快速设计一个30倍的变焦镜头：SYNOPSYS 光学设计软件
;\)=f6N
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。 ~0tdfK0c
设计要求如下： &y_? rH
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 \x\.
ZSEARCH输入如下: (
76{2
LOG ! to keep track of things later ON 98 R e:T 9K'e
TIME ! to see how long this run took CORE 14 89eq[ |G_
ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3 e 3@x*XI
6!7Pm>ml
SYSTEM {/M\Q@j
ID ZSEARCH TEST '
lo.h""
OBB 0 14 3 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi <4?*$
! aperture. This defines the wide-field object r:l96^xs
UNI MM WAVL CDF END whkJ pK(
w{7 ji}
GOALS ZOOMS 7 ]
V G?+
GROUPS 2 3 4 2 ! lens has four groups with 11 elements altogether {K.rl%_|N
ZGROUP 0 Z Z 0 ! and groups 2 and 3 will zoom T[Q" }&bB
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! also correct range focus at 5 meters WVL#s?=g
FINAL ! declare the desired object at the last zoom position, Q)6va}2ai
! which is the narrow field zoom P \B3
y+)
OBB 0 0.4666 90 $i Jnxqn
@&R1wr1>I5
ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the U}P,EP%p
! first and last IKm&xzV-
APS 19 ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF Yw"P)Zp
GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1 ! the back focus is 20 mm and will vary. A target will be ckwF|:e 7*
! added to the merit function with a low weight. @W9H9 PWv&
COLOR M ! correct all defined colors Gp1EJ2d8
ANNEAL 50 10 Q ! anneal the lens as it is optimized in both modes QUICK 40 40 ! 40 passes in quick mode, 40 in real-ray mode 5Hle-FDn9
ASTART 22 V<0$xV1b|=
(Pz 8 iz
TSTART 12 END nP_=GI
*wU dC
SPECIAL PANT CUL 1.75 E%*AXkJ'dZ
FUL 1.75 END 3q~Fl=|.o
EzP#Mnz^
SPECIAL AANT NNX% Bq
ACA 55 1 1 ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 r@$B'CsLj
ACM 4 1 1 m`9^.>]P
ACC 35 1 1 |3@=CE7G
&:8T$U V
LUL 600 .1 10 A TOTL END m3?e]nL4W
GO ! start ZSEARCH <9 },M
TIME ! see how long the run took. 8eww7k^R
,P{ HE8 .
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。 V4?Oc2mS
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。 )k%M.{&bji
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。 Q&wYc{TUbm
运行ZSEARCH产生的宏。 7|~:P $M
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令： N9*U MVU
CAM 15 SET GN%<"I.
{ y/-:=S)A
运行变焦滑块，会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正，但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令： @W)/\AZ3
CAM 100 ^Jtl;Q
*R!]47Y d
在这张图的左端数据变化最快，所以在这一区域，需要分配更多的变焦位置，来控制像差和焦点。输入以下命令： s"rg_FoL
CAM 100 APERT z@`@I
9RcM$[~
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 >Fh#DmQ
ZSPACE NONLIN 1.7 |UZOAGiBg
=+(Q.LmhC
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。 6 5"uD7;
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。 -7 L
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下： jNqVdP]d\
ZOOM 1 d"l}Ny)C
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT &:#A +4&
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 yjv&4pIc1
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 TMtI^mkB:
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 5%qH 7[dx
LUL 600 .1 10 A TOTL p\ok_*b
ZOOM 2 Q
%y,;N"ro
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT c l2ze
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 b\M b*o
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 HYFN?~G
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 M)tv;!eQ
LUL 600 .1 10 A TOTL EFv4=OWB
ZOOM 3 wJ(8} eI
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT l }+Cdy9>
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 64b<0;~
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 mOSCkp{<e
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 PuU*vs3
LUL 600 .1 10 A TOTL s!i:0} U
ZOOM 4 ]
EV`dI k
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT l"?]BC~
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 lk N'uZ
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 [DL|Ht>
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 +qZc}
7rJF
LUL 600 .1 10 A TOTL ac3_L$X[
ZOOM 5 PMsC*U,oe
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT <YSg~T
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 fxOE]d8v
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 J[MVE4&
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 }eI`Qg
LUL 600 .1 10 A TOTL 0 ovZ&l
ZOOM 6 KDX$.$#
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT >0 7shNX
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 "C& J wm?
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 +L n M\n
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 ;i}i5yv2
LUL 600 .1 10 A TOTL <(Tia zg
ZOOM 7 G6<HO7\
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT ,Z?m`cx
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 9 Dy)nm^
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 s v6INe :
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 YI/{TL8*KK
LUL 600 .1 10 A TOTL hO%Y{Gg
V15q01bE#
为了简化操作，我们将删除除第一个变焦组之外的所有内容，并将其更改为zoom group的设置。这将在所有变焦组中进行如下操作，在三个视场中创建光线像差操作。 QT7_x`#J~o
ZGROUP ALL Q^vGj</u
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT ` v>/
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 .$UTH@;7
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 l,^xX = ,
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 J/L)3y
LUL 600 .1 10 A TOTL \ ?r$&K]4
END 3V"dG1?
f8R+7Ykx
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。 >Sh0dFqeT
ZFOCUS 0.500000E+04 4 0.900000E+02 0.500000E+01 wXP_]-
ZGROUP ALL EgFl="0
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 icU "Vyu
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 Q X sfp
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 JXlTN[O
END )Kxs@F
END 4 iik5
*m iONc
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 +yt 6.L
CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 /j$$0F>s7
H&w(]PDh
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。 3Gj(z:)b
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 d$4WK)U
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 P Q6T| >
)iT.A
运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片，像质得到很大的提高。 P>.Y)$`r
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? #W_i{bdO
SYNOPSYS AI>1 TH? XSD"/_ xD
GU2]/\W*a
The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744 Hf;RIl2F
" vv$%^
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 n+v!H O"2u
ACC 50 1 1 PY[S z=[
w2.qT+; v
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: ,oC= {^l{
ADT 7 .1 1 8'' 9 @xz
YhEiN. ~
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。 B .{8/.4
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： T^rz !k{
ZFOCUS 5000 4 90 5 R~U2/6 V
B.h0" vJ
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 n%7 A;l!{
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。 9OE_?R0c!
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: se 4w~\/
… d w|-=~
OBB 0.000000 14.00000 3.00000 -60.69895 0.00000 0.00000 3.000 x0}<n99qE
ZFILE 2 N:m@D][/sW
CAM RANK 9 XHU<4l:kl
CAM EXPONENT 0.800000 l|4xKBCV]
5 10 I8E\'`:<
11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC 2<`gs(oxXe
… gt] . rwo"
]L5Z=.z&
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! ; |E! |w
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。 WM~J,`]J
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? sa\|"IkD2
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： yHa:?u 6
XCOLOR a!s. 850@
dVY(V&p
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。 X3&SL~&>g
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? *y":@T
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。 \@iOnRuHn9
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。 f(@"[-[
~ wJ3AqNC?
uIVTs9\
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