快速设计一个30倍的变焦镜头：SYNOPSYS 光学设计软件
LHu
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。 7N@[Rtv
设计要求如下： 0=t2|,}
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 quC$<Y
ZSEARCH输入如下:
98^7pa
LOG ! to keep track of things later ON 98 'irwecd8
TIME ! to see how long this run took CORE 14 Bt5 P][<
ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3 rnp; R
Nh/i 'q/
SYSTEM Kng=v~)N'
ID ZSEARCH TEST @ ,;h!vB*=
OBB 0 14 3 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi WS(m#WFQr
! aperture. This defines the wide-field object + @|u8 +
UNI MM WAVL CDF END _T~&kwe
IMM sOl
GOALS ZOOMS 7 Iw)m9h
GROUPS 2 3 4 2 ! lens has four groups with 11 elements altogether u^c/1H:6
ZGROUP 0 Z Z 0 ! and groups 2 and 3 will zoom Kb;Pd!Q
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! also correct range focus at 5 meters 0 aI@m
FINAL ! declare the desired object at the last zoom position, Q=vo5)t
! which is the narrow field zoom IR: { { (
OBB 0 0.4666 90 2@pEiq3
02tN=}Cj)
ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the o"L8n(\
! first and last Qt_KUtD
APS 19 ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF ;mz#$"(
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 x?u@
j7[
! added to the merit function with a low weight. f8qDmk5s
COLOR M ! correct all defined colors 9=/4}!.
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 v*.iNA;&i
ASTART 22 .0gfP4{1{
gW4fwE^
TSTART 12 END &+ PVY>q
.3n\~Sn
SPECIAL PANT CUL 1.75 HkhZB^_V
FUL 1.75 END [q_62[- X
< .e4
SPECIAL AANT k $ 8Zg*)
ACA 55 1 1 ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 G/fBeK$.
ACM 4 1 1 }Y!s :w#
ACC 35 1 1 m$(OQ,E
E]g6|,4~-
LUL 600 .1 10 A TOTL END *icaKy3
GO ! start ZSEARCH _5(p=Zc
TIME ! see how long the run took. _y>drvg
a_{'I6a*,
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。 5!$sQ@#}D
我们只纠正了7个变焦位置，在完成设计之前，可能还需要更多的变焦位置，但是前期选择少量的变焦位置做参考，会使ZSEARCH运行得更快。 8 9{ ;R
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 F0zaA
运行ZSEARCH产生的宏。 HrFbUK@@
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令： z[R
dM#L
CAM 15 SET Ex*{iJ;\
F s=x+8'M
运行变焦滑块，会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正，但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令： 6@FhDj2X
CAM 100 Qy4Pw\
|JWYsqJ0U
在这张图的左端数据变化最快，所以在这一区域，需要分配更多的变焦位置，来控制像差和焦点。输入以下命令： )dEcKH<#
CAM 100 APERT ;pOV; q3j
<&O*'
<6C
现在这个图与前面的图片比例不再相同。我们可以看到左边的变焦位置比右边的变焦位置靠得更近。命令如下 mJ5%+.V
ZSPACE NONLIN 1.7 ePv`R'#
Ly n{Uag
在ZSEARCH文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。 Fn4yx~ 0
现在镜头已经定义了15个变焦组，同样聚集在凸轮曲线的左边，因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的，只有7个变焦组是准确的。 @]}/vsI m
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下： wTZ(vX*mK
ZOOM 1 \ISg6v{/
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT dV'^K%#
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 |S@
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 T@ #?{eA
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 <
]+Mdy
LUL 600 .1 10 A TOTL B zWkZAX
ZOOM 2 4 @ <wN \'
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT *mWl=J; u
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 P 0hr=/h4
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 Z Pq.|6&
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 y\-iGKz{0
LUL 600 .1 10 A TOTL yIngenr$
ZOOM 3 NRT]dYf"z
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT 4t/ ?b
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 es%py~m)
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 $""k Z
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 OQ 4h8,
LUL 600 .1 10 A TOTL $XMpC{
ZOOM 4 kv+^U^WoU
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT F Qk
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 R ;A8y
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 k W
8>VnW
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 |#yT]0L%pA
LUL 600 .1 10 A TOTL w{*V8S3h9
ZOOM 5 gn~ ^Ajo
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT UhkL=+PD
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 (0`w.n
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 9(z ) ^ G
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 '
;nG4+K
LUL 600 .1 10 A TOTL 2g?q4e ,
ZOOM 6 v.>K
)%`#
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT wxPl[)E
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 0a<h,s0"2
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 ^P]5@d v
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 Yh @2m9
LUL 600 .1 10 A TOTL P2C>IS
ZOOM 7 J6 5:MaS
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT ONy\/lu|
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 )uR_ d= B&
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 K `<HZK
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 XIZN9/;
LUL 600 .1 10 A TOTL wqV"fZA\]
*fv BB9raq
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。 `{
HWk^
ZGROUP ALL d]^ m^
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT Iu`S0#+
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 }gt)cOaY
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 zks7wt]A
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 OW@) 6
LUL 600 .1 10 A TOTL dKU :\y
END *_#2|96)
-Eq[ J k
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。 4E2/?3 D
ZFOCUS 0.500000E+04 4 0.900000E+02 0.500000E+01 :&'jh/vRN
ZGROUP ALL UQ7]hX9
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 U/cj_}uX
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 cZ)mp`^n7
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 yqL" YD
END .oT'(6#
END =2=rPZw9
BKb#\(95*
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 t6mv
CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 Z[] 8X@IPe
~tRGw^<9
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。 |K{ d5\_
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 4cPZGZ{U
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 LW.j)wB]
4pQf*l8e
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。 Rf>)#hn%
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? JN` $Fq+
SYNOPSYS AI>1 TH? )1Y?S;
h!|U j
The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744 2Vf2 42z_
bolG3Tf|
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 b6Z3(!]
]
ACC 50 1 1 -LUZ7,!/>o
i$6rnS&C
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: w%iw xo
ADT 7 .1 1 8 zlvzp
_#&oQFdYR
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。 o 7tUv"Rs
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： /VufL+q1
ZFOCUS 5000 4 90 5 ^dhx/e%s
}d>.Nj#zh
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 S1Od&v[R
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。 _& 9P&Zf4
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: S a[lYMuB
… ' v
CMf
OBB 0.000000 14.00000 3.00000 -60.69895 0.00000 0.00000 3.000 U!uJ )mm
ZFILE 2 "9QZX[J|*
CAM RANK 9 =SeQ- H#
CAM EXPONENT 0.800000 {,h_T0D^j
5 10 4u%AZ<-C}m
11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC ")vtS}Ekt
… Bt,'g* Cs
&S 66M 2
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! 4 ;AQ12<[1
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。 m;{HlDez
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? :A @f[Y'9
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： N wN xO
XCOLOR #5{xWMp/0
*n&Sd~Mg
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。 }[UH1+`L
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? W'"?5} (
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。 Db*b "/]
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。 (}>)X]
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