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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 Fx3CY W  
    @U 6jd4?)  
    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。 yMd<<:Ap  
    or8`.h EHI  
    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。 ]UMt  
    6XFLWN-)  
    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。 PXx:JZsju  
    B%.vEk)*  
    [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。 a7? )x])e  
    [J{M'+a  
    设计要求
    Q| 6lp  
    ]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: ?_@_NV MY  
    k(]R;`f$W  
    I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) #hQ#_7  
    I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 \U?$ r[P  
    这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 #B^A"?*S  
    cm'`u&S  
    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。 , S }  
    q;)+O#CR  
    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。 TdCC,/c 3  
    &>xd6-  
    确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: G2[? b2)8  
    g0Ff$-#7  
    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
    m-v0=+~&  
    Gkr]8J  
    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%。 (*K=&e0O  
    +NT8dd  
    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。 )&") J}@  
    DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 k vQ] }`a  
    YaT6vSz  
    S=@bb$4-T  
    yU{Q`6u T  
    以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: gic!yhsS_  
    XH`W(  
    搜索宏
    请评论区留言联系工作人员获取代码
    [Nw%fuB  
    (Ev=kO  
    J6C/`)+w  
    运行搜索宏可以得到10个初始结构: _no;B_m~  
    DTMoZm  
    <Crbc$!OeX  
    hRFm]q  
    从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: v.q`1D1=t  
    I" hlLP  
    /)-OK7x  
    _pN:p7l(  
    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。 SmUj8?6"  
    2N}UB=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)。 E|K|AdL  
    ] 1Uaj}= @M  
    Oj,v88=  
    变焦优化
    !K%8tr4   
    gy*c$[NS$  
    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。 !SPu9:  
    N87)rhXSo,  
    ec sQshR  
    >>b <)?3Rv  
    输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 6g-Q  
    Rh :|ij>B  
    !x$6wzKa  
    >|1$Pv?  
    得到结果: _g2"D[I%  
    G&z^AV  
    bP)( 4+t~  
    1$#1  
    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。 xa[)fk$6  
    再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: oWb\T 2!m  
    xiy=D5N.=  
    fW z=bJ"V  
    0Lx,qZ'  
    像差分析
    *w OU=1+  
    查看畸变
    Ju@8_ ?8=  
    注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 gjL+8Rk  
    )_a;xB` S(  
    WS6;ad;|  
    Xx+eGV";`  
    因此在优化宏中添加控制畸变的指令 Qv}TUX4  
    M 0 8 A P YA 1 )&s9QBo{b  
    S GIHT 5kik+  
    M 0 5 A P YA .7 `Fx+HIng,  
    MUL CONST 2 QX+Xi<YE-  
    S GIHT 2Bz\Tsp  
    从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: Lyq[gQjr  
    {l9gYA  
    1}Th@Vq  
    9U4 D$M  
    优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 :ggXVwpe  
    {HtW`r1)Tt  
    在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 TXS{=  
    tNG[|Bi#  
    Vj[hT~{f  
    KsSIX  
    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: bk|?>yd  
    M 0.5 2 A M YMTF 1 72 ~5>k_\ G8  
    专门优化这一条MTF。 QmC#1%@a  
    A=+1PgL66  
    {_R{gpj'  
    qH4+i STnV  
    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。 `4-N@h  
    eX$RD9 H  
    最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 +Kp8X53  
    6>gm!6`  
    优化宏
    请评论区留言联系工作人员获取代码
    :(YFIW`59  
    再进行优化退火,50,2,50 &fW'_,-  
    wv  
    ~7w LnB  
    /V }Z,'+  
    得到最终结构: ny}_^3  
    jbe_r<{  
    *G8Z[ht%r  
    &S39SV  
    各个像质结果: /5X_gjOL,  
    RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm ~t<uX "K  
    vty:@?3\  
    变焦位置1: 7l4}b^>/`  
    &ZL4/e  
    @D$ogU,#  
    基本参数
    变焦位置1: |j4p  
    ?-'GbOr!  
    1}~ZsrF  
    0|kH0c,T-  
    变焦位置8: gnadx52FP  
    m^ /s}WEqp  
       #~4;yY\$I  
    畸变
    A{Qo}F<*  
    <tW/9}@p9  
    变焦位置1: |S]T,`7u  
    'vV+Wu#[  
    ]*D~>q"#\  
    4|UtE<<b  
    变焦位置8: }:S}jo7  
    +LlAGg]Z  
       h0C>z2iH  
    MTF
    )<$<9!L4x  
    !AG oI7W}  
    变焦位置1: 8Vy/n^3)  
    U#%+FLX@w  
    已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 S{Zf}8?6$  
    )d>Dcne  
    变焦位置8: S0ReT*I  
    L) UCVm  
    !DD4Bqez  
    `O!yt  
    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。 `Ue5;<K-/  
    g>g*1oS  
    相对照度
    U?ZWDr"*`w  
    短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 -XnOj2  
    变焦位置1: ?@<Tzk]a.  
    ] G^9PZ-  
    ^a$L9p(  
    :m36{#  
    变焦位置8: `NNP}O2  
    %r&36d'  
       $W9dUR0  
    主光线角度
    g1 =>u  
    远心度都在1°以内 R,fAl"wMu  
    变焦位置1: ^>^h|$  
    8U n0<+b  
    Gzwb<e y  
    |v<4=/.  
    变焦位置8: DQ&\k'"\  
    ! %B-y 9\  
       d$8K,-M  
    总结: mex@~VK  
    P<;Puww/  
    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。 ^gkKk&~A5?  
    Htfq?\ FD  
    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。。!