快速设计一个30倍的变焦镜头:SYNOPSYS 光学设计软件
?!(/;RU1 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。 dtjaQsJM^ 设计要求如下: "hz(A.THi 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 ia|^>V>- ZSEARCH输入如下: [ANit0-~ LOG ! to keep track of things later ON 98 77/y{#Sk TIME ! to see how long this run took CORE 14 yAEOn/.~ ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3 "d'xT/l
" aA%$<ItH SYSTEM 9BLz ID ZSEARCH TEST ><OdHRh@# OBB 0 14 3 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi aq"E@fb ! aperture. This defines the wide-field object _%l+v UNI MM WAVL CDF END mh44 d T/*O8 GOALS ZOOMS 7 '.~vN L+
O GROUPS 2 3 4 2 ! lens has four groups with 11 elements altogether [$3Zid ZGROUP 0 Z Z 0 ! and groups 2 and 3 will zoom O89<IXk ZFOCUS 5000 4 90 5 ! also correct range focus at 5 meters (d993~|h FINAL ! declare the desired object at the last zoom position, =Z/'|;Vd_x ! which is the narrow field zoom @&+h3dV.V OBB 0 0.4666 90 `6j?2plZ 4M(w<f\5F ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the h0n0Dc{4 ! first and last 3]'=s>UO>^ APS 19 ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF f&`v-kiAn= GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1 ! the back focus is 20 mm and will vary. A target will be v Xio1hu ! added to the merit function with a low weight. 7x9YA$IE COLOR M ! correct all defined colors : ` F>B 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 L3q)j\ls ASTART 22 ^'QcP5Fv K *vNv4 TSTART 12 END _1y|#o g/+M&k$ SPECIAL PANT CUL 1.75 i40r}?- FUL 1.75 END l=9& ~\<ZWU<BE SPECIAL AANT #2yOqUO\ ACA 55 1 1 ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 !nVX .m9 ACM 4 1 1 {KwLcSn ACC 35 1 1 HT?`PG 3}g?d/^E3 LUL 600 .1 10 A TOTL END y#AY+
> GO ! start ZSEARCH yF0,} TIME ! see how long the run took. JPQ02&e
4EB$e? 运行这个宏一段时间后,我们得到了一个有潜力的初始结构。 @{I55EQ] 我们只纠正了7个变焦位置,在完成设计之前,可能还需要更多的变焦位置,但是前期选择少量的变焦位置做参考,会使ZSEARCH运行得更快。 +*0THol- 打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 f+xGf6V 运行ZSEARCH产生的宏。 @T/C<- /: 现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令: U\VwJ2
{i CAM 15 SET *kyy''r |w~zh6~ 运行变焦滑块,会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正,但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令: 5@[%P= CAM 100 yvDzxu iXl1S[.l 在这张图的左端数据变化最快,所以在这一区域,需要分配更多的变焦位置,来控制像差和焦点。输入以下命令: w5n>hz_5 CAM 100 APERT
L$jyeFB5 HqYaQ~Dth 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 {##A|{$3% ZSPACE NONLIN 1.7 &<UOi@ #i2q}/w5`C 在ZSEARCH文件中,更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些;而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域,这是我们不希望看到的情况。 vMRKs#&8 现在镜头已经定义了15个变焦组,同样聚集在凸轮曲线的左边,因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的,只有7个变焦组是准确的。 =:"@YD^a4 我们需要修改ZSEARCH的宏,原始的ZSEARCH宏如下: b:O4d<+% ZOOM 1 |?8CV\D! M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT eHnC^W}|s GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 T}!7LNE GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 !uO|T'u0a GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 3^
Z tIZ LUL 600 .1 10 A TOTL _cGiuxf
# ZOOM 2 qA30z%#z_ M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT 9(X
*[X# GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 K4RjGSaF GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 7H>dv' GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 ;=^WIC+Nr LUL 600 .1 10 A TOTL =u;q98r ZOOM 3 ;F0A\5I M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT fZ
%ZV GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 A(s/Nz> GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 T2(+HI2 GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 Sr+1.77} LUL 600 .1 10 A TOTL lJYv2EZ ZOOM 4 @K+u+}
R M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT aPb!-o{ GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 \Fj4Gy?MW GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 F
H%yyT GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 s[s^z<4G LUL 600 .1 10 A TOTL Hd2_Cg FB ZOOM 5 XqwdJND M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT ovfw _ GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 [R:O'AP}@} GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 #{?oUg>$ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 GYs4#40 LUL 600 .1 10 A TOTL ^al
SyJ` ZOOM 6 &WRoNc M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT ;;`KkNysm GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 g,W#3b6>j GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 0WPxzmY GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 cM"I3 LUL 600 .1 10 A TOTL s3knh&'zb ZOOM 7 3&*%>) M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT z"H%Y8 GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 k/mY. 2yPv GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 [{c8:)ar GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 pKJ[e@E^ LUL 600 .1 10 A TOTL _Ey8P0-I #nxx\,i> 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。 gI%n(eY ZGROUP ALL u}h'v&"e, M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT He@= bLLa GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 a3)#tt=rA GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 x$p\ocA GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 u,]yd* LUL 600 .1 10 A TOTL G?g7G,|d END x~z 2l#ow Q6>vF)(
- 该程序还向AANT文件中添加了ZFOCUS命令,然后是另一组变焦设置,我们再次用单个ZGROUP ALL命令替换它们。该部分更改物距参数,将第一组移动90毫米,并在所有已定义的变焦组中再次纠正像质。请注意,END命令将会关闭ZGROUP文件,另一个END命令将会关闭文件AANT部分。 +Q9HsfX/ ZFOCUS 0.500000E+04 4 0.900000E+02 0.500000E+01 ?t"PawBWE ZGROUP ALL 2#[Y/p GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 oe<Y,%u"6 GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 t2gjhn^p GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 YsDl2P END uXC?fMWp. END FSB$D)4z>b K_xOY
* 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 7wnzef?) CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 D0P% .r"v lyPXlt 现在运行这个优化宏。镜头是合理的,但需要进一步改进。 {V&7JZl,/ 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 5 6R,+sN AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 a]k&$ +!Ltn 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。 SrtmpQ 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? y{sA[ " SYNOPSYS AI>1 TH? ^`7t@G$ D *l^'v9
The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744
Y[DKj!v 3{z|301<m 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 ?uN(" I ACC 50 1 1 w;(gi P(;c` 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: `lhLIQ'j ADT 7 .1 1 (
A) wcB 5HN<*u%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。 F~AS(sk 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: Y Pc< ZFOCUS 5000 4 90 5 SDwSlwf AIyv;}5 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 $yAfs3/%)s 现在点击PAD Scan按钮 ,检查每个field point的像差是否得到控制。在变焦范围的两端都这样做,你会发现每个地方都得到了很好的控制。如果某个中间视场点出现较大的像差,我们将在出现问题的视场点向AANT文件添加另一个GNR命令,但在目前的结果下没有必要这样做。 #V6
-* 变焦滑块显示了镜头在整个变焦范围内的焦点-但我们也需要进行调整 打开工作表并单击ZFILE按钮 以显示当前变焦参数。滚动到编辑窗格的顶部并添加两个命令,如下面的红色字体所示: B,>Fh X>h … <&2,G5XA OBB 0.000000 14.00000 3.00000 -60.69895 0.00000 0.00000 3.000 ;`B35K ZFILE 2 w!RH*S CAM RANK 9 j1<1D@UO CAM EXPONENT 0.800000 m=}X$QF`^ 5 10 }v,THj 11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC Y
zS*p~| … mW-W7-JhO7 E2IV R]C2^ 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! =@ZtUjcJx 打开MRG菜单(Menu, Real Glass),选择Guangming材料库,点击OK。像质得到了改善。 F21[r!3 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? Y ,yaB)&Ih 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: pG6-.F; XCOLOR BT3O_X`u o3qv945 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。 ]Qr8 wa>Z 我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? YkPt*?,P/ 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。 ai4^NJn 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。 c!Vc_@V, '.yWL ]gksyxn3
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