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小火龙果 2023-11-15 09:19

SYNOPSYS 光学设计软件课程四十七：一个30倍的变焦镜头

$5D,sEC@  
课程四十七：一个30倍的变焦镜头 -h|B1*mt  
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:zZ_Ev  
="wzq+U  
设计要求如下： d?`ny#,GB  
1. 变焦30倍 PYbVy<xc  
2. 半视场角14° ZOCDA2e(j  
3. 最后一面的半孔径为3mm C CBfKp  
4. 使用11个镜片 FCi U  
5. 四组镜片，其中两组是用来变焦 E;JsBH  
6. 像高5mm Y2o?gug  
7. 后焦距20mm u! "t!2I  
8. 总长600mm ~cTN~<{dq  
9. 物距从无穷远到5m 范围内对焦清晰 (bsXo q  
ZSEARCH 输入如下: %LVm3e9  

复制代码
  1. LOG                ! 以便日后追迹 )M6w5g  
    ON 98 0U%f)mG  
    TIME               ! 来看看这次运行花了多长时间 b2b^1{@h;v  
    CORE 14 v\m ]A1  
    ZSEARCH 3 QUIET    ! 将结果保存在镜头库位置3 91 =OF*w  
    SYSTEM MrZh09y  
    ID ZSEARCH TEST fF b_J`'ue  
    OBB 0 14 3         ! 无限远物距，14度半视场，2.85毫米半孔径 ):i&`}SY  
                       Llr>9(|  
    UNI MM ~HOy:1QhE=  
    WAVL CDF 28 8XF9B^  
    END   `c<;DhNO  
    GOALS -FU}pz/  
    ZOOMS 7 O8B\{T1  
    GROUPS 2 3 4 2     ! 镜头有四组，共11个元件 uV!^,,~  
    ZGROUP 0 Z Z 0     ! 而第2组和第3组将可移动 tjupJ*Rt  
    ZFOCUS 5000 4 90 5 ! 在5米范围内也能正确对焦 $STaQ28C  
    FINAL              ! 在最后的变焦位置声明所需的物方参数 :<}=e@/~|  
                       >}+/{(K"E|  
    OBB 0 0.4666 90 ?VP8ycm  
    .Fdgb4>BXX  
    ZSPACE NONLIN 1.7  !其他变焦参数将被非线性地间隔在第一和最后一个 sBr_a5QQ#  
    APS 19             ! 把光阑放在最后一组的第一面 $0 vb^  
    DELAY OFF  o4|M0  
    GIHT 5 5 10        ! 所有变焦的图像高度为5毫米，权重为10 W[Ls|<Q  
    BACK 20 .1         ! 后焦是20毫米，会有变化。一个目标将被添上低权重的优化函数 6@rMtQfI  
    COLOR M            !  校正所有定义的波长 `DV.+>O-1  
    ANNEAL 50 10 Q     ! 退火，因为它在两种模式下都得到了优化 3AU;>D^5  
    QUICK 40 40        ! 快速模式下40次，真实模式下40次 _f$^%?^  
    ASTART 22 nih0t^m'  
    TSTART 12 ;7} VBkH  
    END M7pOLP_1jB  
    SPECIAL PANT r>o63Q:  
    CUL 1.75 `$ 6rz  
    FUL 1.75 '.:z&gSqx0  
    END 7pe\M/kl  
    n*2UnKaJ  
    SPECIAL AANT gt@m?w(  
    ACA 55 1 1         ! 监视器的光线要远离临界角. MF5[lK9e  
    AEC 2 1 1  |y(Q  
    ACM 4 1 1 k?+?v?I =  
    ACC 35 1 1 KV(Q;~8"X  
    LUL 600 .1 10 A TOTL vSEuk}pk  
    END ?l9XAW t\  
    GO                 ! 开始 ZSEARCH YNQY4\(  
    TIME               ! 查看运行时间有多长.
U/!TKic+  
E|iQc8gr&  
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。
[attachment=122604] 'uBu6G  
LY%WD%pL  
我们只校正了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。 MN\HDKN  
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。
[attachment=122603] a<^v(r  
o~`/_ +  
运行 ZSEARCH 产生的宏。 _852H$H\  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：CAM 15 SET
[attachment=122609] `sn^ysp  
s~^5kgPA  
运行变焦滑块，会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正，但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令：CAM 100
[attachment=122605] HiZ*+T.B  
IxY|>5z  
在这张图的左端数据变化最快，所以在这一区域，需要分配更多的变焦位置，来控制像差和焦点。 X% t1 T4  
输入以下命令：CAM 100 APERT
[attachment=122607] =;Au<|  
Te"ioU?.  
现在这个图与前面的图片比例不再相同。我们可以看到左边的变焦位置比右边的变焦位置靠得更近。命令如下 rC5 p-B%  
ZSPACE NONLIN 1.7 ]Sf]J4eQ  
在 ZSEARCH 文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。 Y]'Z7<U}*E  
现在镜头已经定义了15个变焦组，同样聚集在凸轮曲线的左边，因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的，只有7个变焦组是准确的。 0X6YdW_2X  
我们需要修改 ZSEARCH 的宏，原始的 ZSEARCH 宏如下：
[attachment=122608] xF!,IKlBBp  
OP[  @k  
为了简化操作，我们将删除除第一个变焦组之外的所有内容，并将其更改为 zoom group 的设置。这将在所有变焦组中进行如下操作，在三个视场中创建光线像差指令。
=$'6(aDH  
[attachment=122606] ]_f_w 9]  
)_HA>o_?C:  
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。
[attachment=122615] oB(?_No7  
u^^[Q2LDU}  
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。在命令窗口输入 CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 6m}Ev95  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。点击运行，再退火（33，2，50）
[attachment=122613] 3l rT3a3vV  
'j#*6xD  
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 @0Ic3C[rH6  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 +}Dw3;W}m  
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。
[attachment=122610] *#,7d"6W5  
IaSR;/  
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?
[attachment=122611] f,U.7E  
<sb~ ^B  
Yl Zso2  
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 ACC 50 1 1 - YEZ]:"  
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，所以在优化宏中添加一个新的命令: ADT 7 .1 1 ,0 M_ Bk"  
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。
[attachment=122611] WlOmJtt4)  
[attachment=122616] XWBA^|-N  
[attachment=122614] )1?y 8_B  
T6\[iJI|  
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：ZFOCUS 5000 4 90 5 Dj"F\j 1  
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 Z9v31)q(  
现在点击 PAD Scan 按钮，检查每个视场点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。 5'OrHk;u  
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:
[attachment=122617] b6,iZ+]  
/CrSu  
Kg{+T`  
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! }7b%HTF=  
打开 MRG 菜单(Menu, 真实玻璃)，选择光明材料库，点击 OK。像质得到了改善。
[attachment=122618] ROH|PKb7  
[attachment=122620] Ogqj?]2QC  
[attachment=122619] q`Go`v  
[attachment=122621] {5Q!Y&N.%  
S\CCrje  
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? ( >LF(ll  
这些玻璃材料，尤其是火石材料的玻璃，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： OAgniLv  
XCOLOR XY5K%dMU  
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透过率更差，如下图所示。
[attachment=122622] )HEa<P^kJl  
5?f ^Rz  
如果出现这种情况的黄色滤镜，则说明蓝光透过率低。 "BM#4  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? nGC/R&  
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。 A @i  
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。 _P!m%34|  
tR# OjkvX  
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