快速设计一个30倍的变焦镜头：SYNOPSYS 光学设计软件
ktRGl>J
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。 ?* [35XUd
设计要求如下： oad /xbp@/
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 yu@ Pd3
ZSEARCH输入如下: dt>9mF q
LOG ! to keep track of things later ON 98 j/F ('r~L
TIME ! to see how long this run took CORE 14 Sx (E'?]
ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3 m . \JO
R,BIN p
SYSTEM x JnN95`R@
ID ZSEARCH TEST NTO.;S|2%
OBB 0 14 3 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi mg>wv[ 7
! aperture. This defines the wide-field object CJDNS21m
UNI MM WAVL CDF END :Rnwyj])
ic4hO>p&
GOALS ZOOMS 7 Dd,i^,4Gj
GROUPS 2 3 4 2 ! lens has four groups with 11 elements altogether
|
+uc;[`
ZGROUP 0 Z Z 0 ! and groups 2 and 3 will zoom HV7f %U
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! also correct range focus at 5 meters rQ6>*0xL_
FINAL ! declare the desired object at the last zoom position, \zwm:@lG
! which is the narrow field zoom _y sakn
OBB 0 0.4666 90 )D) 4=LJ
aT+w6{%Z
ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the D #7q3s
! first and last bE@Eiac
APS 19 ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF P}>>$$b\Yi
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 'cAS>s"$}V
! added to the merit function with a low weight. ]0SqLe
COLOR M ! correct all defined colors =fdW H4
ANNEAL 50 10 Q ! anneal the lens as it is optimized in both modes QUICK 40 40 ! 40 passes in quick mode, 40 in real-ray mode 0%Y}CDn_
ASTART 22 #/8
Na v
ZR"qrCSw`
TSTART 12 END e\f \CMb
o*"Q{Xh#Qd
SPECIAL PANT CUL 1.75 M _lLP8W}
FUL 1.75 END |5&7 ;;$
XW\
3t tx
SPECIAL AANT i el@"E 4
ACA 55 1 1 ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 =Zsxl]h
ACM 4 1 1 ue4 {h
ACC 35 1 1 QUfF>,[sv
0I do_V
LUL 600 .1 10 A TOTL END PnB2a'(^@?
GO ! start ZSEARCH uq7/G|
TIME ! see how long the run took. &&m1_K
<^'IC9D]
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。 m(EV C}Y
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。 \:'6_ K
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。 ,2i1 4H
运行ZSEARCH产生的宏。 p,uM)LD
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令： #XqiXM~^R
CAM 15 SET 'A\0^EvVv
1jAuW~
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： ?'"BX
CAM 100 % K7;ePu
N e z '1
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： _JA)""l%
CAM 100 APERT ^gNbcWc7CU
$fT#Wva-\d
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 cWo__E E
ZSPACE NONLIN 1.7 \%%M >4c
-%K}~4J
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。 hst Ge>f[6
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。 =4U$9jo!;
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下： IjQgmS~G
ZOOM 1 "?W8 o[c +
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT x&m(h1h
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 Gl 6:2
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 !YlEXaS
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 ?P#\ CW
LUL 600 .1 10 A TOTL =}u?1~V
ZOOM 2 kGakdL l
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT Bs>S2]
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 %.Kr`#lCr
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 EU'rdG*t/R
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 $?V YHkX
LUL 600 .1 10 A TOTL g2 mq?q(g
ZOOM 3 nr( C*E
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT IlI5xkJ(
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 m`Z.xIA 7;
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 EaH/Gg3
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 6x/o j`_[
LUL 600 .1 10 A TOTL &NbSG+t
ZOOM 4 |<y1<O>F
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT HW'I $ .
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 -yu $Mm
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 *#@{&Q(Qh
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 $"}*#<Z
LUL 600 .1 10 A TOTL =KD[#au6a
ZOOM 5 +@7c:CAy(
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT LfCgvq6/pO
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 KF! d?
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 AXnKhYlu
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 - ku8n%u
LUL 600 .1 10 A TOTL I).eQ8 :
ZOOM 6 hQNUA|Q=%
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT o>m*e 7l,
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 1}p :]/;
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 o4LVG
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 L&]{GNw
LUL 600 .1 10 A TOTL w^7[4u4
ZOOM 7 Z7?\ >4V
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT kK0zb{
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 ,zJ:a>v
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 R?}%rP+^e
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 jx Yze/I
LUL 600 .1 10 A TOTL T$;BZ=_
/N./l4D1K-
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。 c{x:'@%/s'
ZGROUP ALL % /!f^PIwX
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT A,7* 5 2U
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 b h fKhXh8
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 }We-sZ/w7r
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 U> <$p{ )
LUL 600 .1 10 A TOTL g"g3|$#Ej|
END %/_E8GE
d*@K5?O.
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。 3q6FV7Fv&b
ZFOCUS 0.500000E+04 4 0.900000E+02 0.500000E+01 TI F =fQ
ZGROUP ALL Q]dKyMSSA
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 !QME!c>*$
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 hxw6^EA
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 4ZYywD wn
END ZK<c(,oZ^
END _5 OxESE
|F qujZz
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 -f?,%6(1
CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 ItZ*$I1<
9w1`_r[J
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。 p>+Q6o9O
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 Oz "_KMz
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 "od 2i \
<" 0b 8 Z
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。 j|[ >f
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? "wxyY^"
SYNOPSYS AI>1 TH? &F*eo`o}6
'+*'sQvH[
The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744 h66mzV: `
BJp~/H`vd
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 ajf( Ii\/
ACC 50 1 1 `@So6%3Y|
"DX 2Mu=
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: QQ %W3D @
ADT 7 .1 1 #TB
3|=
Q4g69IE
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。 jFI`CA6P
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： ~h3~<p#M`
ZFOCUS 5000 4 90 5 ih : XC
fW=eB'Sl
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 =yPV9#(I/
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。 $Xs`'> ,"
变焦滑块显示了镜头在整个变焦范围内的焦点-但我们也需要进行调整 打开工作表并单击ZFILE按钮 以显示当前变焦参数。滚动到编辑窗格的顶部并添加两个命令，如下面的红色字体所示: U@53VmrOy
… g]d0B!Ar~
OBB 0.000000 14.00000 3.00000 -60.69895 0.00000 0.00000 3.000 !' ; ;q
ZFILE 2 x( (Rm_'
CAM RANK 9 *0_Q0SeE,o
CAM EXPONENT 0.800000 O]oH}#5b
5 10 e^N}(Kpy
11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC y<l(F?_
… m@",Zr `f=
U[Lr+nKo\
现在该程序将对凸轮曲线使用分段三次拟合(而不是目前默认使用的幂级数多项式)，并将调整第二组的变焦位置，以保持在所有变焦时近轴离焦的平稳过渡。再次运行变焦滑块，焦点处在正确的位置上! %Vk7 7(
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。 u7},+E)+B
在本课中，我们需要多次调整参数运行，直到得到满意的结果为止。例如，上面显示的ZSEARCH输入包含CUL和FUL命令，以限制玻璃模型变量允许的最高折射率。在这种情况下，我们限制它们为1.75。但也有其他玻璃品种的折射率高达1.9。为什么不用这些材料呢? F4IU2_CnPD
这些玻璃材料，尤其是燧石材料的玻璃，比折射率较低的玻璃更容易吸收蓝光。如果这款镜头是用于空中侦察任务，经常会添加一个黄色滤镜来透过雾霾，那么高折射率的材料将是首选，因为这样可以更好的校正像差，而蓝光则不重要。输入以下命令： C>QW V[F
XCOLOR qTG i9OP6/
vX&W;&
看看什么颜色的光线能通过镜头，你可以查看下面左边的图片。让折射率上升到1.9，重复整个过程，我们得到了更好的分辨率镜头，但是蓝色波长的光的传输更差，如右图所示。 O<MO2U+^x
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? r$Oa
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。 n(sseQ|\
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。 !&5*H06
>.uIp4@(
hV
fANbs
|
