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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

U 0~BcFpD  
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。 F$|:'#KN  
设计要求如下： BD}%RTeWKq  
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 ZGI<L  
ZSEARCH输入如下:

cXf/  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 c&wiTvRV  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 ?OoI6 3&  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 4}cxSl]jf!  
Y8IC4:EO  
      SYSTEM $UK m[:7  
      ID ZSEARCH TEST Y}s6__  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi re#]zc<  
      ! aperture.    This defines the wide-field object 3fXrwmBT8  
      UNI MM WAVL CDF END %21|-B  
k q?:<!z  
      GOALS ZOOMS 7 $]}K;  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether OT=1doDp  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom Jg{K!P|i  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters ^-n^IR}J  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, -'d`(G"  
      ! which is the narrow field zoom $FX$nY  
      OBB 0 0.4666 90 omy3<6  
w2/3[VZ}l  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the fO^s4gWTg  
      ! first and last AFvv+ ss  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF ot! m=s  
      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 be]/ROP>H  
      ! added to the merit function with a low weight. 3B,dL|q(@J  
      COLOR M    ! correct all defined colors GE=S.P;  
      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 vkR ~nIp  
      ASTART 22 i;]# @n|  
!v9`oL26  
      TSTART 12 END n c~JAT# '  
J.U%W}Hx  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 KD+&5=Y  
      FUL 1.75 END )1@%!fr  
(e!Yu#-  
      SPECIAL AANT I!u=.[5zdC  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 WS.g` %  
      ACM 4 1 1 n <> ^cD  
      ACC 35 1 1 \pTC[Ry1  
SK@ p0:  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END {YrA [9  
      GO    ! start ZSEARCH 8f)pf$v`   
      TIME    ! see how long the run took.
7^M$u\a)U  
f O+lD  
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。
7 <]YK`a2d  
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。 uW/>c$*)  
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 :)B1|1  
运行ZSEARCH产生的宏。 xt "-Jmox  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：
%_B2/~  
      CAM 15 SET
S# baOO  
~OxFgKn23&  
运行变焦滑块，会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正，但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令：
{r|RH"|?Z(  
      CAM 100
w,R6:*p5  
&OXx\}>MW  
在这张图的左端数据变化最快，所以在这一区域，需要分配更多的变焦位置，来控制像差和焦点。输入以下命令：
Xppb|$qp4H  
      CAM 100 APERT
r%X M`;bQX  
v JVh%l+  
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
/iQh'rp  
      ZSPACE NONLIN 1.7
B^GMncZO  
a$^)~2U{  
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。 gYk5}E-  
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。 gE=9K @  
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：
1|H4]!7kE  
    ZOOM        1 cVO- iPK  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT ^u"WWLZ  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 {TJBB/B1  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 }-XZ1qr  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 ,1~zMzw^  
    LUL 600 .1 10 A TOTL $ #GuV'  
    ZOOM    2 vRf$#fBEQ  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT Yjd/  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 CH| cK8q  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 I} +up,B]o  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ; 2V$`k  
    LUL 600 .1 10 A TOTL $ywROa]  
    ZOOM    3 59W~bWHCP  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT ~$j;@ 4  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 l`:u5\ rM  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 N$C+le  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 GJ2ZK=/  
    LUL 600 .1 10 A TOTL I\c7V~^hnG  
    ZOOM    4 E.ji;5  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT +c C. ZOS  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 WwtVuc|  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 /cUu]#h  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 BYhiP/^  
    LUL 600 .1 10 A TOTL 4(oU88 z  
    ZOOM    5 @V5i  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT B>=D$*_  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 Sj|tR[SAoD  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 soQ[Zg4}  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 g"m9[R=]6  
    LUL 600 .1 10 A TOTL t)?K@{ 9  
    ZOOM    6 ^EkxZ4*g  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT N81M9#,["~  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 S&XlMu  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 mT UoFXX[  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 Buh}+n2]5  
    LUL 600 .1 10 A TOTL =>evkaj  
    ZOOM    7 RjO0*$>h  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT dPf7o   
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 )S`[ gK  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 K\8zhY  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 %0/qb0N&  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
T{m) = (q  
)X|)X,~+-  
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。
$@] xi  
      ZGROUP ALL yZgWFf.X  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT ']I!1>v$[  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 [{GN#W|AGP  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 JsuI&v  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 }mIN)o  
      LUL 600 .1 10 A TOTL M eep  
      END
>$- YNZA   
hAc|a9 o  
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。
GbZ~e I`,2  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 /je $+  
    ZGROUP    ALL $\/^O94-l  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 L]!![v.VY  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 ISK 8t  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 P:vp/x!  
    END yTK3eK  
    END
9\WtcLx  
eiyr^Sch.  
在我们运行这个宏之前，调整物距位置是个好主意。我们将数字从7增加到15，但是这个选项只是插入了之前的数据，这些数据很接近，但并不准确。输入命令
i '*!c  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
(s&]V49  
2@ 9?~?r  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。
Z}>F V~4  
让我们尝试添加镜片来检验是否对像质有帮助。在PANT文件之前，添加如下命令行
hxM{}}.E  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
Cojs;`3iF:  
DQP!e6Of  
运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片，像质得到很大的提高。
ry=8Oq&[~  
我们想进一步改进像质。我们发现第一个镜片中心较厚，但它的边缘很薄。现在的厚度是多少?
>JsVIfAF  
      SYNOPSYS AI>1 TH? MusUgBQy  
A s}L=2  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
<;?1#ok  
DbFe;3  
我们的评价函数里有一个监视器，可以防止中心厚度变得太大，我们已经指定了一个35毫米的默认控制。但这个透镜是一个体积相当大，显然我们需要增加允许的厚度。将ACC监视器更改为
Y`eF9Im,  
      ACC 50 1 1
~|O;Sdo=  
8OV =;aM?{  
注释掉AEI命令行，再一次优化，模拟退火(22，2，50)。评价函数下降了。但是镜片2的厚度太薄，所以在MF中添加一个新的命令:
jIrfJ*z  
      ADT 7 .1 1
'\op$t/  
TlkhI  
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。
%cUC~, g_(  
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：
@{_X@Wv4iV  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
r4K9W9 0  
Tsb}\  
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 T8|?mVv s  
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。 _a& Z$2O  
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:
sZr \mQ~  
      … X`WS&!C<  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 |? fAe {*  
      ZFILE  2 MD<x{7O12>  
      CAM RANK  9 3%GsTq2o  
      CAM EXPONENT  0.800000 oA~0"}eS  
      5 10 HK<S|6B7V  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC MaY_*[  
      …
^AJ 2Y_}v  
&g23tT#P?  
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! Al8Dw)uG{  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。
k \T]*A  
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? Q%?%zuU  
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：
]S@T|08b  
     XCOLOR
uM\\(g}  
K39I j_3  
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。
ip}%Y6Wj  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? &-Wt!X 3  
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。 3gVU#T [[  
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。 _RxnB?  
SC4jKm2  
_xi &%F/  
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 V( 0Y   
可以自己试一试啦 |IzL4>m:;  
n7Eh!<  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 ){,M v:#+T  
可以自己试一试啦 3bo [34  
 (2019-03-20 15:25)  OQ<;w  
awz.~c++  
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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