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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 T!8^R|!a6  
    wWy;dma#  
    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。 Vv45w#w;  
    mL=d E Q  
    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。 %VH,(}i  
    REU,"  
    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。 ~/]]H;;^u  
    o`,~#P|  
    [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。 0z8?6~M;<  
    oojl"j4  
    设计要求
    0Gc@AG{  
    ]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: ;~EQS.Qp  
    D]]wJQU2  
    I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) @kqxN\DE  
    I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 !: ^q_q4  
    这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 L%T(H<G  
    d=PX}o^  
    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。 "FWx;65CR  
    V}Y*Yv  
    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:fP  
    mK[Z#obc=  
    确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: ?: yz/9(  
    %bAQ>E2;m  
    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
    n4/Wd?#`  
    3R3H+W0{  
    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%。 d_,5;M^k  
    t$18h2yOL  
    因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 rG}e\ziKuj  
    DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 5e /YEDP  
    lPZ(c%P  
    Do/R.Mgy*  
    ?vFy3  
    以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: 6O As%QZ  
    }IyF |[  
    搜索宏
    请评论区留言联系工作人员获取代码
    ^$K&Met  
    `m7<_#Y  
    X.eOw>.  
    运行搜索宏可以得到10个初始结构: _&uJE&xl}  
    At'CT5=  
    @-'a{hBR  
    L"qJZU  
    从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: 1f`De`zXzr  
     Y~WdN<g  
    HIXAA?_eh=  
    ;=Ma+d#  
    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。 QB*,+u4  
    !6KX^j-  
    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)。 6ZqU:^3  
    ] ABN4kM>%  
    fF(2bVKP:  
    变焦优化
    j_~KD}  
    hOY@vm&  
    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。 @C)s4{V  
    C/e.BXA  
    UK ':%LeL  
    )`DVPudiy  
    输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 IZ=Z=k{  
    BJj'91B[d  
    ^M'(/O1  
    L  ;L:  
    得到结果: YThVG0I =  
    x>yqEdR=o  
    (?jK|_  
    h>/teHy /  
    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。 r&{8/ 5 "  
    再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: FDMQ Lxf  
    V<QpC5  
    :_8K8Sa  
    &C9IR,&  
    像差分析
    B\J[O5},  
    查看畸变
    6}^x#9\  
    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。 q+?&w'8  
    ?Mjs[|  
    \ND]x]5d  
    UPhO =G  
    因此在优化宏中添加控制畸变的指令 ~H}Z;n]H  
    M 0 8 A P YA 1 9@*pC@I)  
    S GIHT f 2WVg;Z  
    M 0 5 A P YA .7 x{1 v(n8+=  
    MUL CONST 2 s41%A2Enh  
    S GIHT =XfvPBA  
    从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: {7:1F)Pj  
    e>MtDJ5  
    Hn/t'D3  
    j1_>>xB  
    优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 q,P.)\0A  
    J67 thTGFq  
    在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 %J*1F  
    '.v;/[0  
    YWIA(p8Qkk  
    vMzL+D2)  
    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: +~V%R{h  
    M 0.5 2 A M YMTF 1 72 6tH}&#K  
    专门优化这一条MTF。 +6WjOcu  
    f#s6 'g  
    7ys' [G|}r  
    y" =?l  
    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。 !X}+JeU '  
    59.$;Ip;g  
    最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 D <iG*I  
    C6e5*S  
    优化宏
    请评论区留言联系工作人员获取代码
    02]HwsvZ  
    再进行优化退火,50,2,50 [vu;B4^"  
    AF:_&gF  
    7J9<B5U  
    ui?@:=  
    得到最终结构: a!o%x  
    }R* %q  
    \;XJ$~>  
    w"v96%"Y  
    各个像质结果: qjRbsD>  
    RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm YIN* '!N  
    |;J`~H"K  
    变焦位置1: nk!uO^  
    L 0Ckw},,  
    R&!;(k0  
    基本参数
    变焦位置1: \(??Ytc<B  
    YMo8C(  
    %R5- 6  
    @.L#u#   
    变焦位置8: ^qL<=UC.  
    BD"Dzq  
       2z;nPup,  
    畸变
    4l0>['K&{  
    OIFjc0  
    变焦位置1: xjp0w7L)J  
    "C}<umJ'  
    OTYkJEC8\N  
    5]G%MB/|$  
    变焦位置8: y_: {p5u  
    7b~uU@L`  
       %]F/!n  
    MTF
    WReHep  
    ` { Ox=+]M  
    变焦位置1: I?1 BGaAA  
    /\e_B6pF<  
    已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 vAP1PQX;  
    %S%UMA.  
    变焦位置8:  qbc=kP  
    SOPair <r  
    2(uh7#Q  
    "uplk8iCJ  
    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。 eSZ':p  
    XnYX@p  
    相对照度
    _gH$ ,.j/  
    短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 Lt~&K$t7~  
    变焦位置1: JV,h1/a("  
    {*;K>%r\o  
    OeGLMDw  
    R o{xprE1  
    变焦位置8: ;Mmu}  
    jcC"vr'u|  
       %V1jM  
    主光线角度
    Kf?:dF  
    远心度都在1°以内 C`ZU.|R  
    变焦位置1: bR}fj.gP  
    07=I&Pum  
    CY=lN5!J  
    M:.+^.h  
    变焦位置8:  rPr]f;  
    Pc?"H!Hkn  
       'JgCl'k,  
    总结: 'PrBa[%  
    hKg +A  
    该变焦投影镜头所有指标已经基本满足要求,使用了13 片球面透镜加保护玻璃。对于片数比较多但变倍比比较小的变焦镜头,直接用 ZSEARCH 搜索花的时间太长或者搜不出好的结果,可以先用 DSEARCH 搜索一个变焦位置的结构,然后用 ZFILE 把它变为变焦镜头再优化。 b*tb$F  
    q`8 5-  
    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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