快速设计一个30倍的变焦镜头：SYNOPSYS 光学设计软件
|Z^c #R
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。 7 ]HIE]#
设计要求如下： 6Kv}2M')+
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}DG'z9
ZSEARCH输入如下: >FMT#x t
LOG ! to keep track of things later ON 98 xz Gsfd
TIME ! to see how long this run took CORE 14 zf!\wY"`
ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3 MkV*+LXC
O D@@O 9
SYSTEM o4I!VK(C#s
ID ZSEARCH TEST DHu jpZXQ
OBB 0 14 3 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi 7 yCx !P;
! aperture. This defines the wide-field object C6=;(=?C
UNI MM WAVL CDF END Ll E_{||h
n-| i
GOALS ZOOMS 7 nY5n %>8
GROUPS 2 3 4 2 ! lens has four groups with 11 elements altogether K&a]pL6D
ZGROUP 0 Z Z 0 ! and groups 2 and 3 will zoom wGQ hr="
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! also correct range focus at 5 meters 5)zh@aJ@
FINAL ! declare the desired object at the last zoom position, %[ bO\,
! which is the narrow field zoom F*jj cUk
OBB 0 0.4666 90 Jv{"R!e"P
Xy8ie:D
ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the R 7;rBEt8
! first and last 3b[[2x_UU
APS 19 ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF p$!+2=)gY
GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1 ! the back focus is 20 mm and will vary. A target will be ThqfZl= V
! added to the merit function with a low weight. 6Bq2?;5
COLOR M ! correct all defined colors dgqJ=+z 0y
ANNEAL 50 10 Q ! anneal the lens as it is optimized in both modes QUICK 40 40 ! 40 passes in quick mode, 40 in real-ray mode 2Z9gOd<M~
ASTART 22 X|n[9h:%
\S@ =zII_
TSTART 12 END G`JwAy r'
eq 1 4
SPECIAL PANT CUL 1.75 DBh/V#* D
FUL 1.75 END 'N,NG$G2
i^V4N4ux]
SPECIAL AANT YHv, Z|.w
ACA 55 1 1 ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 xbH!:R;
ACM 4 1 1 xp;8p94
ACC 35 1 1 :x5o3 xE
SVEA
LUL 600 .1 10 A TOTL END .+~kJ0~Y
GO ! start ZSEARCH ^A$XXH '
TIME ! see how long the run took. 28qWC~/9
m _ONsZHy
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。 ghd[G}
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。 q>l kLHS
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。 *z:lq2"G
运行ZSEARCH产生的宏。 S E-, 1p
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令： %B u n @
CAM 15 SET ia.B@u1/
O
NzdCgY
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： Nm :lC%>X
CAM 100 k)t8J \
^|12~d_.T
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： 4)Wzj4qW
CAM 100 APERT n~cm?"
GM5 6xZ!2T
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 k.f:nv5JO
ZSPACE NONLIN 1.7 <T~fh>a
s Ei.f(WA
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。 X1 QZEl
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。 @{GxQzo
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下： *1]k&#s
ZOOM 1 qBrZ g
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT [*E.G~IS`
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 MBrVh6 z>
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 DMpd(ws
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 oa|*-nw
LUL 600 .1 10 A TOTL -^yc y Z
ZOOM 2 otVdx&%]
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT T:5%sN;#O
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 [4yQbqe;
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 &= O1Qg=K
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 Fd.d(
LUL 600 .1 10 A TOTL "r3s'\
ZOOM 3 mK&9p{4#U
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT iz5wUye g
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 p%_
:(
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 B>2 1A9&
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 E u~wbU"%
LUL 600 .1 10 A TOTL @a3v[}c*
ZOOM 4 >x0lSL0y
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT \`5u@Nzx
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 qnV9TeU)
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 @n'ss!h
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 pC
Is+1O/
LUL 600 .1 10 A TOTL %+J*oFwQu
ZOOM 5 _
9]3S>Rn
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT V2skr_1
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 bncFrzp#o
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 8Y'"=!3
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 K0a
50@B]
LUL 600 .1 10 A TOTL Jtk(yp{Zz
ZOOM 6 mSeN M
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT Xh!Pg)|E
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 P#oV ^
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 l_EI7mJ
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 z9w.=[Io
LUL 600 .1 10 A TOTL 3o^M%
ZOOM 7 !qv;F?2
<g
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT zt}p-U2I
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 H.K`#W&
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 YJsi5
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 IQv>{h}
LUL 600 .1 10 A TOTL F
x8)jBB_
;Nij*-U4~
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。 l]&)an
ZGROUP ALL hKYPH?b%
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT N Q=YTRU
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 ?Qk#;~\yB
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 ywte \}
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 f
d5 ~'2
LUL 600 .1 10 A TOTL ??Ac=K\
END z6(Q
3@iO
n3,wwymQ
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。 r U5'hK
ZFOCUS 0.500000E+04 4 0.900000E+02 0.500000E+01 7C^ nk
z
ZGROUP ALL D 3ad2vH
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 `$- Ib^
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 INpub 5
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 =<xbE; ,0
END N4-J !r@#~
END g.s oN qt=
(7,Aw f5D~
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 eRbO Hj1
CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 n
Lb 9$&
O ?Tg`] EX
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。 '"^JNb^I
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 dW68lVWq_
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 YvX I
3R {y68-S
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。 Hc9pWr "N
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? ]9Hy
"#Fz
SYNOPSYS AI>1 TH? (=9&" UH
V ;jz 0B
The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744 Rk zBn
@35 shLs
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 %\0 Y1!Hw
ACC 50 1 1 ) / 's&
D
VWa(@ A
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: d .A0(*k,
ADT 7 .1 1 s=4.Ovd\
2F i*)\{
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。 ig{5 ]wZ(
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： {,=,0NQKn
ZFOCUS 5000 4 90 5 6* 7&X#gG
2wCRT}C
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 D2bUSRrb
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。 >.|gmo>b
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: h L RQ)
… 3
6
;hg #
OBB 0.000000 14.00000 3.00000 -60.69895 0.00000 0.00000 3.000 Df (6DuW
ZFILE 2 s? Kn,6Y
CAM RANK 9 Q1z04m1_y[
CAM EXPONENT 0.800000 g%trGW3{-
5 10 j7&l&)5
11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC 2B7& Ll\>
… N;Bal/kd2
tANG ]
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! ]_s]Q_+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。 _q 8m$4
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? DZue .or
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： ~6tY\6$9f
XCOLOR (agdgy:#
i weP3u##
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。 2olim1
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? ~"k'T9Q BY
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!AFs WV
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。 -M jRFa
:&m(W Z \
^ ;a[v^&9
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