快速设计一个30倍的变焦镜头：SYNOPSYS 光学设计软件
dX ;G [\
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。 Z=CY6Zu 7
设计要求如下： ?,Zc{
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 Q5pm^X._j
ZSEARCH输入如下: W5a>6u=g,
LOG ! to keep track of things later ON 98 qr[+^*Ha
TIME ! to see how long this run took CORE 14 4 Q
F X
ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3 1PdxoRa4=
:z}
SYSTEM et0yS%7+?@
ID ZSEARCH TEST B#9T6 |2
OBB 0 14 3 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi J t,7S 4JL
! aperture. This defines the wide-field object >" z&KZKI
UNI MM WAVL CDF END 7{:g|dX
,Jh ('r7
GOALS ZOOMS 7 H-Z1i
GROUPS 2 3 4 2 ! lens has four groups with 11 elements altogether "J (.dg]"
ZGROUP 0 Z Z 0 ! and groups 2 and 3 will zoom n*U+jc
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! also correct range focus at 5 meters W_z?t ;
FINAL ! declare the desired object at the last zoom position, [Q*aJLG
! which is the narrow field zoom a?QDf5C q
OBB 0 0.4666 90 _Q3Ad>,U
~'2im[f J
ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the 7Vxe] s
! first and last hSyA;*)U
APS 19 ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF VIjsz4 2 C
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 ^XQr`CqI
! added to the merit function with a low weight. 9QryW\6.@z
COLOR M ! correct all defined colors 3U73_ =>=&
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 m+/-SG
ASTART 22
zOnQ656
N}2xt)JZz
TSTART 12 END VT&R1)c
X [
o9^<
SPECIAL PANT CUL 1.75 c( <,qWH
FUL 1.75 END :,^pL At
M1f ^Lx
SPECIAL AANT &]2z)& a
ACA 55 1 1 ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 d.3O1TXK
ACM 4 1 1 4f?Y'+>Z,
ACC 35 1 1 @|^ 2 +K/
$&|*v1rH
LUL 600 .1 10 A TOTL END HLy }ta\
GO ! start ZSEARCH 2W=(
{e)$
TIME ! see how long the run took. 6!}tm dzR
" jUr[X2J
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。 $*{$90 Q
我们只纠正了7个变焦位置，在完成设计之前，可能还需要更多的变焦位置，但是前期选择少量的变焦位置做参考，会使ZSEARCH运行得更快。 yEfV8aY'*
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 O} !L;?
运行ZSEARCH产生的宏。 w*Gv#B9G
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令： 7gV"pa
CAM 15 SET ]<;m;/ H
%q@eCN
运行变焦滑块，会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正，但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令： 43;@m}|7$
CAM 100 Pb|'f(
!m#cn eV
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： AE)<ee%\\
CAM 100 APERT PIuk]&L^
Odr @ 9MJ
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 QJ
ueU%|
ZSPACE NONLIN 1.7 q(Y<cJ?X
o 2 5kFD
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。 e_wz8]K)n
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。 gq6C6
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下： @awaN
ZOOM 1 1a )NM#
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT KsGS s9
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 K'%,dn
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 PZF>ia}
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 SrN;S kS
LUL 600 .1 10 A TOTL [e d%"f
ZOOM 2 - P 5VE0
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT ^ZFbp@#U
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 Hm+-gI3*
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 <=V2~
asB
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 }`$:3mb&f
LUL 600 .1 10 A TOTL _1c' ~;
ZOOM 3 !b*lL#s,Y
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT \ K)"@gdW
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 Y]b5qguK
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 k3[
~I'
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 aI|<t^X
LUL 600 .1 10 A TOTL }(-R`.e;
ZOOM 4 xyx.1o
e!
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT jz|zq\Eek
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 J?-"]s`J
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 w?.0r6j
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 j?6%=KuX<
LUL 600 .1 10 A TOTL O@3EJkv
ZOOM 5 Q/iaxY#
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT TeQWrm s
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 FpfOxF6A3
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 ? N#mD
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 SPL72+S`,
LUL 600 .1 10 A TOTL _"J-P={=
ZOOM 6 :9c
QK]O6
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT +J$[RxQ#
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 E'$r#k:o
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 -<}_K,Ky`
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 d>N Elug
LUL 600 .1 10 A TOTL -zHJ#
ZOOM 7 J']1 ^"_'
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT v 4(!~S
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 !yH&l6s
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 uKh),@JV
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 br <,?
LUL 600 .1 10 A TOTL ,g{` M]Ov
S8<O$^L^
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。 -U"(CGb5
ZGROUP ALL 1I KDp]SN
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT x!MYIaZ7
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 >t?;*K\x"
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 F)lDK.
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 rayC1# f
LUL 600 .1 10 A TOTL <<v,9*h
END 3Zdkf]Gh
j * g5f
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。 ve=oH;zf
ZFOCUS 0.500000E+04 4 0.900000E+02 0.500000E+01 3yDa 5q{
ZGROUP ALL bKmR
&
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 ^ {-J Y
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 Fc7mA V=
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 !iCY! :
END qWtvo';3
END 4&r^mGs,
[s t4FaQ36
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 (5;w^E9*n;
CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 %Ox*?l _
}Hrm/Ni
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。 QOEcp% 6I}
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 ?H0 #{!s
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 %IW=[D6Tg
i=.zkIjSh
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。 jw5Bbyk
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? TNUzNA
SYNOPSYS AI>1 TH? +I 5@Gys
4At%{E
The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744 vEvVT]g[V
&2Q 4{i
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 e Fp4MD8?
ACC 50 1 1 X&TTw/J!^
d11 ~ mU\
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: N{tNe-5
ADT 7 .1 1 c#
U! Q7J
TV#pUQ3K
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。 X.}:gU-
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： c c*A/lD
ZFOCUS 5000 4 90 5 \e T0d<
g599Lc&
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 BYyR-m
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。 x/#* M
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: w
[D9Q=
… kTT!gZP$
OBB 0.000000 14.00000 3.00000 -60.69895 0.00000 0.00000 3.000 C bVU z<
ZFILE 2 e]'ui<`
CAM RANK 9 200/
CAM EXPONENT 0.800000 '0[D-j Er
5 10 HbX>::J8
11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC c]v $C&FX
… y9{KBM%h
G ?jKm_`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! t4/d1qW0
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。 s% 2 w&Us*
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? D kl4 ^}
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： }Ry:})
XCOLOR U} ~SY
:Gsh
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。 aJ}y|+Cj
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? / Of*II&
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。 SpU+y|\[0
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。 &q^\*<B.^
{Xb 6wQ"
y 4PR&^l?g
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