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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 [?<"SJ,`  
    *f~X wy"  
    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。 q|,I\H5}  
    TxhTK5#f  
    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。 '|0Dt|$  
    vgzNT4o  
    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。 =nEl m*E  
    WV5gH*uUa  
    [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。 "HW~|M7>(  
    .`!|^h%0  
    设计要求
    k--.g(T  
    ]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: q P@4KH} e  
    W:uIG-y~  
    I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) ?op6_a-wm  
    I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 rN)T xH&*p  
    这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 I"E5XVC);  
    im^G{3z  
    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。 %-+lud  
    @]Ye36v0#L  
    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。 0X\,!FL  
     Hw34wQX  
    确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: x`^~|Q  
    *-bR~  
    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
    06I'#:]  
    E9 QA<w  
    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%。 ZoB?F  
    xW{_c[oA  
    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。 z3b8  
    DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 2.Ym  
    lhAwTOn`Q  
    -^8gZk/(W  
    _;J7#j~}  
    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@_pV  
    O qDLb  
    搜索宏
    请评论区留言联系工作人员获取代码
    |jW82L+!N%  
    Wx"bW ICc  
    yqqP7  
    运行搜索宏可以得到10个初始结构: i% k`/X;  
    )`Tny]M  
    )Y@  
    GVZ/`^ndM  
    从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: *&>1A A  
    $O&P@8:Z  
    +Ij>\;vM"  
    .l5y !?  
    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。 8QDRlF:;<  
    vk+TWf  
    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)。 BCF- lrZ&  
    ] r4jW=?|  
    <FmrYwt  
    变焦优化
    d c_^   
    {<&I4V@+  
    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。 F<X)eO]tk  
    3*64)Ol7t]  
    {Q^P<  
    5) o-$1s A  
    输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 lRnst-inlI  
    L~Epd.,Dt  
    r#rQ3&Vn  
    g^"",!J/  
    得到结果: (7`&5m d  
    7Q} P}9n  
    w``t"v4  
    |vA3+kG  
    插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。 _;$VH4(BI  
    再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: {<ymL}  
    !)ey~Suh  
    5NbI Vz  
    # SV*6  
    像差分析
    d~uK/R-KD  
    查看畸变
    $@+\_f'bU>  
    注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 ?s#DD,  
    3D +>NB  
    i 4lR$]@  
    ItHKpTe r  
    因此在优化宏中添加控制畸变的指令 V:)k@W?P  
    M 0 8 A P YA 1 vLJ<_&6  
    S GIHT ]3xnq<  
    M 0 5 A P YA .7 EU TTeFp  
    MUL CONST 2 Fe%Q8RIh_  
    S GIHT 8Z:NT_Ss  
    从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: . [+ObF9=  
    /"tVOv#  
    ;2@MPx  
    u2y?WcMv  
    优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。  .VuZ=  
    6cVaO@/(  
    在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 ' wvZnb  
    {l.) *#O  
     :D} xT]  
    h|mh_T{+  
    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: .@JXV $Z  
    M 0.5 2 A M YMTF 1 72 i;y<gm"  
    专门优化这一条MTF。 kM*f9x  
    ueZ`+g~gg  
    #?YQ&o~gZ  
    L{N9h1]  
    优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。 "]JE]n}Ulg  
    GfD!Z3  
    最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 [{ K$sd  
    nORm7sa9  
    优化宏
    请评论区留言联系工作人员获取代码
    !FZb3U@  
    再进行优化退火,50,2,50 O1Ey{2Q  
    >e($T!}Z  
    %L}9nc%~eP  
    ^;$a_eR  
    得到最终结构: PbJn8o   
    >1T=Aw2Z.  
    Jj*XnL*  
    r^n%PH <  
    各个像质结果: <`9Q{~*=t  
    RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm ~A}"s-Kq5  
    ]MfT5#(6h  
    变焦位置1: X2(TuR*t  
    J1YP-:  
    L0qo/6|C  
    基本参数
    变焦位置1: (ST />")L  
    qm4 Ejc<  
    fBR,Oneo  
    :@KWp{ D7  
    变焦位置8: \'&:6\-fw  
    b4Zkj2L  
       he8y  
    畸变
    <QQgOaS`2  
    I?lQN$A.E  
    变焦位置1: BR8z%R  
    xv]P-q0  
    15 x~[?!  
    k+ 5:fB)z  
    变焦位置8: |+mhYq|`  
    ,u-i9`B  
       J~V`"uo  
    MTF
    eY"y[  
    U`ey7   
    变焦位置1: RvZi%)  
    2shr&M fp[  
    已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 QY8I_VF  
    r4@!QR<h  
    变焦位置8: 5]:fkx  
    w[I%Id;E  
    R{NmWj['Mg  
    xop9*Z$  
    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。 QzT)PtX  
    0\qbJ  
    相对照度
    ?y>xC|kt  
    短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 Fx~=mYU  
    变焦位置1: *^bqpW2$q  
    h$)!eSu  
    F2:+i#lE  
    sOa`Tk  
    变焦位置8: {# ;e{v  
    rtS(iD@B"  
       Q!7Er  
    主光线角度
    tbJB0T|G  
    远心度都在1°以内 b7E= u0  
    变焦位置1: sg;G k/]  
    /0s1q  
    kG[u$[B  
    \m1r(*Ar  
    变焦位置8: HDvj{  
    sw6]Bc  
       3;Kv9i<~LE  
    总结: .e!dEF)D  
    R9f*&lj  
    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。 J [J,  
    j +\I4oFN  
    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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