快速设计一个30倍的变焦镜头:SYNOPSYS 光学设计软件
_msV3JBr 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。 Gl1Qbd0 设计要求如下: ?3{R'Buv] 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 T JB)]d< ZSEARCH输入如下: RW!_ZzZ LOG ! to keep track of things later ON 98 rT2gX^Mj& TIME ! to see how long this run took CORE 14 hr+,-j ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3 '%u7XuU-] Nvlfi8. SYSTEM nj (/It ID ZSEARCH TEST yN0!uzdW* OBB 0 14 3 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi hU}!:6G%[P ! aperture. This defines the wide-field object uA}w?; UNI MM WAVL CDF END ]y4(WG;: ]<pnHh+2A GOALS ZOOMS 7 q*Hf%I" GROUPS 2 3 4 2 ! lens has four groups with 11 elements altogether #SHmAB ZGROUP 0 Z Z 0 ! and groups 2 and 3 will zoom rcC}4mNe ZFOCUS 5000 4 90 5 ! also correct range focus at 5 meters urlwn*!^s FINAL ! declare the desired object at the last zoom position, N(%%bHi#V ! which is the narrow field zoom PP{CK4 OBB 0 0.4666 90 nPW?DbH + LIo3a38n?y ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the m#D+Yh/y{n ! first and last d ,Fj|}S APS 19 ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF /D]V3|@E 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 IZ$7'Mo86 ! added to the merit function with a low weight. >t[beRcR6 COLOR M ! correct all defined colors .HM1c ANNEAL 50 10 Q ! anneal the lens as it is optimized in both modes QUICK 40 40 ! 40 passes in quick mode, 40 in real-ray mode COE,pb17 ASTART 22 PY4RwN X>[x7t: TSTART 12 END fkprTk^# n~1'M/wh SPECIAL PANT CUL 1.75 +0w~Skd, FUL 1.75 END 0Cox+QJt NF}QQwG3 SPECIAL AANT ^J?ExMu ACA 55 1 1 ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 7j>NUx=j3 ACM 4 1 1 yj^LX2x" ACC 35 1 1 @>wD`<U| F-\Swbx+ LUL 600 .1 10 A TOTL END }~?B>vZS GO ! start ZSEARCH #Ub"Ii TIME ! see how long the run took. ]x8_f6;D -8L22t 运行这个宏一段时间后,我们得到了一个有潜力的初始结构。 A`=;yD 我们只纠正了7个变焦位置,在完成设计之前,可能还需要更多的变焦位置,但是前期选择少量的变焦位置做参考,会使ZSEARCH运行得更快。 uCc.dluU 打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 c+6/@y 运行ZSEARCH产生的宏。 CQf<En|1 现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令: n{>Ge,enP0 CAM 15 SET m;=wQYFr{I r/X4Hy0!lT 运行变焦滑块,会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正,但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令: w/8`]q CAM 100 uHBEpqC% ]Qo.X~] 在这张图的左端数据变化最快,所以在这一区域,需要分配更多的变焦位置,来控制像差和焦点。输入以下命令: ZZkxEq+D CAM 100 APERT AL%gqt] ^2gDhoO_ 现在这个图与前面的图片比例不再相同。我们可以看到左边的变焦位置比右边的变焦位置靠得更近。命令如下 1v)X]nW ZSPACE NONLIN 1.7 t/;@~jfr@ p!+7F\ 在ZSEARCH文件中,更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些;而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域,这是我们不希望看到的情况。 3)F9:Tzw1 现在镜头已经定义了15个变焦组,同样聚集在凸轮曲线的左边,因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的,只有7个变焦组是准确的。 hEO#uAR^Z 我们需要修改ZSEARCH的宏,原始的ZSEARCH宏如下: D;f[7Cac ZOOM 1 ?4X8l@fR M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT +N161vo7 GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 _(CuuP$`I GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 2?",2x09 GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 "2>I? LUL 600 .1 10 A TOTL {U$qxC]M ZOOM 2 \htL\m^$9 M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT -hM
nA)+ GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 ] gN]Cw\L GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 wzw`9^B GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 Rw]4/ LUL 600 .1 10 A TOTL U6hT*126 ZOOM 3 )+^1QL M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT 9n$0OH
/q GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 :<-,[(@bR GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 4T*RJ3Fz! GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 KY)rkfo B LUL 600 .1 10 A TOTL DzZ)aE ZOOM 4 @ljvTgZ(X M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT R3MbTg GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 0nkon3H GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 CgLS2 GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 V:M$-6jv LUL 600 .1 10 A TOTL Nhh2P4gH ZOOM 5 _1z|QC M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT L*ZC`
.h GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 moQ><>/ GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 O|#N$a&_N GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 6E9y[ %+ LUL 600 .1 10 A TOTL F&{RP> ZOOM 6 K^V*JH\G M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT fV-vy]x.. GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 DRldRm/ GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 \]y4e^FZZ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 B]PTe~n^ LUL 600 .1 10 A TOTL `={s*^Ta ZOOM 7 _":yUa0D M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT 5XO eYO{ GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 FHNK%Ko GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 2.I'`A GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 !6eXJ#~[E LUL 600 .1 10 A TOTL nZF(92v zE{@' 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。 xl%!7?G|$> ZGROUP ALL #;bpxz1lR9 M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT >wK ^W{ GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 c65_E<5Z GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 lVywc:X GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 lFWN[`H LUL 600 .1 10 A TOTL 2#4_/5(j* END o0- 7# 2 8ALvP}H 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。 !B==cNq ZFOCUS 0.500000E+04 4 0.900000E+02 0.500000E+01 2Wlk] ZGROUP ALL (wmMHo| GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 ;!<WL@C~ GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 =RR225 GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 -b>"2B? END S7-ka{S END Vp
$] Si<9Oh 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 %Z-^Bu8;y CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 sIuk Q]_3 #_' 现在运行这个优化宏。镜头是合理的,但需要进一步改进。 $tyF(RybG 让我们尝试添加镜片来检验是否对像质有帮助。在PANT文件之前,添加如下命令行 ||y5XXs AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 q#W|*kL3 *uR&d;vg.8 运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片,像质得到很大的提高。 OE(H:^ZR 我们想进一步改进像质。我们发现第一个镜片中心较厚,但它的边缘很薄。现在的厚度是多少? s)$N&0\ SYNOPSYS AI>1 TH? yD
iL G| pZ The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744 u,0N[.&N )^UM8
s 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 ScrE tN ACC 50 1 1 !Gu,X'#Ab V\zf yH\~ 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: ag^L' h$ ADT 7 .1 1 8tWOVLquJ PMk3b3)Z 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。 lkf(t&vL2 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: CW k#Amt. ZFOCUS 5000 4 90 5 :>to?~Z1 @sly-2{e1 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 o+W5xHe^1 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。 >:M3!6H_~{ 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: *Dld?Q … "}UJ~ j). OBB 0.000000 14.00000 3.00000 -60.69895 0.00000 0.00000 3.000 \^iPU 27H ZFILE 2 =whZ?,u1 CAM RANK 9 I]P'wav~O CAM EXPONENT 0.800000 !oeu 5 10 W=M`Bkw{ 11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC O"4Q=~Y … )/H=m7}1h W)jO 4,eO 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! 9I8{2] 打开MRG菜单(Menu, Real Glass),选择Guangming材料库,点击OK。像质得到了改善。 d3h2$EDD 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? uR{HCZ- 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: I*R[8| XCOLOR '3Yci(t+ TEl:;4 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。 Z%~j) 我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? 6_/691 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。 I_@\O!<y} 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。 8DbXv~3@ Pw/Z;N;:V UKp- *YukT
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