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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

?!(/;RU1  
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。 dtjaQsJM^  
设计要求如下： "hz(A.THi  
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 ia|^>V>-  
ZSEARCH输入如下:

[ANit0-~  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 77/y{#Sk  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 yAEOn/.~  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 "d'xT/l "  
aA%$<ItH  
      SYSTEM 9B Lz  
      ID ZSEARCH TEST ><OdHRh@#  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi aq"E@fb  
      ! aperture.    This defines the wide-field object _%l+v  
      UNI MM WAVL CDF END mh44  
d T/*O8  
      GOALS ZOOMS 7 '.~vN L+ O  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether [$3Zid  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom O89<IXk  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters (d993~|h  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, =Z/'|;Vd_x  
      ! which is the narrow field zoom @&+h3dV.V  
      OBB 0 0.4666 90 `6j?2plZ  
4M(w<f\5F  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the h0n0Dc{4  
      ! first and last 3]'=s>UO>^  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF f&`v-kiAn=  
      GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1    ! the back focus is 20 mm and will vary.    A target will be v Xio1hu  
      ! added to the merit function with a low weight. 7x9YA$IE  
      COLOR M    ! correct all defined colors : ` F>B  
      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 L3q)j\ ls  
      ASTART 22 ^'QcP5Fv  
K *vNv 4  
      TSTART 12 END _1y|#o  
 g/+M&k$  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 i40r}?-  
      FUL 1.75 END l=9 &  
~\<ZWU<BE  
      SPECIAL AANT #2yOqUO\  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 !nVX .m9  
      ACM 4 1 1 { KwLcSn  
      ACC 35 1 1 HT?`PG  
3}g?d/^E3  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END y#AY+ >  
      GO    ! start ZSEARCH yF0,}  
      TIME    ! see how long the run took.
JPQ02&e  
 4EB$e?  
运行这个宏一段时间后，我们得到了一个有潜力的初始结构。
@{I55EQ]  
我们只纠正了7个变焦位置，在完成设计之前，可能还需要更多的变焦位置，但是前期选择少量的变焦位置做参考，会使ZSEARCH运行得更快。 +*0THol-  
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 f+xGf6V  
运行ZSEARCH产生的宏。 @T/C<-/:  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：
U\VwJ2 {i  
      CAM 15 SET
*kyy''r  
|w~zh6~  
运行变焦滑块，会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正，但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令：
5 @[%P=  
      CAM 100
yvDzxu  
iXl1S[.l  
在这张图的左端数据变化最快，所以在这一区域，需要分配更多的变焦位置，来控制像差和焦点。输入以下命令：
w5n>hz_5  
      CAM 100 APERT
L$jyeFB5  
HqYaQ~Dth  
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
{##A|{$3%  
      ZSPACE NONLIN 1.7
&<UOi@  
#i2q}/w5`C  
在ZSEARCH文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。 vMRKs#&8  
现在镜头已经定义了15个变焦组，同样聚集在凸轮曲线的左边，因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的，只有7个变焦组是准确的。 =:"@YD^a4  
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：
b:O4d<+%  
    ZOOM        1 |?8CV\D!  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT eHnC^W}|s  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 T}!7LNE  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 !uO|T'u0a  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 3^ Z tIZ  
    LUL 600 .1 10 A TOTL _cGiuxf #  
    ZOOM    2 qA30z%#z_  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT 9(X *[X#  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 K4R jGSaF  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 7H >dv'  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ;=^WIC+Nr  
    LUL 600 .1 10 A TOTL =u;q98r  
    ZOOM    3 ;F0A\5I  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT fZ %ZV  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 A(s/Nz>  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 T2(+HI2  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 Sr+1.77}  
    LUL 600 .1 10 A TOTL lJYv2EZ  
    ZOOM    4 @K+u+} R  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT aPb!-o{  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 \Fj4Gy?MW  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 F H%yyT  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 s[s^z<4G  
    LUL 600 .1 10 A TOTL Hd2_Cg FB  
    ZOOM    5 XqwdJND  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT ovfw_  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 [R:O'AP}@}  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 #{ ?oUg>$  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 GYs4#40  
    LUL 600 .1 10 A TOTL ^al SyJ`  
    ZOOM    6 &WRoNc  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT ;;`KkNys m  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 g,W#3b6>j  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 0WPxzmY  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 cM"I3  
    LUL 600 .1 10 A TOTL s3knh&'zb  
    ZOOM    7 3&*%>)  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT z"H%Y 8  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 k/mY. 2yPv  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 [{c8:)ar  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 pKJ[e@E^  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
_Ey8P0-I  
#nxx\,i>  
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。
gI%n(eY  
      ZGROUP ALL u}h'v&"e,  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT He@= bLLa  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 a3)#tt=rA  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 x$p\ocA  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 u,]yd*  
      LUL 600 .1 10 A TOTL G?g7G,|d  
      END
x~z 2l#ow  
Q6>vF)( -  
该程序还向AANT文件中添加了ZFOCUS命令，然后是另一组变焦设置，我们再次用单个ZGROUP ALL命令替换它们。该部分更改物距参数，将第一组移动90毫米，并在所有已定义的变焦组中再次纠正像质。请注意，END命令将会关闭ZGROUP文件，另一个END命令将会关闭文件AANT部分。
+Q9HsfX/  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 ?t"PawBWE  
    ZGROUP    ALL 2#[Y/p  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 oe<Y,%u"6  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 t2gjhn^p  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 YsDl2P  
    END uXC?fMWp.  
    END
FSB$D)4z>b  
K_xOY *  
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
7wnzef?)  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
D0P% .r"v  
lyPXlt  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。
{V&7JZl,/  
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
5 6R,+sN  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
a]k&$  
+!Ltn  
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。
SrtmpQ  
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?
y{sA["   
      SYNOPSYS AI>1 TH? ^`7t@G$ D  
*l^'v9  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
Y[DKj!v  
3{z|301<m  
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
?uN(" I  
      ACC 50 1 1
w;(gi  
P(;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:
`lhLIQ'j  
      ADT 7 .1 1
( A)wcB  
5HN<*u%z  
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。
F~AS(sk  
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：
Y P c<  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
SDwSlwf  
AIyv;}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 $yAfs3/%)s  
现在点击PAD Scan按钮，检查每个field point的像差是否得到控制。在变焦范围的两端都这样做，你会发现每个地方都得到了很好的控制。如果某个中间视场点出现较大的像差，我们将在出现问题的视场点向AANT文件添加另一个GNR命令，但在目前的结果下没有必要这样做。 #V 6 -*  
变焦滑块显示了镜头在整个变焦范围内的焦点-但我们也需要进行调整 打开工作表并单击ZFILE按钮以显示当前变焦参数。滚动到编辑窗格的顶部并添加两个命令，如下面的红色字体所示:
B,>FhX>h  
      … < &2,G5XA  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 ;`B35K  
      ZFILE  2 w!RH*S  
      CAM RANK  9 j1 <1D@UO  
      CAM EXPONENT  0.800000 m =}X$QF`^  
      5 10 }v,THj  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC Y zS*p~|  
      …
mW-W7-JhO7  
E2IVR]C2^  
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! =@ZtUjcJx  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。
F21[r!3  
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? Y,yaB)&Ih  
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：
pG6-.F;  
     XCOLOR
BT3O_X`u  
o3qv945  
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。
]Qr8wa>Z  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? Yk Pt*?,P/  
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。 ai4^NJn  
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。 c!Vc_@V,  
'.yWL  
]gksyxn3  
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 o(/ ia3  
可以自己试一试啦 3SDWR@x&  
zI!R-Nb  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 (VI* c!N  
可以自己试一试啦 ^_S-s\DW  
 (2019-03-20 15:25)  6dR-HhF  
,iv%^C",)  
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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