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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

q`PA~C];  
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。 +w[ZMk  
设计要求如下: B?&0NpVD  
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 ^f>c_[fR  
ZSEARCH输入如下:

1\,k^Je7  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 \dU.#^ryp  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 m lc8q s  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 \},H\kK+^  
.aO6Y+Y  
      SYSTEM 9b >+ehjB  
      ID ZSEARCH TEST (z8ZCyq7r[  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi KWDH 35  
      ! aperture.    This defines the wide-field object mCt/\  
      UNI MM WAVL CDF END rD21:1s  
d#+Ne f5  
      GOALS ZOOMS 7 oU,8?( }'~  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether 7:F0?l*  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom ?@PSD\  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters cvy 5|;-u  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, :vIJ>6lIR  
      ! which is the narrow field zoom ma-GvWD2  
      OBB 0 0.4666 90 kjPf%*3  
@{RhO|UR  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the tvf.K+  
      ! first and last - q9m@!L  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF }%}$h2:  
      GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1    ! the back focus is 20 mm and will vary.    A target will be 5\zR>Tg".  
      ! added to the merit function with a low weight. s%y<FXUj  
      COLOR M    ! correct all defined colors evZP*N~G  
      ANNEAL 50 10 Q    ! anneal the lens as it is optimized in both modes QUICK 40 40    ! 40 passes in quick mode, 40 in real-ray mode jNx{*2._r  
      ASTART 22 6<@+J  
8F<|.V;  
      TSTART 12 END C3^3<  
6X9$T11Vc  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 Z1 )1s  
      FUL 1.75 END DM v;\E~D  
/,uxj5_cT  
      SPECIAL AANT *YH!L{y  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 z[ ;n2o|s  
      ACM 4 1 1 d , g~.iS~  
      ACC 35 1 1 &+02Sn3A  
,F->*=  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END hj"JmF$m  
      GO    ! start ZSEARCH @i'D)6sC  
      TIME    ! see how long the run took.
0sSBwG  
ORKJy )*"  
运行这个宏一段时间后,我们得到了一个有潜力的初始结构。
Mu:zWLM*M  
我们只纠正了7个变焦位置,在完成设计之前,可能还需要更多的变焦位置,但是前期选择少量的变焦位置做参考,会使ZSEARCH运行得更快。 a!6r&<s=E  
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 m;"[b (u  
运行ZSEARCH产生的宏。 B>'J5bZsw  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令:
X&aQR[X  
      CAM 15 SET
WwoT~O8R  
gA_oJW4_  
运行变焦滑块,会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正,但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令:
p`&{NR3+  
      CAM 100
ueU"v'h\  
o$->|k  
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:
XFs7kTY  
      CAM 100 APERT
dk1q9Tx  
B QUYT/$(  
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
RB*z."  
      ZSPACE NONLIN 1.7
cahlYv'  
2=fLb7  
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。 aBQ--Sz  
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。 JcP<@bb>B  
我们需要修改ZSEARCH的宏,原始的ZSEARCH宏如下:
)40YA\V  
    ZOOM        1 N1g;e?T ':  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT >o p/<?<  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000  WSeiW  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 He4q-\ht  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 hC{2LLu;n  
    LUL 600 .1 10 A TOTL tculG|/  
    ZOOM    2 _{^F8  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT y#Nrq9r:  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 vm*9xs  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 K4NzI9@  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 4E!Pxjl3a  
    LUL 600 .1 10 A TOTL 4 }_}3.  
    ZOOM    3 Yx. t+a-  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT R(y`dQy<K  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 *2pE39  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 JKp@fQT *  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 # 6?2 2Os  
    LUL 600 .1 10 A TOTL N/0Q`cQ-  
    ZOOM    4 [KO\!u|?YS  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT +&X>ul  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 NJ}x qg  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 T3)m{gv0`  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ByWad@-6i  
    LUL 600 .1 10 A TOTL Z'^.H3YvL  
    ZOOM    5 c7?|Tipc  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT >i1wB!gc8  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 *"/BD=INv}  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 |QH )A  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 75Bn p9  
    LUL 600 .1 10 A TOTL bw#\"uJ  
    ZOOM    6 TxkvHiq2  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT zS?}3#g0u  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 jP3~O  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 0B`rTLwB  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 sh<JB`^$(?  
    LUL 600 .1 10 A TOTL |])Ko08*tE  
    ZOOM    7 aI\ >=*HF  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT 5= MM^$QG  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 Si#XF[/  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 h7]>b'H  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 @yPI$"Ma  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
&19z|Id  
Zq}Cl'f  
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。
^dhtc% W>  
      ZGROUP ALL 9JC8OSjJ  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT g'eJN  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 6ozBU^n  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 UB;~Rf(.  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 `p^xdj}  
      LUL 600 .1 10 A TOTL 9VTE?,  
      END
E[_-s  
MES|iB  
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。
!.={p8X-x  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 @2$iFZq~  
    ZGROUP    ALL j7&0ckN&G  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 b(g?X ( &  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 ;%i.@@:IQ  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 p7)b@,  
    END 0 .t1p(x;  
    END
fNi_C"<  
Uefw  
在我们运行这个宏之前,调整物距位置是个好主意。我们将数字从7增加到15,但是这个选项只是插入了之前的数据,这些数据很接近,但并不准确。输入命令
VrRBwvp-K  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
k{$Mlt?&-  
Riz!HtyR  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的,但需要进一步改进。
/`VtW$9-  
让我们尝试添加镜片来检验是否对像质有帮助。在PANT文件之前,添加如下命令行
le`_    
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
Ed~2Qr\65  
*8QGv6*vQ  
运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片,像质得到很大的提高。
kIUb`b>B  
我们想进一步改进像质。我们发现第一个镜片中心较厚,但它的边缘很薄。现在的厚度是多少?
Vt," 5c  
      SYNOPSYS AI>1 TH? %8GY`T:^  
6JL:p{RLi  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
5/{gY{  
)wY bcH  
我们的评价函数里有一个监视器,可以防止中心厚度变得太大,我们已经指定了一个35毫米的默认控制。但这个透镜是一个体积相当大,显然我们需要增加允许的厚度。将ACC监视器更改为
F{aM6I  
      ACC 50 1 1
D3%`vq u&  
7_#i,|]58  
注释掉AEI命令行,再一次优化,模拟退火(22,2,50)。评价函数下降了。但是镜片2的厚度太薄,所以在MF中添加一个新的命令:
q^w3n2  
      ADT 7 .1 1
*[_>d.i  
R'r^v  
取消AEI命令行的注释,并重新优化。这将控制每个镜片的直径/厚度比,并添加一个镜片。现在系统看起来很好。
|LDo<pE*V4  
把这个设计分配给下一个ACON,我们要用它来查看物距5米处的像质。点击按钮;然后输入如下命令:
@oL<Ioh  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
X[c8P7  
bMw)> 4  
您已经设置物距为5米,并将第4个面的厚度调整为90毫米,调整物体高度,使高斯像高保持在5毫米。我们想看看它是如何工作的。运行变焦滑块,在缩放范围内查看此ACON的性能。它和无穷远处的性能很相似。在物距范围内聚焦不会有任何问题。最大的像差出现在zoom 15中,这是一种长焦设置,对于这种镜头来说是正常的 FPPGf!Eq  
现在点击PAD Scan按钮,检查每个field point的像差是否得到控制。在变焦范围的两端都这样做,你会发现每个地方都得到了很好的控制。如果某个中间视场点出现较大的像差,我们将在出现问题的视场点向AANT文件添加另一个GNR命令,但在目前的结果下没有必要这样做。 !Q5ip'L  
变焦滑块显示了镜头在整个变焦范围内的焦点-但我们也需要进行调整 打开工作表并单击ZFILE按钮以显示当前变焦参数。滚动到编辑窗格的顶部并添加两个命令,如下面的红色字体所示:
K:eP Il{JE  
      … MoP 0qNk  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 f)+fdc  
      ZFILE  2 &Qdd\h#  
      CAM RANK  9 BqKh&m  
      CAM EXPONENT  0.800000 /TgG^|  
      5 10 !>+Na~eN  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC 9m fYB  
      …
B/CP/Pfb  
^dR5fAS  
现在该程序将对凸轮曲线使用分段三次拟合(而不是目前默认使用的幂级数多项式),并将调整第二组的变焦位置,以保持在所有变焦时近轴离焦的平稳过渡。再次运行变焦滑块,焦点处在正确的位置上! )#dP:  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass),选择Guangming材料库,点击OK。像质得到了改善。
uNYHEs6%T$  
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? ewtoAru  
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:
ukSi9| 1-,  
     XCOLOR
<vV?VV([  
` 0k  
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。
G =+sW  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? oY{r83h{  
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。 YDyi6x,  
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。 %!HmtpS  
{^bs }($J  
eID"&SSU  

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 +S:(cz80V  
可以自己试一试啦 7b,u|F  
#IP<4"Hf  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 oWo"` "P  
可以自己试一试啦 f 7et  
 (2019-03-20 15:25)  xK0VWi  
MlsF?"H p  
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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