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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

_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 TJB) ]d<  
ZSEARCH输入如下:

RW!_Zz Z  
      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$7'Mo86  
      ! added to the merit function with a low weight. >t[beRcR6  
      COLOR M    ! correct all defined colors .H M1c  
      ANNEAL 50 10 Q    ! anneal the lens as it is optimized in both modes QUICK 40 40    ! 40 passes in quick mode, 40 in real-ray mode COE,pb17  
      ASTART 22 PY4RwN  
X>[x7t:  
      TSTART 12 END fkprTk^#  
n~1'M/wh  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 +0w~Skd,  
      FUL 1.75 END 0Cox+QJt  
NF}QQwG3  
      SPECIAL AANT ^J?ExMu  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 7j>NUx=j3  
      ACM 4 1 1 yj^LX2x"  
      ACC 35 1 1 @>wD`<U|  
F-\Swbx+  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END }~?B>vZS  
      GO    ! start ZSEARCH #Ub"Ii  
      TIME    ! see how long the run took.
]x8_f6;D  
-8L 22t  
运行这个宏一段时间后,我们得到了一个有潜力的初始结构。
A`=;yD  
我们只纠正了7个变焦位置,在完成设计之前,可能还需要更多的变焦位置,但是前期选择少量的变焦位置做参考,会使ZSEARCH运行得更快。 uCc.dluU  
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 c+6/@y  
运行ZSEARCH产生的宏。 CQf<En|1  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令:
n{>Ge,enP0  
      CAM 15 SET
m;=wQYFr{I  
r/X4Hy0!lT  
运行变焦滑块,会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正,但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令:
w/8`]q  
      CAM 100
uHBEpqC%  
]Qo.X~]  
在这张图的左端数据变化最快,所以在这一区域,需要分配更多的变焦位置,来控制像差和焦点。输入以下命令:
ZZkxEq+D  
      CAM 100 APERT
AL%gqt]  
^2gDhoO_  
现在这个图与前面的图片比例不再相同。我们可以看到左边的变焦位置比右边的变焦位置靠得更近。命令如下
1v)X]nW  
      ZSPACE NONLIN 1.7
t/;@~jfr@  
p!+7F\  
在ZSEARCH文件中,更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些;而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域,这是我们不希望看到的情况。 3)F9:Tzw1  
现在镜头已经定义了15个变焦组,同样聚集在凸轮曲线的左边,因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的,只有7个变焦组是准确的。 hEO#uAR^Z  
我们需要修改ZSEARCH的宏,原始的ZSEARCH宏如下:
D;f[7Cac  
    ZOOM        1 ?4X8l@fR  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT +N161vo7  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 _(CuuP$`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$0OH /q  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 :<-,[(@bR  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 4T*RJ3Fz!  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 KY)r kfo B  
    LUL 600 .1 10 A TOTL DzZ)a E  
    ZOOM    4 @ljvTgZ(X  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT R3MbTg  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 0nkon3H  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 CgLS2  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 V:M$-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 m oQ><>/  
    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<9O h  
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
ScrEtN  
      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:
*D ld?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  

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 yiGq?WA7  
可以自己试一试啦 5Jq~EB{"  
24"Trg\WK[  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 0X@!i3eu  
可以自己试一试啦 &v|Uy}h&%1  
 (2019-03-20 15:25)  AE`X4q  
`s5<PCq  
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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