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optics1210 2019-01-24 14:57

快速设计一个30倍的变焦镜头：SYNOPSYS 光学设计软件

1CF7  
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。 \K4CbZ,.  
设计要求如下： i9#`F.7F  
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 oHP >v_ X  
ZSEARCH输入如下:

7|{%CckN  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 l(0&6ENyj  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 <.y^  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 I&Eg-96@  
2vW,.]95M  
      SYSTEM BIb{<tG^N  
      ID ZSEARCH TEST ;6\Ski0=l  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi tZJ 9}\r  
      ! aperture.    This defines the wide-field object ~' PS|  
      UNI MM WAVL CDF END @BB,i /  
&CPe$'FYI  
      GOALS ZOOMS 7 %(O^as  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether \8C*O{w  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom o/i5e=9[y  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters ^q4:zZZ  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, JydQA_   
      ! which is the narrow field zoom I5|S8d<  
      OBB 0 0.4666 90 %_i0go,^  
ZQ-z2s9U  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the +Fy- ~Mq  
      ! first and last ZRVF{D??"%  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF W4] 0qp`\  
      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 Y GcY2p<  
      ! added to the merit function with a low weight. @Tj  6!v  
      COLOR M    ! correct all defined colors H'0J1\ h  
      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 01SFOPuR%(  
      ASTART 22 #L1yL<'  
5qODS_Eq  
      TSTART 12 END |'l* $  
P[|B WNei  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 ?M1 QJ  
      FUL 1.75 END tg m{gR  
7UEy L }N  
      SPECIAL AANT iM-hWhU  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 >f9]Nj  
      ACM 4 1 1 G){1`gAhNJ  
      ACC 35 1 1 \)6?u_(u  
5xn0U5U  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END })=c:h &  
      GO    ! start ZSEARCH Q:xI} ]FM  
      TIME    ! see how long the run took.
>5z`SZf  
^!s}2GcS`  
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。
4VL!U?dk  
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。 a1Y_0  
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。 <3]/ms  
运行ZSEARCH产生的宏。 <pa];k(IQL  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：
)F9%^a(  
      CAM 15 SET
V1+o3g{}  
f~(^|~ZT  
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：
I$P7%}  
      CAM 100
mm9S#Ya  
(^OC%pc  
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：
4dD@lG~  
      CAM 100 APERT
q~A|R   
@0x.n\M_  
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
I]S(tx!  
      ZSPACE NONLIN 1.7
0BU:(o&  
qi5>GX^t]b  
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。 M`g Kt (3  
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。 Jv$2wH  
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：
uC$4TnoQx.  
    ZOOM        1 (fjXp75  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT =P+wp{?AN|  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 dIh(~KqB  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 5<'Jd3N{&  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 -wHGi  
    LUL 600 .1 10 A TOTL q|Tk+JH{5  
    ZOOM    2 ,2L,>?r6  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT 9~ .BH;ku  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 iegPEb  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 } jy7,+  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 }lbx  
    LUL 600 .1 10 A TOTL *g_>eNpXD  
    ZOOM    3 !P3tTL!*L  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT IaZAP  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 jI pcMN<  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 ^rZ+H@p:6  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 HrcnyQ`Q0  
    LUL 600 .1 10 A TOTL sg~/RSJ3  
    ZOOM    4 L?5t <`#lw  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT P6Ol+SI#m  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 H H7 gT  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 e @MCumc~+  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 f#JF5>o  
    LUL 600 .1 10 A TOTL S6Xw+W02  
    ZOOM    5 2FtEt+A+'  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT NxRiEe#m  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 '3 ,JL!  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 }T(q"Vf~  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ).6/ii9gt  
    LUL 600 .1 10 A TOTL Y+PxV*"a  
    ZOOM    6 s`#j8>`M  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT WxI]Fcb<  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 _J#Hq 'K  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 X>YOo~yS5  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 I(eR3d:  
    LUL 600 .1 10 A TOTL Xrs~ove1V  
    ZOOM    7 _ 25]>D$  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT Hqy>!1 !  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 T</gWW  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 l`G:@}P>G  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 gM:oP.  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
X%qR6mMfT7  
%Y[/Ucdm  
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。
DWO:  
      ZGROUP ALL eHZl-|-  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT .jU0Hu{F4  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 ",oUVl  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 Ji:@z%osr  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 Z%d4V<fn  
      LUL 600 .1 10 A TOTL (3S/"ZE  
      END
2]KPW*V  
3W00,f^9  
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。
JVYYwA^ .  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 9Ei#t FMc  
    ZGROUP    ALL MO+0]uh:  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 .=<pU k 3G  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 S5p\J!k\B  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000  D -EM  
    END /R?uxhV  
    END
~d8o,.n`1  
m$j;FKz+|  
在我们运行这个宏之前，调整物距位置是个好主意。我们将数字从7增加到15，但是这个选项只是插入了之前的数据，这些数据很接近，但并不准确。输入命令
M& L0n%,y5  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
tG&B D\  
-B! TA0=oJ  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。
dXN&<Q,  
让我们尝试添加镜片来检验是否对像质有帮助。在PANT文件之前，添加如下命令行
;0{*V5A  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
oMf h|B  
2(xKE_|  
运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片，像质得到很大的提高。
Y)5}bmL  
我们想进一步改进像质。我们发现第一个镜片中心较厚，但它的边缘很薄。现在的厚度是多少?
V,,iKr@TG  
      SYNOPSYS AI>1 TH? H*<dte<  
.;Yei6H  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
61 |xv_/  
:36^^Wm  
我们的评价函数里有一个监视器，可以防止中心厚度变得太大，我们已经指定了一个35毫米的默认控制。但这个透镜是一个体积相当大，显然我们需要增加允许的厚度。将ACC监视器更改为
k82LCV+6  
      ACC 50 1 1
bm|8Jbsb&  
~|]\. ^B  
注释掉AEI命令行，再一次优化，模拟退火(22，2，50)。评价函数下降了。但是镜片2的厚度太薄，所以在MF中添加一个新的命令:
uQ)]g  
      ADT 7 .1 1
LZ$!=vg4  
%8}w!2D S  
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。
lsf?R'1  
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：
*Ux"3IXO  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
[X\2U4  
l^Z~^.{y  
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 6YbSzx` ?k  
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。 &Kwt vUN{  
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:
3"RZiOyv  
      … j R:Fih-}  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 e70*y'1fu  
      ZFILE  2 xJlq2cK  
      CAM RANK  9 \|s/_35(  
      CAM EXPONENT  0.800000 bBL"F!.  
      5 10 1Tkz!  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC 6jA Q  
      …
v-@@>?W-  
CdjGYS  
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! 'JVvL  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。
/GNYv*  
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? ~KvCb3~X  
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：
%UhF=C  
     XCOLOR
tcZ~T  
~{{:-XkVB  
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。
$tJJ >"  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? ^%.<(:k[L  
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。 igCtq!.a  
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。 W@Wh@eSb;  
Vy VC#AK,  
,y @3'~  
asdoptics 2019-03-03 21:50
优秀文章，支持！
是波妞啊 2019-03-20 15:25
感谢楼主分享  -W ,b*U  
可以自己试一试啦 J!>oC_0]8  
agzG  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 A U](pXK;  
可以自己试一试啦 u=4Rn  
 (2019-03-20 15:25)  1DX=\BWp  
n1QO/1} :  
有什么问题可以随时联系我们
jessen 2019-04-26 19:09
不需要初始结构，可以试试。
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