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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

*-bR~  
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。 JBdZ]  
设计要求如下： ZoB?F  
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 xW{_c[oA  
ZSEARCH输入如下:

z3b8  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 2.Ym  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 R|h9ilc  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 3ug{1 M3  
n{pS+u z  
      SYSTEM VAc-RaA  
      ID ZSEARCH TEST "])X0z yM  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi xaWd \]UF  
      ! aperture.    This defines the wide-field object \LRno3  
      UNI MM WAVL CDF END Vw=eC"  
e9h T  
      GOALS ZOOMS 7 tv)x(MX  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether *J@2A)ZDv0  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom \cvui^^n  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters Zi/l.=9n  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, 5aw#!K=J'  
      ! which is the narrow field zoom \1f$]oS  
      OBB 0 0.4666 90 bT>% *  
IuTZ2~  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the pL>Q'{7s3  
      ! first and last  m2%uGqz  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF .@.,D% 7<  
      GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1    ! the back focus is 20 mm and will vary.    A target will be = LuH:VM&  
      ! added to the merit function with a low weight. d c_^   
      COLOR M    ! correct all defined colors {<&I4V@+  
      ANNEAL 50 10 Q    ! anneal the lens as it is optimized in both modes QUICK 40 40    ! 40 passes in quick mode, 40 in real-ray mode F<X)eO]tk  
      ASTART 22 y[S 5  
'=@O]7o~  
      TSTART 12 END di`Ql._M  
@! ^c@  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 MuYr?1<q  
      FUL 1.75 END K9}ppgL'$  
#b []-L!  
      SPECIAL AANT L.lmbxn  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 ; P I=jp  
      ACM 4 1 1 |h(!CFR  
      ACC 35 1 1 }S3m wp<Y  
I-4csw<Qy  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END |vA3+kG  
      GO    ! start ZSEARCH gSK (BP|  
      TIME    ! see how long the run took.
k&ujr:)5Y5  
_Qs )~  
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。
2pH2s\r<UJ  
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。 =&xamA)  
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。 S #%'Vrp  
运行ZSEARCH产生的宏。 e`'O!  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：
tTe\#o`  
      CAM 15 SET
3D +>NB  
i 4lR$]@  
运行变焦滑块，会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正，但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令：
il\#R%';5  
      CAM 100
f8_5.vlw  
w<&Nn`V  
在这张图的左端数据变化最快，所以在这一区域，需要分配更多的变焦位置，来控制像差和焦点。输入以下命令：
 gvYa&N  
      CAM 100 APERT
<^|8\<J  
C78YHjy  
现在这个图与前面的图片比例不再相同。我们可以看到左边的变焦位置比右边的变焦位置靠得更近。命令如下
`,tv&siSA  
      ZSPACE NONLIN 1.7
uu1-` !%  
<_8\}!  
在ZSEARCH文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。 soA>&b !?  
现在镜头已经定义了15个变焦组，同样聚集在凸轮曲线的左边，因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的，只有7个变焦组是准确的。 AF ZHS\  
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：
]plg@  
    ZOOM        1 cIK-VmO  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT 8},!t\j#]  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 c^}gJ  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 <a2t"rc  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 xKEHN gen  
    LUL 600 .1 10 A TOTL ny'~pT'00  
    ZOOM    2 2!cP[ Ck  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT NtkEb :  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 6gY5v @!w  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 ;" '` P[  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 7&/iuP$.  
    LUL 600 .1 10 A TOTL +dS e" W9  
    ZOOM    3 $T tCVR  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT &9, 6<bToP  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 F=Z|Ji#  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 XB UO  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 5@P2Z]Q  
    LUL 600 .1 10 A TOTL Hwklk9U  
    ZOOM    4 <w+K$WE {  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT Y b]eWLv  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 sKB])mf]  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 &48wa^d  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ^F5[2<O/!  
    LUL 600 .1 10 A TOTL 5'?K(Jdmp  
    ZOOM    5 ])'22sY  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT i|*(vH&D.  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 Ra&HzK?  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 ;XSV}eLu  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 G?&0Z++  
    LUL 600 .1 10 A TOTL 1,T8@8#  
    ZOOM    6 NcZ6!wWdE  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT } =?kf3k  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 M,8a$Mdqh  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 fMlxtj+5   
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 (\e,,C%;  
    LUL 600 .1 10 A TOTL _S{HVc  
    ZOOM    7 ;<Oe\X  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT P7&a~N$T6W  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 1mwb&j24n3  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 &Zs h-|N  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 _' Xt  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
4gG&u33RrE  
-1Yt3M&  
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。
$T8Ni!#/C  
      ZGROUP ALL m%m/#\J E  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT ba1zu|@w  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 #yFDC@gH1  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 ,oT?-PC$z  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 |F-_YR  
      LUL 600 .1 10 A TOTL Bbz#$M!:  
      END
Y 6K<e:Y  
P+:FiVj@~  
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。
D06'"  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 8|.( Y  
    ZGROUP    ALL usZmf=p-r  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 Y\(Q  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 yyPkjUy[  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 8iB1a6TlL  
    END T?N' k=   
    END
puG$\D-[  
^DS9D:oE  
在我们运行这个宏之前，调整物距位置是个好主意。我们将数字从7增加到15，但是这个选项只是插入了之前的数据，这些数据很接近，但并不准确。输入命令
,+3l9FuQ  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
#*BcO-N  
W @Y$!V<  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。
;26a8g(  
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
HTao)`.  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
Q!7Er  
@`G_6 <.`  
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。
2P`hdg  
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?
J_ ?;On5  
      SYNOPSYS AI>1 TH? =SA@3)kHH  
bmr.EB/  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
yBXdj`bV  
A7>0Pn%D3  
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
H^_[nL  
      ACC 50 1 1
@aN<nd`q)  
, ?WTX  
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:
tj;<Z.  
      ADT 7 .1 1
ajq[ID  
cF_ Y}C  
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。
SSY E&  
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：
'b]GcAL  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
UpL?6)  
U 3aY =8B  
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 ),v[.9!}:  
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。 }o0R`15dA  
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:
hC4##pAa  
      … Q@6OIE  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 v T2YX5k&,  
      ZFILE  2 !e*Q2H+  
      CAM RANK  9 *>h"}e41  
      CAM EXPONENT  0.800000 r@5_LD@f  
      5 10 " |[w.`  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC ?DzKqsS'  
      …
;f#%0W{":  
GKu@8Ol-wu  
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! oFB~)}f<v  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。
OE]z C  
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? Ki(qA(r  
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：
A6v02WG_1T  
     XCOLOR
e7T"?s  
-"YQo  
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。
Vcz ExP  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? =hxj B*")  
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。 N`1:U 4}  
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。 RMUR@o5N  
#56}RV1  
{P"$;_Y"<  
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 j9)P3=s  
可以自己试一试啦 q4'szDYO2  
-CtLL _I  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 (ndXz  
可以自己试一试啦 Mbbgsy3W  
 (2019-03-20 15:25)  Y'K+O  
c#o(y6  
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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