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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

W"k8KODOY  
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。 K%X^n>O7C  
设计要求如下： * C6a?]  
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 (>I`{9x>6  
ZSEARCH输入如下:

bLd#xXl  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 L0tAgW!@  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 ]<q[Do8k  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 -atGlu2  
jD`d#R  
      SYSTEM zdEPDd B  
      ID ZSEARCH TEST {nvLPUL  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi Sf,R^9#|  
      ! aperture.    This defines the wide-field object )h8\u_U  
      UNI MM WAVL CDF END e4z1`YLsG  
Zt&6Ua[Y}  
      GOALS ZOOMS 7 L   
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether H_ez'yy  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom =l0Jb#d  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters Xj5~%DZp  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, a /:@"&Y  
      ! which is the narrow field zoom ~35U]s@v  
      OBB 0 0.4666 90 n]u<!.X  
6"D/xV3Z  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the ]wWPXx[>/  
      ! first and last )5.C]4jol  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF  ^_%kE%I  
      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 + \{&2a?  
      ! added to the merit function with a low weight. M!tXN&V]  
      COLOR M    ! correct all defined colors XbZ*&  
      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 f7'q-  
      ASTART 22 ]Bm>-*@0N  
;9}pOzF1q  
      TSTART 12 END _` [h,=  
?^EXTU85`"  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 &k1T08C*  
      FUL 1.75 END Cb_oS4vM  
1<h>B:  
      SPECIAL AANT >R2SQA o  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 4 8{vE3JY  
      ACM 4 1 1 CY& hIh~S@  
      ACC 35 1 1 !!:LJ  
B: \Uw|Mf  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END /^ " 83?_  
      GO    ! start ZSEARCH hG_?8:W8HT  
      TIME    ! see how long the run took.
{h KjD"?  
I Nc^L  
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。
LsM7hLy  
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。 i"j(b|?e  
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。 SgEBh  
运行ZSEARCH产生的宏。 R+~cl;#G6  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：
vw)7 !/#  
      CAM 15 SET
KnNh9^4"\2  
KHDZ  
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：
)C.yF)Ql  
      CAM 100
\M"UmSB o  
QQpP#F|w  
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：
t nS+5F  
      CAM 100 APERT
#DjCzz\  
34QfgMyH  
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
'>v^6i S  
      ZSPACE NONLIN 1.7
1,V`8 [  
oQ7]= |  
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。 gLSA!#[ h  
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。 \Yoa:|%*y  
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：
]}UgS+g>$  
    ZOOM        1 -[Qvg49jy  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT {R^'=(YFy  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 `PL[lP-<  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 sK 2 e&  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 RAjkH`  
    LUL 600 .1 10 A TOTL %Z8vdU#l  
    ZOOM    2 CWO=0_>2  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT (Bo bB]~a  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 cMzkL%  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 {FI\~ q  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 8)VgS &B~  
    LUL 600 .1 10 A TOTL dP>w/$C}  
    ZOOM    3 = zl= SLe  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT K"2|[5  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 D0;tcm.$  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 5=KF!?  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 wG8Wez%  
    LUL 600 .1 10 A TOTL *wV[TKaN  
    ZOOM    4 m/`IGT5J  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT r Db>&s3  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 jvzBh-!  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 {?{U,&  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 nVD Xj  
    LUL 600 .1 10 A TOTL d/7lefF  
    ZOOM    5 Bfd-:`Jk  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT Qeb}!k2A  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 !CjqL~  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 ,kgF2K!  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 o7+>G~i  
    LUL 600 .1 10 A TOTL ^t[HoFRa  
    ZOOM    6 2*U.^]~"{  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT 4B?!THjk  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 0W>9'Rw  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 +ySY>`1k~  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 Xev54!619  
    LUL 600 .1 10 A TOTL CQODXB^  
    ZOOM    7 YYRT.U'  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT TD04/ ISHT  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 ad!(z[F'Y  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 w5]l1}rl  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 H:a|x#"  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
uv4 _:   
) qPSD2h  
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。
p-GT`D  
      ZGROUP ALL jnoL2JR[=-  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT j.3o W  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 l9{#sas  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 {4ptu~8  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ykq'g|  
      LUL 600 .1 10 A TOTL w 7tC|^#G  
      END
dyQh:u -  
=hw^P%Zn  
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。
,m07p~,V  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 t ,qul4y}  
    ZGROUP    ALL "E*8h/4u  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 |0{ i9 .=  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 Fc0jQ@4=  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 /BH.>R4`A  
    END 0 15Owi  
    END
 SNvb1&  
QJ];L7Hbo  
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
*kaJ*Ti-/  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
1&|Dsrj  
ma}}Sn)Q  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。
9y"TDo  
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
K="I<bK  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
$ u2Cd4  
Sa] mm/ G  
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。
T 2bnzI i  
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?
'\*A"8;h  
      SYNOPSYS AI>1 TH? $P?{O3:V  
dE>v\0 3!8  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
0&`}EXe<f  
0~xaUM`  
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
J>v$2?w`w  
      ACC 50 1 1
Zd>ZY,-5  
`F,zenk=  
注释掉AEI命令行，再一次优化，模拟退火(22，2，50)。评价函数下降了。但是镜片2的厚度太薄，所以在MF中添加一个新的命令:
rrQ0qg  
      ADT 7 .1 1
ci7~KewJ*  
\ j]~>9  
取消AEI命令行的注释，并重新优化。这将控制每个镜片的直径/厚度比，并添加一个镜片。现在系统看起来很好。
||a`fH  
把这个设计分配给下一个ACON，我们要用它来查看物距5米处的像质。点击按钮;然后输入如下命令：
md6*c./Z  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
Lr M}?9'  
*IlQ5+3I  
您已经设置物距为5米，并将第4个面的厚度调整为90毫米，调整物体高度，使高斯像高保持在5毫米。我们想看看它是如何工作的。运行变焦滑块，在缩放范围内查看此ACON的性能。它和无穷远处的性能很相似。在物距范围内聚焦不会有任何问题。最大的像差出现在zoom 15中，这是一种长焦设置，对于这种镜头来说是正常的 ChIoR:y>  
现在点击PAD Scan按钮，检查每个field point的像差是否得到控制。在变焦范围的两端都这样做，你会发现每个地方都得到了很好的控制。如果某个中间视场点出现较大的像差，我们将在出现问题的视场点向AANT文件添加另一个GNR命令，但在目前的结果下没有必要这样做。 C MqM;1  
变焦滑块显示了镜头在整个变焦范围内的焦点-但我们也需要进行调整 打开工作表并单击ZFILE按钮以显示当前变焦参数。滚动到编辑窗格的顶部并添加两个命令，如下面的红色字体所示:
y@9Y,ZR*  
      … '?R=P  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 # J.u  
      ZFILE  2 #D:RhqjK  
      CAM RANK  9 70<K .T<b  
      CAM EXPONENT  0.800000 4 ? {*(  
      5 10 _z:Qhe  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC t/Z!O z6ZE  
      …
=[(%n94  
3ExVZu$  
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! Wy)('EM  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。
wrK#lh2  
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? dKe@JQ+-z  
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：
7S2c|U4IM  
     XCOLOR
4H7Oh*P\j  
Qrz*Lvle h  
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。
7+S44)w}~  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? ZX]A )5G  
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。 i-V0Lm/  
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。 _U=S]2 Q W  
O<iI  
5|m9:Hv[#  
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 4i96UvkZ  
可以自己试一试啦 `L">"V`$Bj  
}Y$VB%&Hy  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 -{.h\  
可以自己试一试啦 sz){uOI  
 (2019-03-20 15:25)  <$Xn:B<H  
ntd ":BKi  
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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