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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

B8?j"AF  
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。 w9CX5Fg  
设计要求如下: D #C\| E:  
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 ]1|OQYG  
ZSEARCH输入如下:

'$q3Ze  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 6'jgjWEe3&  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 So}pA2[0  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 TZa LB}4  
e@g=wN"@  
      SYSTEM _ IlRZ}f  
      ID ZSEARCH TEST M~g@y$  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi ^6PKSEba  
      ! aperture.    This defines the wide-field object IgKrcpK#}?  
      UNI MM WAVL CDF END 5YQJNP  
f:ep~5] G  
      GOALS ZOOMS 7 Nd**":i$  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether ^2"w5F  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom x=V3_HI/}  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters ~?KbpB|  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, &IkHP/  
      ! which is the narrow field zoom BJnysQ  
      OBB 0 0.4666 90 )?k~E=&o  
"tmr s_~  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the Y$FhV~m  
      ! first and last 4YCuO%  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF >UV?n XP}  
      GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1    ! the back focus is 20 mm and will vary.    A target will be NtQ#su$  
      ! added to the merit function with a low weight. NP$ D9#   
      COLOR M    ! correct all defined colors K#dG'/M|Pb  
      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 py9`q7F  
      ASTART 22 &8hW~G>(m  
KZ|p_{0&  
      TSTART 12 END ky[^uQ>0  
|6~ Kin  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 @gm!D`YL  
      FUL 1.75 END *ub"!}$st  
slV]CXW)t  
      SPECIAL AANT Wfh+D[^  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 Uk4G9}I  
      ACM 4 1 1 oC(.u?  
      ACC 35 1 1 GX%r-  
<Mf(2`T  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END TGI`}#  
      GO    ! start ZSEARCH g>_d,#F  
      TIME    ! see how long the run took.
?1Uq ud  
nT@FS t  
运行这个宏一段时间后,我们得到了一个有潜力的初始结构。
h~k+!\  
我们只纠正了7个变焦位置,在完成设计之前,可能还需要更多的变焦位置,但是前期选择少量的变焦位置做参考,会使ZSEARCH运行得更快。 M|qJZ#{4>  
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 @0iXqM#jH  
运行ZSEARCH产生的宏。 ]!cLFXa  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令:
DC*6=m_  
      CAM 15 SET
^fvx2<  
kTo{W]9]  
运行变焦滑块,会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正,但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令:
fs*OR2YG7  
      CAM 100
iLf* m~Q  
#;<dtw  
在这张图的左端数据变化最快,所以在这一区域,需要分配更多的变焦位置,来控制像差和焦点。输入以下命令:
i/F ].Sag  
      CAM 100 APERT
i{k v$ir!  
&(~"OD  
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
<Sp>uhet1  
      ZSPACE NONLIN 1.7
TU?$yNE  
A7TV-eWG  
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。 4,:)%KB"V  
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。 zc!q a"4yM  
我们需要修改ZSEARCH的宏,原始的ZSEARCH宏如下:
9D51@b6k  
    ZOOM        1 iayxN5,  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT H;RgYu2J  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 WRN}>]NgQ  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 cDh\$7'b  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 / 2h6  
    LUL 600 .1 10 A TOTL l#|M.V6G  
    ZOOM    2 [ P%'p-Hg_  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT -d6PXf5  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 l7uEUMV  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 nLBi} T  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 !&Us^Q^  
    LUL 600 .1 10 A TOTL pcPRkYT[ M  
    ZOOM    3 wKAxUPzm  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT QHe:  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 mH!\]fmR~  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 ?) FY7[x.  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 BHZSc(-o  
    LUL 600 .1 10 A TOTL ;e\K8*o  
    ZOOM    4 d x"9jFn  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT 2w /qH4  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 5z 9'~Gfb  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 Kg#s<#h  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 09Y:(2Qri  
    LUL 600 .1 10 A TOTL eEg> EI_U  
    ZOOM    5 r }Nq"s<  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT P !~B07y  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 \`WAG>'l5  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 7kQ,D,c'  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 fh@/fd  
    LUL 600 .1 10 A TOTL B \>W  
    ZOOM    6 gYfOa`k  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT scR+F'M  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 0coRar?+b  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 zjwo"6c>  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 X$ 76#x  
    LUL 600 .1 10 A TOTL LQ4F/[1}  
    ZOOM    7 [`=:uUf3  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT O]\eMM&  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 fFd"21 >  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 xwu,<M v `  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ,4kipJ!,yK  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
nF{>RD  
T( sEk  
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。
f`_6X~ p  
      ZGROUP ALL iuWw(dJk  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT >s"kL^  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 d15E$?ZLH  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 gj1l9>f>]a  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 d,%@*v]S  
      LUL 600 .1 10 A TOTL He)dm5#fg  
      END
5b%zpx0Y  
7\JA8mm  
该程序还向AANT文件中添加了ZFOCUS命令,然后是另一组变焦设置,我们再次用单个ZGROUP ALL命令替换它们。该部分更改物距参数,将第一组移动90毫米,并在所有已定义的变焦组中再次纠正像质。请注意,END命令将会关闭ZGROUP文件,另一个END命令将会关闭文件AANT部分。
DqlspT  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 e+P|PW  
    ZGROUP    ALL *(]@T@yN  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 DwH=ln=  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 d)jX%Z$LC  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 >`+-Yi$(\  
    END h_ J|uu  
    END
m4kUA"n5  
4p_@f^v~QH  
在我们运行这个宏之前,调整物距位置是个好主意。我们将数字从7增加到15,但是这个选项只是插入了之前的数据,这些数据很接近,但并不准确。输入命令
9 A1w5|X  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
Nyo,6 AA  
)ia$pe s  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的,但需要进一步改进。
DSx D531[A  
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
Q5qQ%cu  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
]; G$~[  
@awN*mO  
运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片,像质得到很大的提高。
IDr$Vu4LCW  
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?
7q,M2v;  
      SYNOPSYS AI>1 TH? t= oTU,<  
IEJp!P,E  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
+{S^A)  
D^W?~7e ^r  
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
~",,&>#[K  
      ACC 50 1 1
nH]F$'rtA  
dLI`\e<r&[  
注释掉AEI命令行,再一次优化,模拟退火(22,2,50)。评价函数下降了。但是镜片2的厚度太薄,所以在MF中添加一个新的命令:
rnC u=n  
      ADT 7 .1 1
gAgP("  
"Hw%@  
取消AEI命令行的注释,并重新优化。这将控制每个镜片的直径/厚度比,并添加一个镜片。现在系统看起来很好。
{,rVA(I@  
把这个设计分配给下一个ACON,我们要用它来查看物距5米处的像质。点击按钮;然后输入如下命令:
/R44x\nhr  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
;l6tZ]-"  
1p9+c~4l:  
您已经设置物距为5米,并将第4个面的厚度调整为90毫米,调整物体高度,使高斯像高保持在5毫米。我们想看看它是如何工作的。运行变焦滑块,在缩放范围内查看此ACON的性能。它和无穷远处的性能很相似。在物距范围内聚焦不会有任何问题。最大的像差出现在zoom 15中,这是一种长焦设置,对于这种镜头来说是正常的 |);-{=.OdQ  
现在点击PAD Scan按钮,检查每个field point的像差是否得到控制。在变焦范围的两端都这样做,你会发现每个地方都得到了很好的控制。如果某个中间视场点出现较大的像差,我们将在出现问题的视场点向AANT文件添加另一个GNR命令,但在目前的结果下没有必要这样做。 bbO1`b-  
变焦滑块显示了镜头在整个变焦范围内的焦点-但我们也需要进行调整 打开工作表并单击ZFILE按钮以显示当前变焦参数。滚动到编辑窗格的顶部并添加两个命令,如下面的红色字体所示:
Gd 5J<K  
      … 4?{e?5)  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 +#!! 'XP  
      ZFILE  2 *qm@;!C  
      CAM RANK  9 H|iY<7@  
      CAM EXPONENT  0.800000 .\> I-  
      5 10 c 0%%X!!$  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC i@M^9|Gh  
      …
pZ4]oK\*  
^J=l]  l  
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! U3yIONlt  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass),选择Guangming材料库,点击OK。像质得到了改善。
\kGi5G]  
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? *0`oFTJ  
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:
4W''j[Y/  
     XCOLOR
q0hg0 DC[;  
G:2m)0bW  
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。
2nRL;[L*.  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? z@0*QZ.y 1  
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。 $}/ !mXI5  
从一个简单的方法开始,了解什么可行,什么不可行,根据需要增加复杂性,SYNOPSYS为此目的提供了许多强大工具。 /WJ*ro]Hd$  
fscAG\>8  
6DG:imGl  

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 -PSI^%TR#  
可以自己试一试啦 ;_lEu" -  
#~r+   
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 4:8#&eF  
可以自己试一试啦 .Lo$uKsW$l  
 (2019-03-20 15:25)  l^ni"X  
pv TV*  
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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