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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

H^5,];  
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。 & wtE"w  
设计要求如下： V6](_w!  
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 f*rub. y  
ZSEARCH输入如下:

`7y3C\zyQ  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 kjp~:Bg_(  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 )m3emMO2  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 {fDRVnI?  
V"(5U(v{~  
      SYSTEM E;4B!"Q8  
      ID ZSEARCH TEST H_3Wx fO  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi h lc!}{$%8  
      ! aperture.    This defines the wide-field object CQ<d  
      UNI MM WAVL CDF END xu"-Uj1  
@ U"Ib  
      GOALS ZOOMS 7 [ ^\{>m7  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether 9<y{:{i  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom [tSv{  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters 1|-C(UW>  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, T"3LO[j+  
      ! which is the narrow field zoom 5wh(Qdib  
      OBB 0 0.4666 90 @ N'P?i  
## vP(M$  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the `L <sZ;Cj  
      ! first and last fV7 k{dR  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF F=5vA v1  
      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 i( +Uvtgs  
      ! added to the merit function with a low weight. g8&& W_BI  
      COLOR M    ! correct all defined colors |x1Ttr,  
      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 ]e5aHpgR=  
      ASTART 22 |0u qW1  
W7~_XI  
      TSTART 12 END muF&t'k  
Y>FLc* h  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 ?P9VdS1-  
      FUL 1.75 END ^/Yk*Ny  
MFO%F) 5  
      SPECIAL AANT S/y(1.wh  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 WuF\{bUh  
      ACM 4 1 1 h82y9($cZ  
      ACC 35 1 1 #')] ~Xa  
pX>wMc+  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END xJ:Am>%\^  
      GO    ! start ZSEARCH -:L7iOzgD  
      TIME    ! see how long the run took.
XAF]B,h=  
-gC%*S5&  
运行这个宏一段时间后，我们得到了一个有潜力的初始结构。
Fd80T6[  
我们只纠正了7个变焦位置，在完成设计之前，可能还需要更多的变焦位置，但是前期选择少量的变焦位置做参考，会使ZSEARCH运行得更快。 oz:J.<j24Z  
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 I|Hcs.uW  
运行ZSEARCH产生的宏。 C'l\4ij)7  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：
F$JA IL{W  
      CAM 15 SET
OEbZs-:  
F/p1?1M  
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：
cw~GH  
      CAM 100
m|+zMf&  
GO][`zZJ]  
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：
{/?{UbU  
      CAM 100 APERT
G+C{_o#3  
4U)%JK.ta  
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
yfFe%8w_vw  
      ZSPACE NONLIN 1.7
C5Fq%y{$.  
6~s{HI!  
在ZSEARCH文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。 B@\0b|  
现在镜头已经定义了15个变焦组，同样聚集在凸轮曲线的左边，因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的，只有7个变焦组是准确的。 -ECnX/ "  
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：
C;70,!3  
    ZOOM        1 WYCDEoqU2  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT /n,a0U/  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 )F'hn+(B|G  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 ! c~3`7v  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 Xe/7rhov  
    LUL 600 .1 10 A TOTL ;yZY2)L   
    ZOOM    2 {Y]3t9!\  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT l~kxK.Ru  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 b_~KtMO  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 ={190=\9  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 MD>E0p)  
    LUL 600 .1 10 A TOTL *;t_V laZ  
    ZOOM    3 o1]1I9  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT ?f:\&+.&  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 4HXNu,T'  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 4=* ml}RP  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 Uf[Gs/!NV  
    LUL 600 .1 10 A TOTL Pc~)4>X<  
    ZOOM    4 f%YD+Dt_V  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT j z&=8  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 !:g\Fe]  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 SS,'mv  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 _&@cU<bdee  
    LUL 600 .1 10 A TOTL ooYs0/,{  
    ZOOM    5 *nUa0Zg4q6  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT  _8z  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 ,}Ic($ To  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 d k|X&)xTJ  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 Ahg6>7+R.  
    LUL 600 .1 10 A TOTL mP)im]H  
    ZOOM    6 W?12'EG}xa  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT 3e^'mT  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 mO\=# Q>  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 jRjQDK_"ka  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 G{|F V m  
    LUL 600 .1 10 A TOTL cXOb=  
    ZOOM    7 A)^A2xZQ  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT !P_'n  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 Z:MU5(Te  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 y {Mh ?H  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 +(hr5  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
j7Lw( AJ  
jZ69sDhE  
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。
&4L+[M{J@4  
      ZGROUP ALL TUd=qnu  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT 0`e- ;  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 %5bN@XD  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 g\,HiKBXd  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 Hn(L0#Oqy  
      LUL 600 .1 10 A TOTL 1FC 1*7A[  
      END
C  F<  
TqMy">>  
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。
#1f8A5<  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 *W<g%j-a  
    ZGROUP    ALL ?Wp{tB9N0  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 4,R1}.?BzJ  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 YPav5<{a  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 Ucok&)7-  
    END )8Sm}aC  
    END
o//PlG~  
t) ~v5vr  
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
E)l@uPA'1  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
)c<5:c  
ma26|N5  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。
y3C$%yv0  
让我们尝试添加镜片来检验是否对像质有帮助。在PANT文件之前，添加如下命令行
#9Dixsl*Q  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
xo_Es?  
/!0{9F<  
运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片，像质得到很大的提高。
Ib8xvzR6I&  
我们想进一步改进像质。我们发现第一个镜片中心较厚，但它的边缘很薄。现在的厚度是多少?
PfVjfrI[  
      SYNOPSYS AI>1 TH? ;H8A"$%n~  
2myHn/%C  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
enJE#4Z5&s  
/F 1mYq~  
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
v0}.!u>Ww  
      ACC 50 1 1
"eal Yveu  
"n@=.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:
*tT }y(M  
      ADT 7 .1 1
a|@^ N  
G%K<YyAP  
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。
N8l(m5Kk,k  
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：
"-TIao#  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
SuW_[6 ]  
KArnNmJ9  
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 aKC3T-  
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。 T=2 91)@  
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:
cS ;hyLd  
      … ghiFI<)VY  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 %+9Mr ami  
      ZFILE  2 8a1G0HRQ  
      CAM RANK  9 R('44v5JQp  
      CAM EXPONENT  0.800000 ,saf"Ed=  
      5 10 KyAQzN9  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC vf(\?Js ,  
      …
^@`dsll  
{E`f(9r:  
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! s?5(E}  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。
'5eW"HGU]`  
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? fF8g3|p:  
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：
3&-BO%i  
     XCOLOR
h^bbU.  
/cDla5eej  
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。
M(S:&GOU  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? F 3}cVO2bY  
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。 D{/GjFO  
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。 *Oo2rk nQ  
Z %MP:@z  
l23#"gGb  
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 (3"V5r`*;  
可以自己试一试啦 Ssr P  
U)+Yh  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 +dcBh Dq  
可以自己试一试啦 u1xCn\  
 (2019-03-20 15:25)  (4L XoNT  
yf*^Y74  
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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