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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

hCuUX)>Bt  
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。 Am{Vtl)i  
设计要求如下： \mbm$E+X  
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 ot8UuBq  
ZSEARCH输入如下:

XE6sFU  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 K!=Y4"5%  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 . =yF  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 4$~eG"wu  
Pp#  
      SYSTEM !?#B*JGFS  
      ID ZSEARCH TEST S ( e]@  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi 0go{gUI  
      ! aperture.    This defines the wide-field object 5%Hw,h   
      UNI MM WAVL CDF END +" |?P  
N`,ppj  
      GOALS ZOOMS 7 ae_Y?g+3  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether :qy< G!o  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom THEpW{.E  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters %{Ib  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, 9EHhVi  
      ! which is the narrow field zoom @komb IK  
      OBB 0 0.4666 90 AWo\u!j  
R2,Z`I  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the C&wp*  
      ! first and last f=:ycd!  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF  -]n\|U<  
      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 !p #m?|Km  
      ! added to the merit function with a low weight. w>S;}[fM  
      COLOR M    ! correct all defined colors %La<]  
      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  r`-=<@[  
      ASTART 22 BRSI g]  
6,Z.R T{5  
      TSTART 12 END F)K&a  
'rl?'~={p  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 kZ5;Fe\*  
      FUL 1.75 END `O,^oD4  
HD%n'@E  
      SPECIAL AANT ZQ1,6<^9i[  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 f^Io:V\  
      ACM 4 1 1 +6~ut^YiM.  
      ACC 35 1 1 OKi}aQ2R*  
!1m7^3l7j  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END 10}< n_I  
      GO    ! start ZSEARCH ]Xm+-{5?!R  
      TIME    ! see how long the run took.
8f`r!/j  
| -l9Z  
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。
nz2`YyR  
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。 +,c]FAx4  
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。 pG&#xRk  
运行ZSEARCH产生的宏。 ZX0#I W  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：
WQiIS0BJ *  
      CAM 15 SET
dp}s]`x+  
N++ ;}j  
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：
yOTC>?p%  
      CAM 100
He9Er  
0?,<7}"<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：
M!R=&a=Z  
      CAM 100 APERT
9ERyr1-u v  
EQ [K  
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
%p;;aZG  
      ZSPACE NONLIN 1.7
e+~@"^|  
`(uN_zvH  
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。 6c6w w"  
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。 ZHM NG~!  
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：
7S/\;DF  
    ZOOM        1 \RS0mb  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT tP1znJh>y  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 ]P*H,&I`#  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 PR3i}y>  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 qm/#kPlM  
    LUL 600 .1 10 A TOTL Nt,:`o |  
    ZOOM    2 PO nF_FC  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT uCx6/ n6'  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 kO/YO)g  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 NT=)</v  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 MX"M2>"pT  
    LUL 600 .1 10 A TOTL  G){A&F  
    ZOOM    3 PDpuHHB  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT ,7Dm p7  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 uquY z_2  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 LFAefl\  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 weMufT  
    LUL 600 .1 10 A TOTL SaOOD-u  
    ZOOM    4 cwE?+vB  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT /b]+RXvxj  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000  p ~pl|  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 p4uN+D `.U  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 kl|m @Nxp  
    LUL 600 .1 10 A TOTL W 'PW;.,  
    ZOOM    5 aJ J)ZP2+  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT gm$<U9L\v  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 x<5;#  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 I@kMM12>c  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 MKh}2B#S  
    LUL 600 .1 10 A TOTL \0;EHB  
    ZOOM    6 Lh-+i  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT E~S~Ld%  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 Q sPZ dC  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 -n:;/ere7-  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 "td ,YVK  
    LUL 600 .1 10 A TOTL L*6>S_l[  
    ZOOM    7 H on,-<  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT "`V:4uz  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 * Na8w'Q  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 O{Z bpa^  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 :cA8[!  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
}}LjEOvL=  
cS>xT cj  
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。
be]Zx`)k  
      ZGROUP ALL M1eM^m8U  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT 8#|PJc  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 &S[>*+}{+  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000  eI/@ut}v  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 K7ZRj\(CJv  
      LUL 600 .1 10 A TOTL \98|.EG  
      END
+hIMfhF  
`pXPF}T  
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。
~Efi|A/  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 ]YUst]gu3  
    ZGROUP    ALL A<-3u  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 0BN=>]V~j7  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 -e.ygiK.`S  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 v{) *P.E  
    END -l <[CI  
    END
%.s"l6 W  
qSQsY:]j0  
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
Vah.tOU  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
FD.L{  
qbo W<W<H1  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。
,Z(J;~  
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
%`j2?rn  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
TYedem<$  
(Zu8WyT2  
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。
b\+9#)Up@  
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?
GTW5f  
      SYNOPSYS AI>1 TH? 0*:4@go0}i  
ZRYHsl{F+  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
FD^s5>"Y+  
jxZd =%7Q  
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: KW  
      ACC 50 1 1
T0BM:ofx  
ANd#m9(x  
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:
r%II` i  
      ADT 7 .1 1
xcN >L  
EYU3Pl%  
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。
%|3NCyJ*7  
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：
-;U3$[T,J7  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
^/jALA9!  
K[i|OZWu  
您已经设置物距为5米，并将第4个面的厚度调整为90毫米，调整物体高度，使高斯像高保持在5毫米。我们想看看它是如何工作的。运行变焦滑块，在缩放范围内查看此ACON的性能。它和无穷远处的性能很相似。在物距范围内聚焦不会有任何问题。最大的像差出现在zoom 15中，这是一种长焦设置，对于这种镜头来说是正常的 lHSu T2)x;  
现在点击PAD Scan按钮，检查每个field point的像差是否得到控制。在变焦范围的两端都这样做，你会发现每个地方都得到了很好的控制。如果某个中间视场点出现较大的像差，我们将在出现问题的视场点向AANT文件添加另一个GNR命令，但在目前的结果下没有必要这样做。 ~[ x}  
变焦滑块显示了镜头在整个变焦范围内的焦点-但我们也需要进行调整 打开工作表并单击ZFILE按钮以显示当前变焦参数。滚动到编辑窗格的顶部并添加两个命令，如下面的红色字体所示:
`L {dF  
      … G 4 C 7  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 g}'(V>(  
      ZFILE  2 ~f] I0FK  
      CAM RANK  9 mYqRN1%  
      CAM EXPONENT  0.800000 &^JY  
      5 10 ch]Q%M  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC ] 73BJ  
      …
Js!V,={iX  
ceGo:Aa<)  
现在该程序将对凸轮曲线使用分段三次拟合(而不是目前默认使用的幂级数多项式)，并将调整第二组的变焦位置，以保持在所有变焦时近轴离焦的平稳过渡。再次运行变焦滑块，焦点处在正确的位置上! u6BLhyS  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。
[&p^h  
在本课中，我们需要多次调整参数运行，直到得到满意的结果为止。例如，上面显示的ZSEARCH输入包含CUL和FUL命令，以限制玻璃模型变量允许的最高折射率。在这种情况下，我们限制它们为1.75。但也有其他玻璃品种的折射率高达1.9。为什么不用这些材料呢? L51uC ,QF  
这些玻璃材料，尤其是燧石材料的玻璃，比折射率较低的玻璃更容易吸收蓝光。如果这款镜头是用于空中侦察任务，经常会添加一个黄色滤镜来透过雾霾，那么高折射率的材料将是首选，因为这样可以更好的校正像差，而蓝光则不重要。输入以下命令：
hh"=|c  
     XCOLOR
3}X;WE `  
R(F+Xg je  
看看什么颜色的光线能通过镜头，你可以查看下面左边的图片。让折射率上升到1.9，重复整个过程，我们得到了更好的分辨率镜头，但是蓝色波长的光的传输更差，如右图所示。
#[ hJm'G  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? F#$[jh$  
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。 j%OnLTZ  
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。 Gv zw=~8  
-4'yC_8t  
z'ZGN{L  
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 YPqp#X*  
可以自己试一试啦 f.&Y_G3a<  
Rw\S-z/  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 F(8>"(C  
可以自己试一试啦 uhFj|r$$  
 (2019-03-20 15:25)  a r#p7N  
s fxQ  
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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