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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

vR`KRI`{  
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。 }y0UyOa{C  
设计要求如下： f< '~K  
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 2xjS;lpw  
ZSEARCH输入如下:

z#-&MJ  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 9w AP%xh  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 ~E`l4'g?  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 K1C#  
Cvl"")ZZ`  
      SYSTEM _PRm4 :  
      ID ZSEARCH TEST bGSgph  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi QP qa\87  
      ! aperture.    This defines the wide-field object [PU.lRq  
      UNI MM WAVL CDF END 3*'!,gK~[  
 k/t4  
      GOALS ZOOMS 7 "OWq]q#  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether )qxL@w.  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom dFS+O;zE\  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters *D9QwQ _|  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, 8 {QvB"w  
      ! which is the narrow field zoom 5ax/jd~}  
      OBB 0 0.4666 90  a1j 6-p  
&-{4JSII  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the +^%F8GB  
      ! first and last Karyipn}  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF GCIm_ n  
      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 O!|:ZMjF  
      ! added to the merit function with a low weight.  %RJW@~!  
      COLOR M    ! correct all defined colors k!! o!rBS  
      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 E>7[ti_p5  
      ASTART 22 MbJV)*Q  
muY4:F.C(  
      TSTART 12 END A\?O5#m:$  
}t-{,0  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 ABx0IdOcI  
      FUL 1.75 END Nlo*vu  
<vPIC G)  
      SPECIAL AANT Ddu$49{S:  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 /*8"S mte  
      ACM 4 1 1 9BF #R<}h  
      ACC 35 1 1 =*I>MgCJ  
e0aeiG$/0  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END ZOU$do>O  
      GO    ! start ZSEARCH {Ynr(J.  
      TIME    ! see how long the run took.
nGg>lRL  
Dn9Ta}miTO  
运行这个宏一段时间后，我们得到了一个有潜力的初始结构。
Ye,E7A*L  
我们只纠正了7个变焦位置，在完成设计之前，可能还需要更多的变焦位置，但是前期选择少量的变焦位置做参考，会使ZSEARCH运行得更快。 ~s !+9\Fi  
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 `s.y!(`q  
运行ZSEARCH产生的宏。 > ^D10Nf*  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：
l3.HL> o  
      CAM 15 SET
92S<TAdPP  
B` n!IgF8  
运行变焦滑块，会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正，但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令：
j]kx~  
      CAM 100
rH & ^SNc  
p>!`JU`{?  
在这张图的左端数据变化最快，所以在这一区域，需要分配更多的变焦位置，来控制像差和焦点。输入以下命令：
"y62Wo6m)  
      CAM 100 APERT
OI1&Z4Lx  
IV!&jL  
现在这个图与前面的图片比例不再相同。我们可以看到左边的变焦位置比右边的变焦位置靠得更近。命令如下
VFRUiz/C  
      ZSPACE NONLIN 1.7
gx #TRp}-  
x! Z|^q  
在ZSEARCH文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。 (?$}Vp  
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。 ;i\i+:=  
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：
``0knr <  
    ZOOM        1 s%I) +|  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT Vo%@bj~>  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 ^cX);koO  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 &;*jMu6  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 <r_ldkZ  
    LUL 600 .1 10 A TOTL `a  
    ZOOM    2 }oloMtp$  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT :+en8^r%  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 ~-|K5  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 -2bu`oD `  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ]iYjS  
    LUL 600 .1 10 A TOTL D/Bb)]9I  
    ZOOM    3 :+Y+5:U]  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT 2Fp.m}42i(  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 mD=x3d  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 "1WwSh}Z  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ..;}EFw5  
    LUL 600 .1 10 A TOTL \M<C6m5  
    ZOOM    4 F0])g  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT ?%#3p[  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 wxN'Lv=R  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 3~%9;.I3!  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 K+2<{qwh  
    LUL 600 .1 10 A TOTL eG=Hyc  
    ZOOM    5 w%KU@$  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT p^MV< }kk  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 %?@N-$j  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 (TgLCT[@T  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 QS\H[?M$  
    LUL 600 .1 10 A TOTL 7CWz)LT  
    ZOOM    6 <$qe2Ft Uq  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT ?45bvkCT  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 H0LEK(K  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 .T#h5[S2x  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ko2?q  
    LUL 600 .1 10 A TOTL W0R<^5_  
    ZOOM    7 D!^&*Ia?2  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT Rm>AU=  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 a=]tqV_  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 o]u,<bM$  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 GHaD32  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
l`>|XUf6  
3"!h+dXw  
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。
p.~hZ+ x_  
      ZGROUP ALL #{-B`FAQ  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT ckykRqk}  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 FhpS#, Y$  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 suiO%H^t  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 #Ie/|  
      LUL 600 .1 10 A TOTL t<h[Lb%{T4  
      END
4L)#ku$jW  
n W:P"L  
该程序还向AANT文件中添加了ZFOCUS命令，然后是另一组变焦设置，我们再次用单个ZGROUP ALL命令替换它们。该部分更改物距参数，将第一组移动90毫米，并在所有已定义的变焦组中再次纠正像质。请注意，END命令将会关闭ZGROUP文件，另一个END命令将会关闭文件AANT部分。
Ymt.>8L  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 }M7{~ov#s  
    ZGROUP    ALL !8~A`  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 b\^X1eo  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 ( y0  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 !Pd@0n4  
    END ktF\f[  
    END
Fab gJu  
,yf2kU  
在我们运行这个宏之前，调整物距位置是个好主意。我们将数字从7增加到15，但是这个选项只是插入了之前的数据，这些数据很接近，但并不准确。输入命令
K@U[x,Sx  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
V7DMn@Ckw  
,58XLu  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。
?gYQE&M !  
让我们尝试添加镜片来检验是否对像质有帮助。在PANT文件之前，添加如下命令行
gV~_m  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
5NGQWg  
6,Z.R T{5  
运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片，像质得到很大的提高。
F)K&a  
我们想进一步改进像质。我们发现第一个镜片中心较厚，但它的边缘很薄。现在的厚度是多少?
'rl?'~={p  
      SYNOPSYS AI>1 TH? Q 8| C>$n  
KJ (|skO  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
Y.yiUf/Q  
U-+o6XX  
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
)?y${T   
      ACC 50 1 1
t9l]ie{"o.  
=Vie0TV&h  
注释掉AEI命令行，再一次优化，模拟退火(22，2，50)。评价函数下降了。但是镜片2的厚度太薄，所以在MF中添加一个新的命令:
6K Cv  
      ADT 7 .1 1
8SGqDaRt  
 /dI8o  
取消AEI命令行的注释，并重新优化。这将控制每个镜片的直径/厚度比，并添加一个镜片。现在系统看起来很好。
p ; ]Qxh  
把这个设计分配给下一个ACON，我们要用它来查看物距5米处的像质。点击按钮;然后输入如下命令：
}vK8P r%  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
80_}}op ?8  
/M2U7^9``"  
您已经设置物距为5米，并将第4个面的厚度调整为90毫米，调整物体高度，使高斯像高保持在5毫米。我们想看看它是如何工作的。运行变焦滑块，在缩放范围内查看此ACON的性能。它和无穷远处的性能很相似。在物距范围内聚焦不会有任何问题。最大的像差出现在zoom 15中，这是一种长焦设置，对于这种镜头来说是正常的 FHbyL\Q  
现在点击PAD Scan按钮，检查每个field point的像差是否得到控制。在变焦范围的两端都这样做，你会发现每个地方都得到了很好的控制。如果某个中间视场点出现较大的像差，我们将在出现问题的视场点向AANT文件添加另一个GNR命令，但在目前的结果下没有必要这样做。 LS:^K  
变焦滑块显示了镜头在整个变焦范围内的焦点-但我们也需要进行调整 打开工作表并单击ZFILE按钮以显示当前变焦参数。滚动到编辑窗格的顶部并添加两个命令，如下面的红色字体所示:
Wr+/ 9  
      … z"%{SI^  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 {Qba`lOkq  
      ZFILE  2 ~v>3lEGn*  
      CAM RANK  9 D/)E[Fv+  
      CAM EXPONENT  0.800000 #=uV, dw  
      5 10 /$NR@56 \  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC #W9{3JGUY  
      …
Se}&2 R  
%p;;aZG  
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! e+~@"^|  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。
`(uN_zvH  
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? 6c6w w"  
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：
9y}/ G  
     XCOLOR
]!>tP,<`'  
kxCN0e#_  
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。
fnJx$PD~  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? W"!{f  
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。 JA09 o(  
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。 z!G?T(SpA  
Z~AgZM R  
Z'~/=a)7  
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 kO/YO)g  
可以自己试一试啦 C1==a FD  
B7.<A#y2  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 =&mdxKoT0  
可以自己试一试啦 {3BWT  
 (2019-03-20 15:25)  /BrbP7  
pYj}  
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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