>WnSm5R dA0o{[o= 光学参数:
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) <1
Mz;KXP 72= 4#
像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
QiNLE'19^ zT'(I6S:) 因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
<m%ZDOMa DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头
03!#99 |A2o$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
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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"iQHi 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 _$KkSMA~_
变焦优化
3(1UIu X rut[)H 修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。
kWgrsN+Z LWV^'B_X- fF.+{-. Xet}
J@C 输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。
VgMuX3= Cf@N>N#t) ,n$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)|5P 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 i L'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{"a0O 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$W)JWMY` Lg|]|,%e 优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。
Ce} m_ kk}_AZ0eK 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
i\kDb= lOHW9Z 优化宏
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lDZ~ 再进行优化退火,50,2,50
[$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:
@6H 7 *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)J Rc 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!