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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

5_L43-
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。 0ENqK2
设计要求如下： ;Y &2G'
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 1Imb"E
ZSEARCH输入如下:

KEr?&e
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 l%xeM!}
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 Xb*>7U/'T
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 Q[Tbdc%1EG
*-_joAWTG
      SYSTEM kZ 9n@($B
      ID ZSEARCH TEST jRdW=/q+(
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi j)O8&[y=
      ! aperture.    This defines the wide-field object %{P." ki
      UNI MM WAVL CDF END `VOLw*Ci
~/R}K g(
      GOALS ZOOMS 7 gem+$TFq
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether -(.\> F
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom 'nqVcNgb
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters n~&e>_;(.
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, &[}5yos r
      ! which is the narrow field zoom ngaQa-8w
      OBB 0 0.4666 90 o Bp.|8-
Tb]' b
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the S4X['0rX!
      ! first and last L2y{\<JC"
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF 9\NP)Vm$^
      GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1    ! the back focus is 20 mm and will vary.    A target will be A}n5dg0u
      ! added to the merit function with a low weight. <Xj ,>2m;
      COLOR M    ! correct all defined colors y/A<eHLy
      ANNEAL 50 10 Q    ! anneal the lens as it is optimized in both modes QUICK 40 40    ! 40 passes in quick mode, 40 in real-ray mode QmB,~x{j>
      ASTART 22 ?B,B<@='%
GEf[k OQ
      TSTART 12 END I*i$!$Bx2
5'O.l$)y
      SPECIAL PANT CUL 1.75 jLf87
      FUL 1.75 END 8uhB&qxB
zzBqb\Ky
      SPECIAL AANT -wV0Nv(V8
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 z15QFVm
      ACM 4 1 1 Y~bGgd]T
      ACC 35 1 1 I*)eP||
`<l|XPv
      LUL 600 .1 10 A TOTL END z'}?mE3i
      GO    ! start ZSEARCH ./;*LD
      TIME    ! see how long the run took.

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。

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。
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。
运行ZSEARCH产生的宏。
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：

cM'5m
CAM 15 SET

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：

ETVT.R8
CAM 100

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：

W(tXq
CAM 100 APERT

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

Q-N.23\1
ZSPACE NONLIN 1.7

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。
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。
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：

|"Oazll
    ZOOM        1 2={ g'k(
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT M O/-?@w
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 DEC,oX!bI1
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 I1H:h
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 <!|2Ru
    LUL 600 .1 10 A TOTL :+,qvu!M7
    ZOOM    2 ~1h-LbFI2
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT XfT6,h7vFL
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 0,;FiOp
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 6%_d m'
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 kB]|4CG{
    LUL 600 .1 10 A TOTL c~|/,FZU'
    ZOOM    3 o&~z8/?LA
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT &,&oTd.
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 \ca4X{x
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 i,,>@R
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 Dx[t?-
    LUL 600 .1 10 A TOTL es(vWf'
    ZOOM    4 j{P,(-
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT %/MK$
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 o#wF/ I
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 sEvJ!$Tt?I
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 <STjB,_s
    LUL 600 .1 10 A TOTL xI~\15PhG
    ZOOM    5 r/O(EW#=8
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT Qg _?..%
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 D_9/|:N:
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 C>;yW7*g"
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 j`'=K_+nU
    LUL 600 .1 10 A TOTL W#y)ukRv
    ZOOM    6 D0k7)\puQ
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT M3F8@|2
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 z4J-qK~2
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 f3l >26
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 WuGm~<NS
    LUL 600 .1 10 A TOTL `?6m0|\@
    ZOOM    7 O.K8$
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT cdIy[ 1
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 FJL9x,%6
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 I@L-%#@R1
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 U0N[~yW(t1
    LUL 600 .1 10 A TOTL

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。

Z21XlbK
      ZGROUP ALL [bOy,^@4
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT {U(h]'
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 $oua]8!
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 0`ib_&yI
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 7_Q86o
      LUL 600 .1 10 A TOTL @e0Q+t
      END

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。

2iG(v._x
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 \iE'E
    ZGROUP    ALL [X~X?By>
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 +NXj/
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 y=j[v},4
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 &'](T9kg=
    END l9L;Tjj
    END

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

7:p]~eM)
CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7

现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。

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

(7wR*vO^
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2

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。

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?

6aK--k
SYNOPSYS AI>1 TH? nRE}F5k
0Its;|
The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744

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

jI V? p
ACC 50 1 1

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:

=Ffq =<
ADT 7 .1 1

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。

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：

/uc/x+(_
ZFOCUS 5000 4 90 5

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
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。
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:

Zll^tF#
      … >V$#Um?AXj
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 0EB'!
      ZFILE  2 lG+ltCc$9
      CAM RANK  9 5q#|sVT7R
      CAM EXPONENT  0.800000 ? 7EVmF
      5 10 S- \lN|
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC (KMobIP^
      …

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!
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。

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?
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：

614/wI8(
XCOLOR

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。

我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗?
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。
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。

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 Hu7zmh5FF 可以自己试一试啦 mO> M=2A z=_{jjs

optics1210	2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 UnWGMo?JEi 可以自己试一试啦 71"JL", (2019-03-20 15:25) Ji:iKkI 8Cs$NUU 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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