快速设计一个30倍的变焦镜头：SYNOPSYS 光学设计软件
1|bg;X9+
第38课展示了如何设计8X变焦镜头。现在我们做一个复杂的设计，以30X变焦为目标，来设计一款变焦镜头。 j{&*]QTN
设计要求如下： Rq`d I~5!b
1. 变焦30倍 2. 半视场角14° 3. 最后一面的半孔径为3mm 4. 使用11个镜片 5. 四组镜片，其中两组是用来变焦 6. 像高5mm 7. 后焦距20mm 8. 总长600mm 9.物距从无穷远到5m范围内对焦清晰 ?c ur}`
ZSEARCH输入如下: (Y!{ UNq5
LOG ! to keep track of things later ON 98 CqFk(Td9-D
TIME ! to see how long this run took CORE 14 % H/V
iC
ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3 RwyX,|
X^o 0t^
SYSTEM !
mb<z^>5
ID ZSEARCH TEST to,\s c
OBB 0 14 3 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi O
n/q& h5
! aperture. This defines the wide-field object ' Bx"i
UNI MM WAVL CDF END \0fS;Q^{j
W#E g\nT
GOALS ZOOMS 7 Ah :d2*SR4
GROUPS 2 3 4 2 ! lens has four groups with 11 elements altogether X:2)C -l?
ZGROUP 0 Z Z 0 ! and groups 2 and 3 will zoom Yx[B* ] 2
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! also correct range focus at 5 meters 5do49H_
FINAL ! declare the desired object at the last zoom position, 3sD/4 ?
! which is the narrow field zoom eHE?#r16Z
OBB 0 0.4666 90 1[:tiTG|C
`=%mU /v
ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the g>*P}r~;^b
! first and last lY $9-Q(
APS 19 ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF \DMZ M
GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1 ! the back focus is 20 mm and will vary. A target will be N!lQ;o'
! added to the merit function with a low weight. ;Z 6ngS
COLOR M ! correct all defined colors XlJA}^e
ANNEAL 50 10 Q ! anneal the lens as it is optimized in both modes QUICK 40 40 ! 40 passes in quick mode, 40 in real-ray mode $*$X5
ASTART 22 R1?LB"aN
v{8W+
TSTART 12 END ^~` t
q+
?v,4seRuz
SPECIAL PANT CUL 1.75 +/ U6p!
FUL 1.75 END Jp 7m$D%
~ 5: -;ZbZ
SPECIAL AANT BTnrgs#[
ACA 55 1 1 ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 b wqd` C
ACM 4 1 1 wOV}<.W
ACC 35 1 1 A}W}H;8x
2fFGS.l
LUL 600 .1 10 A TOTL END
ovsI2
GO ! start ZSEARCH $s<bKju
TIME ! see how long the run took. 7El :$H
M
_e^KF
运行这个宏一段时间后，我们得到了一个有潜力的初始结构。 \O=t5yS
我们只纠正了7个变焦位置，在完成设计之前，可能还需要更多的变焦位置，但是前期选择少量的变焦位置做参考，会使ZSEARCH运行得更快。 "w&G1kw5I
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 fI }v}L^
运行ZSEARCH产生的宏。 :9]"4ktoJ
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令： ov|/=bzro
CAM 15 SET x.%x |6G*
kre cUpo
运行变焦滑块，会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正，但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令： oGKk2oP
CAM 100 9B9:lR
chszP{-@X
在这张图的左端数据变化最快，所以在这一区域，需要分配更多的变焦位置，来控制像差和焦点。输入以下命令： k.6(Q_TS
CAM 100 APERT dkAY%z two
}%Vx2Q
现在这个图与前面的图片比例不再相同。我们可以看到左边的变焦位置比右边的变焦位置靠得更近。命令如下 eb=#{
ZSPACE NONLIN 1.7 8m*uT< 5D
!b{7gUjyI
在ZSEARCH文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。 s s'`[QhR2
现在镜头已经定义了15个变焦组，同样聚集在凸轮曲线的左边，因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的，只有7个变焦组是准确的。 C@OY)!x!
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下： 7q@>d( xho
ZOOM 1 f0ME$:2
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT (aX6jdvo
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 ~ L?q.*q
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 RGz NZc
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 h ngdeGa
LUL 600 .1 10 A TOTL %y[
t+)!E
ZOOM 2 f[+N=vr
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT K!qV82b='{
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 w ;]~ 2$
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 V[fcP;
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 {hi'LA-4@
LUL 600 .1 10 A TOTL IiB"F<&[j{
ZOOM 3 'w`3( ':=
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT ?X~U [dV?
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 vI0::ah/
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 n+H);Dg<8
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 W?2Z31;7
LUL 600 .1 10 A TOTL ,+o*>fD
ZOOM 4 ZE 4xF8
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT , %U'>F?
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 ~]C m
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 }1?
2
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 e!p?~70
LUL 600 .1 10 A TOTL #n6<jF1G
ZOOM 5 e> Q_&6L
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT uBA84r%{QQ
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 gvy c(d
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 B^lm'/,@
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 |iGfWJ^+
LUL 600 .1 10 A TOTL S Js RHQ
ZOOM 6 ofH e8a8
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT \Ss6F]K]
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000
~[3B<^e
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 AA ~6r[*~
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 ?) mM]2%%
LUL 600 .1 10 A TOTL ,-.a! a
ZOOM 7 x$;kA}gy
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT rBrJTF:.
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 +9[s(E?SY
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 /d-d8n
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 ~"8)9&
LUL 600 .1 10 A TOTL _S3qPPo3l]
Ln@n6*%(/
为了简化操作，我们将删除除第一个变焦组之外的所有内容，并将其更改为zoom group的设置。这将在所有变焦组中进行如下操作，在三个视场中创建光线像差操作。 )Y
9JP@}T
ZGROUP ALL (vb8M k
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT RqE|h6/
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 #P5tTCM
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 ^E= w3g&
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 1Aw/-FxJ
LUL 600 .1 10 A TOTL x/^,{RrPk
END fL R\@f
:Miri_l
该程序还向AANT文件中添加了ZFOCUS命令，然后是另一组变焦设置，我们再次用单个ZGROUP ALL命令替换它们。该部分更改物距参数，将第一组移动90毫米，并在所有已定义的变焦组中再次纠正像质。请注意，END命令将会关闭ZGROUP文件，另一个END命令将会关闭文件AANT部分。 7<7
/N Z<I
ZFOCUS 0.500000E+04 4 0.900000E+02 0.500000E+01 %VmHw~xyF:
ZGROUP ALL L0dj 76'M
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 CH4 ~9mmE
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 \S Q wIM
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 #0gwN2Nv"L
END t-3y`31i.
END \'.#of
/4lm=ZE/
在我们运行这个宏之前，调整物距位置是个好主意。我们将数字从7增加到15，但是这个选项只是插入了之前的数据，这些数据很接近，但并不准确。输入命令 kZJ.G
CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 8e*1L:oB!
jk-e/C
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。 r'~^BLT`#
让我们尝试添加镜片来检验是否对像质有帮助。在PANT文件之前，添加如下命令行 G~fM!F0
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 ouf91<n
/`vn/X^?^
运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片，像质得到很大的提高。 _pe_w{V-b6
我们想进一步改进像质。我们发现第一个镜片中心较厚，但它的边缘很薄。现在的厚度是多少? w0!4@
SYNOPSYS AI>1 TH? TX7 ]$Wj
+=&A1 {kR3
The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744 o:8*WCiqrN
R1 lC_ G]
我们的评价函数里有一个监视器，可以防止中心厚度变得太大，我们已经指定了一个35毫米的默认控制。但这个透镜是一个体积相当大，显然我们需要增加允许的厚度。将ACC监视器更改为 j@4AY}[tX
ACC 50 1 1 +?[,{WtV
e SlZAdK
注释掉AEI命令行，再一次优化，模拟退火(22，2，50)。评价函数下降了。但是镜片2的厚度太薄，所以在MF中添加一个新的命令: C=uY X"
ADT 7 .1 1 k7\
,N o}
afNqK~
取消AEI命令行的注释，并重新优化。这将控制每个镜片的直径/厚度比，并添加一个镜片。现在系统看起来很好。 Ihn+_H u
把这个设计分配给下一个ACON，我们要用它来查看物距5米处的像质。点击按钮 ;然后输入如下命令： %9lx)w
ZFOCUS 5000 4 90 5 %?WR 9}KU0
? OFl9%\ V
您已经设置物距为5米，并将第4个面的厚度调整为90毫米，调整物体高度，使高斯像高保持在5毫米。我们想看看它是如何工作的。运行变焦滑块，在缩放范围内查看此ACON的性能。它和无穷远处的性能很相似。在物距范围内聚焦不会有任何问题。最大的像差出现在zoom 15中，这是一种长焦设置，对于这种镜头来说是正常的 [/iT D=O,
现在点击PAD Scan按钮 ，检查每个field point的像差是否得到控制。在变焦范围的两端都这样做，你会发现每个地方都得到了很好的控制。如果某个中间视场点出现较大的像差，我们将在出现问题的视场点向AANT文件添加另一个GNR命令，但在目前的结果下没有必要这样做。 -T+7u
变焦滑块显示了镜头在整个变焦范围内的焦点-但我们也需要进行调整 打开工作表并单击ZFILE按钮 以显示当前变焦参数。滚动到编辑窗格的顶部并添加两个命令，如下面的红色字体所示: =
gbB)u-Pc
… daakawn +
OBB 0.000000 14.00000 3.00000 -60.69895 0.00000 0.00000 3.000 'g7eN@Wh.z
ZFILE 2 AQ`
`Dp
CAM RANK 9 ]H_|E
CAM EXPONENT 0.800000 <JNiW8 PG
5 10 UoSzxL
11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC ? j8S.d ~
… ;LjTsF'
n13#}i {tm
现在该程序将对凸轮曲线使用分段三次拟合(而不是目前默认使用的幂级数多项式)，并将调整第二组的变焦位置，以保持在所有变焦时近轴离焦的平稳过渡。再次运行变焦滑块，焦点处在正确的位置上! Yl#|+xYA5[
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。 %pk'YA{M)q
在本课中，我们需要多次调整参数运行，直到得到满意的结果为止。例如，上面显示的ZSEARCH输入包含CUL和FUL命令，以限制玻璃模型变量允许的最高折射率。在这种情况下，我们限制它们为1.75。但也有其他玻璃品种的折射率高达1.9。为什么不用这些材料呢? {ICW"R lcs
这些玻璃材料，尤其是燧石材料的玻璃，比折射率较低的玻璃更容易吸收蓝光。如果这款镜头是用于空中侦察任务，经常会添加一个黄色滤镜来透过雾霾，那么高折射率的材料将是首选，因为这样可以更好的校正像差，而蓝光则不重要。输入以下命令： ~qP_1()
?
XCOLOR h.ln%6:d
j68_3zpl
看看什么颜色的光线能通过镜头，你可以查看下面左边的图片。让折射率上升到1.9，重复整个过程，我们得到了更好的分辨率镜头，但是蓝色波长的光的传输更差，如右图所示。 isiehKkD
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? _ I1:|y
我们可能需要更好的分辨率镜头，这就需要在插入真正的玻璃材料之前，再次运行AEI命令。也许我们更喜欢短一点的镜头。这要求再次运行ZSEARCH，在TOTL上使用不同的设置。如果我们在快速模式下运行更多的循环会发生什么?很可能我们会得到一组不同的10个镜头。如果关闭98开关，我们再次运行相同的设置，结果可能会有所不同。 Hz6tk9;w
从一个简单的方法开始，了解什么可行，什么不可行，根据需要增加复杂性，SYNOPSYS为此目的提供了许多强大工具。 E)}& p\{E
1#m'u5 L
iF#|Z$g-(
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