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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

^T_2 s  
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。 2|}KBny  
设计要求如下： mAuN* (  
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 P7y.:%DGD0  
ZSEARCH输入如下:

B+n(K+  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 &)F# cVB  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14  $&to(  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 >-4kO7.V  
;0Mg\~T~'  
      SYSTEM &BkdC,o  
      ID ZSEARCH TEST L<O"36R  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi (db4.G+0  
      ! aperture.    This defines the wide-field object :'K%&e?7s  
      UNI MM WAVL CDF END $#7~  
&/{x7;e  
      GOALS ZOOMS 7 hgI;^ia  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether nI<Ab_EB  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom r  |JZU  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters +HfZs"x  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, 5 $:  q  
      ! which is the narrow field zoom tjt#2i8/  
      OBB 0 0.4666 90 8L,i}hIo.  
D",~?  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the <"}WpT  
      ! first and last JB(P-Y#yyA  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF Vv~:^6il  
      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 :Wmio\  
      ! added to the merit function with a low weight. (  V H0+  
      COLOR M    ! correct all defined colors K0z@gWGE  
      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 i~;Yrc%AEX  
      ASTART 22 sA[eKQjaD  
_%6Vcy  
      TSTART 12 END RMO6kbfP  
2:Rxyg@'  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 DgRA\[c  
      FUL 1.75 END Q(7M_2e7  
OVf%m~%&s  
      SPECIAL AANT zx=AT  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 [" nDw<U  
      ACM 4 1 1 O"~BnA`dJ  
      ACC 35 1 1 HzD=F3\r|  
iTg7@%  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END nk-V{']  
      GO    ! start ZSEARCH Ialbz\;F2%  
      TIME    ! see how long the run took.
-3eHJccB  
oar`xH$C  
运行这个宏一段时间后，我们得到了一个有潜力的初始结构。
kKil] L  
我们只纠正了7个变焦位置，在完成设计之前，可能还需要更多的变焦位置，但是前期选择少量的变焦位置做参考，会使ZSEARCH运行得更快。 G2e0\}q  
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 bsgrg  
运行ZSEARCH产生的宏。 v#o<. Ig  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：
H_+F~P5RC  
      CAM 15 SET
Q2 @Ugt$  
OX*5 yT{  
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：
}~3 %KHT  
      CAM 100
SM@RELA'Lb  
_$YT*o@0J  
在这张图的左端数据变化最快，所以在这一区域，需要分配更多的变焦位置，来控制像差和焦点。输入以下命令：
Q ^z&;%q1  
      CAM 100 APERT
~lB:xVzn  
( R0>0f@  
现在这个图与前面的图片比例不再相同。我们可以看到左边的变焦位置比右边的变焦位置靠得更近。命令如下
V=DT.u  
      ZSPACE NONLIN 1.7
X'KkIo :  
}ikJ a  
在ZSEARCH文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。 K3($,aB}  
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。 )OgQ&,#  
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：
Bh*7uNM  
    ZOOM        1 "f-z3kL  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT ]f~mR_E  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 x0dO ^D  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 Z2wgfP`  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 =zXii{t  
    LUL 600 .1 10 A TOTL 1L:sck5k  
    ZOOM    2 |)\{Rufb  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT GVt}\e~"  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 X9xXL%Q  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 L4C_qb k;:  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 "8|a4Y+F  
    LUL 600 .1 10 A TOTL U*7Yi-"/*  
    ZOOM    3 }xE}I<M  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT 8>y!=+9_  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000  >!7\Rx  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 g<"k\qs7  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 Jf|6 FQo&  
    LUL 600 .1 10 A TOTL 3Az7urIY  
    ZOOM    4 BvA09lK  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT M7 Z9(3Va  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 m:A1wL4c6  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 9V5d=^  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 $pO gFA1'  
    LUL 600 .1 10 A TOTL d:V6.7>,  
    ZOOM    5 x!@P|c1nKC  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT -g;cg7O#(  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 "2~%-;c  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 [O52Bn  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 #lHA<jI  
    LUL 600 .1 10 A TOTL WFBVAD  
    ZOOM    6 *U69rbYI  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT Yo$ xz  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 g.re`m|Aj  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 %]15=7#'y  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 u:FFZ  
    LUL 600 .1 10 A TOTL *tD`X( K  
    ZOOM    7 hn@T ]k  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT 8w|-7$ v  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 _:Jra  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 ZLRAiL  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 M((]> *g  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
n,E =eNc  
e<;^P(g`E  
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。
SpB\kC"K  
      ZGROUP ALL 5lc%GJybV  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT _Ka6! 9  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 +"Ui @^  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 S)h0@;q  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 AM ZWPU  
      LUL 600 .1 10 A TOTL lwU$*?yv  
      END
1 ynjDin<  
zAxscD f'  
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。
8'Y7lOXS  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 j.FW*iX1C  
    ZGROUP    ALL ;HOOo>%_K  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 x/pM.NZF1  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 [z^db0PU  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 ;F;"Uw  
    END +TQMA >@g<  
    END
|QI FtdU5T  
w>q:&Q  
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
MzY~-74aF  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
cxNb!G  
N4wv'OrL]  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。
PU6Sa-fQ2,  
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
M,ObzgW  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
wLDWD,"K  
79?%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。
)TmqE<[  
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?
<r{M(yZ?@  
      SYNOPSYS AI>1 TH? *+-L`b{SX  
ia!b0*<   
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
P9\!JH!  
m\}8N u  
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
Q^iE,_Zq  
      ACC 50 1 1
p..O;_U  
J9kmIMq-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:
l^@!,Z  
      ADT 7 .1 1
4K(AXk  
*,UD&N_)*6  
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。
\;h+:[<e1  
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：
aa'u5<<W  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
JE<zQf(&  
[CBhipoc  
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 Kf.G'v46  
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。 H.D1|sU  
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:
Jf/X3\0N7  
      … U8T"ABvFP  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 JVoW*uA  
      ZFILE  2 RO([R=.`/  
      CAM RANK  9 4rmSo^vK  
      CAM EXPONENT  0.800000 _ 2WG6y;  
      5 10 RcASFBNpS  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC cPemrNxydN  
      …
2 f" =f^rf  
rT2gX^Mj&  
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! wQ7G_kVp  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。
'%u7XuU-]  
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? Nvlfi8.  
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：
wz,T7L  
     XCOLOR
R3G+tE/Y  
n>_EE w2/  
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# /c7   
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? \8~P3M":c  
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。 b)SU8z!NV&  
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。 $/*6tsR  
|r]f2Mrm  
f1a >C  
asdoptics 2019-03-03 21:50
优秀文章，支持！
是波妞啊 2019-03-20 15:25
感谢楼主分享 e~#"#?  
可以自己试一试啦 ,~R`@5+  
P <$)v5f  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 .Z,3:3,]  
可以自己试一试啦 f8ap+][  
 (2019-03-20 15:25)  i[:S *`@S  
;l^4/BR  
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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