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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

}_/h~D9-T#  
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。 C(*@-N pf[  
设计要求如下： {ro!OuA  
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 .'mC3E+ $  
ZSEARCH输入如下:

BCZnF /Zo  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 `b`52b\6S  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 _7"W\gn:9  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 RkP|_Bf8)  
d#:J\2V"R  
      SYSTEM }J'w z;t1  
      ID ZSEARCH TEST @%G"i:HZ&  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi H1qw1[%0y  
      ! aperture.    This defines the wide-field object C{,] 1X6g  
      UNI MM WAVL CDF END JU \J  
UuC"-$:  
      GOALS ZOOMS 7 IeI% X\G  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether ?F!J@Xn5  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom u,SZ-2K!7~  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters OSi9J.]O  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, HF[%/Tu  
      ! which is the narrow field zoom Or) c*.|\  
      OBB 0 0.4666 90 ,vw`YKg  
'wlP`7&Tn  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the 2co{9LM  
      ! first and last >t2)Z|1  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF N_[ Q.HD"  
      GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1    ! the back focus is 20 mm and will vary.    A target will be '?GZ"C2  
      ! added to the merit function with a low weight. 9}$dwl(  
      COLOR M    ! correct all defined colors [ \n.[4gq"  
      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 |F {E4mg(o  
      ASTART 22 afq +;Sh  
I>~BkR+u%o  
      TSTART 12 END t U= b~  
L\CM);y  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 ?'m5)Z{  
      FUL 1.75 END vUx$[/<  
-+@~*$ d  
      SPECIAL AANT -"9)c^KVx  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 d6 EJn/  
      ACM 4 1 1 B_jI!i{N%o  
      ACC 35 1 1 f|1FqL+T]  
:Zo2@8@7  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END QnLg P7Ft  
      GO    ! start ZSEARCH rWKLxK4oU  
      TIME    ! see how long the run took.
l<_mag/j9o  
&-Er n/[  
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。
;QD;5 <1  
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。 P,=J"%a-  
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。 -vAG5x/,  
运行ZSEARCH产生的宏。 }mZ*f y0t  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：
jt?%03iuk  
      CAM 15 SET
t1g%o5?;  
@5GP;3T  
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：
BTtYlpN6  
      CAM 100
6.=1k  
T7_rnEOO   
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：
oioN0EuDk  
      CAM 100 APERT
_tJURk%  
o;C)!  
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
1 K',Vw_  
      ZSPACE NONLIN 1.7
|]b/5s;>  
io_64K+K  
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。 < _uv!N  
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。 {z ~ '  
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：
\9Zfu4WR  
    ZOOM        1 U<byR!qLie  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT o|E(_ Y4d  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 ~3]8f0^%m  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 n:z>l,`C]  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 !gQ(1u|r  
    LUL 600 .1 10 A TOTL I65GUX#DV  
    ZOOM    2 :$d3a"]  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT ,kuOaaV7K  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 NO1]JpR  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 P ^+>QJ1  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 o62gLO]z@  
    LUL 600 .1 10 A TOTL e{S`iO  
    ZOOM    3 ^E*C~;^S  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT xF0*q  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 X~!?t }  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 Yb/^Qk59  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ^S$w,  
    LUL 600 .1 10 A TOTL v9kzMxs,  
    ZOOM    4 ]TN}` ]  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT l]cQ7g5  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 "<b84?V5  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 Gl9a5b  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 vUA`V\  
    LUL 600 .1 10 A TOTL yY|U}]u!V  
    ZOOM    5 :g_ +{4  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT yB[ LO( i  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 cH ?]uu(  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 VQ`O;n6/`  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 oaE3Aa  
    LUL 600 .1 10 A TOTL |3@]5f&  
    ZOOM    6 "5bk82."  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT Hq8.O/Y"=  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 ,pepr9Yd  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 ${3OQG  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 b2H6}s"=w  
    LUL 600 .1 10 A TOTL n_hD  
    ZOOM    7 &2^V<(19  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT ['j,S<Bu~  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 \GP c_m:qL  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 &*~ WK  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 " OtLJ  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
fRmc_tx  
7ac3N  
为了简化操作，我们将删除除第一个变焦组之外的所有内容，并将其更改为zoom group的设置。这将在所有变焦组中进行如下操作，在三个视场中创建光线像差操作。
E}+A)7mA  
      ZGROUP ALL xa:P(x3[  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT u:|5jF  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 1??RX}8[L+  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 NeP1 #  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 g!UM8I-$  
      LUL 600 .1 10 A TOTL L3\{{QOA  
      END
F9" K  
DTY=k  
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。
glpdYg *  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 To+{9"$,  
    ZGROUP    ALL wVTo7o%U  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 s+11) ~  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 1GxYuTZ{  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 ;.Y`T/eWS  
    END tuSgh!  
    END
z?^p(UH  
&r_B\j3  
在我们运行这个宏之前，调整物距位置是个好主意。我们将数字从7增加到15，但是这个选项只是插入了之前的数据，这些数据很接近，但并不准确。输入命令
rO~D{)Nu  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
;I0/zeM%  
Z8W<RiR  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。
2},}R'aR  
让我们尝试添加镜片来检验是否对像质有帮助。在PANT文件之前，添加如下命令行
#S5vX<"9  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
K!X8KPo  
KpL82  
运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片，像质得到很大的提高。
\l~h#1|%;s  
我们想进一步改进像质。我们发现第一个镜片中心较厚，但它的边缘很薄。现在的厚度是多少?
sAxn ; `  
      SYNOPSYS AI>1 TH? (g\'Zw5bk  
8VnZ@*  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
6Jm4?ex  
{*m?t 7  
我们的评价函数里有一个监视器，可以防止中心厚度变得太大，我们已经指定了一个35毫米的默认控制。但这个透镜是一个体积相当大，显然我们需要增加允许的厚度。将ACC监视器更改为
Q=[&~^ Y)  
      ACC 50 1 1
d=pq+  
i || /=ai  
注释掉AEI命令行，再一次优化，模拟退火(22，2，50)。评价函数下降了。但是镜片2的厚度太薄，所以在MF中添加一个新的命令:
]pt @  
      ADT 7 .1 1
MX34qJ9k  
03xQ%"TU<  
取消AEI命令行的注释，并重新优化。这将控制每个镜片的直径/厚度比，并添加一个镜片。现在系统看起来很好。
UcZ3v]$I  
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：
n| %{R|s  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
V2*b f`/V  
Hd:ZE::Q'#  
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 LX8vVj8K  
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。 %$08*bAtB7  
变焦滑块显示了镜头在整个变焦范围内的焦点-但我们也需要进行调整 打开工作表并单击ZFILE按钮以显示当前变焦参数。滚动到编辑窗格的顶部并添加两个命令，如下面的红色字体所示:
A-<qr6q  
      … ``={FaV~m  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 +MEWAW[}^  
      ZFILE  2 _LK(j;6K}  
      CAM RANK  9 wo/H:3^N  
      CAM EXPONENT  0.800000 `]Xb w^Y'x  
      5 10 SWu=n1J.?H  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC 3^Ex_jeB  
      …
uZNR]+Yu@  
Cpr}*A   
现在该程序将对凸轮曲线使用分段三次拟合(而不是目前默认使用的幂级数多项式)，并将调整第二组的变焦位置，以保持在所有变焦时近轴离焦的平稳过渡。再次运行变焦滑块，焦点处在正确的位置上! ]ba<4:[Go  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。
W[YtNL;  
在本课中，我们需要多次调整参数运行，直到得到满意的结果为止。例如，上面显示的ZSEARCH输入包含CUL和FUL命令，以限制玻璃模型变量允许的最高折射率。在这种情况下，我们限制它们为1.75。但也有其他玻璃品种的折射率高达1.9。为什么不用这些材料呢? </eh^<_~  
这些玻璃材料，尤其是燧石材料的玻璃，比折射率较低的玻璃更容易吸收蓝光。如果这款镜头是用于空中侦察任务，经常会添加一个黄色滤镜来透过雾霾，那么高折射率的材料将是首选，因为这样可以更好的校正像差，而蓝光则不重要。输入以下命令：
0-@waK  
     XCOLOR
#M:W?&.  
c;Li~FLR  
看看什么颜色的光线能通过镜头，你可以查看下面左边的图片。让折射率上升到1.9，重复整个过程，我们得到了更好的分辨率镜头，但是蓝色波长的光的传输更差，如右图所示。
ve$P=ZuM  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? IJ!UKa*o%  
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。 #2}S83 k  
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。 Qr/?tMALc  
+ }^  
7BC9cS(0w9  
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 Y }0-&  
可以自己试一试啦 hM;EUWv  
N @k:kI  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 CI ~+(+q  
可以自己试一试啦 ln9U>*<  
 (2019-03-20 15:25)  XVE(p3-  
$7,n8ddRy  
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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