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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

.ta*M{t  
课程四十七：一个30倍的变焦镜头 bl-t>aO*.V  
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。 v}^ f8nVR  
-"X} )N2  
设计要求如下： o](nK5?  
1. 变焦30倍 f')3~)"  
2. 半视场角14° *N?y<U  
3. 最后一面的半孔径为3mm u9^R ?y  
4. 使用11个镜片 ^bckl tSo  
5. 四组镜片，其中两组是用来变焦 #zv'N  
6. 像高5mm wA>bLPTw  
7. 后焦距20mm bcy( ?(  
8. 总长600mm !Knv/:+  
9. 物距从无穷远到5m 范围内对焦清晰 ,O}2LaK.O  
ZSEARCH 输入如下: y1zep\-D  

复制代码
  1. LOG                ! 以便日后追迹 ^jMo?Zwy  
    ON 98 n\D3EP<s  
    TIME               ! 来看看这次运行花了多长时间 4!r> ^a  
    CORE 14 j[o5fr)L  
    ZSEARCH 3 QUIET    ! 将结果保存在镜头库位置3 t?j2Rw3f`I  
    SYSTEM gZ1|b  
    ID ZSEARCH TEST UZUG ?UUM  
    OBB 0 14 3         ! 无限远物距，14度半视场，2.85毫米半孔径 Q|W!m0XO  
                       m%?b"kxL[  
    UNI MM tXIre-. 2}  
    WAVL CDF C JNz J(  
    END   8!AMRE  
    GOALS j']Q-s(s  
    ZOOMS 7 4MOA}FZ~  
    GROUPS 2 3 4 2     ! 镜头有四组，共11个元件 oNV(C'A  
    ZGROUP 0 Z Z 0     ! 而第2组和第3组将可移动 (B zf~#]~  
    ZFOCUS 5000 4 90 5 ! 在5米范围内也能正确对焦 pY9>z;qD  
    FINAL              ! 在最后的变焦位置声明所需的物方参数 <AB.`["  
                       ^2PQ75V@.  
    OBB 0 0.4666 90 ^D0BGC&&  
    NR)[,b\v  
    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 ~-w  
    APS 19             ! 把光阑放在最后一组的第一面 XU#nqvS`.  
    DELAY OFF OWK)4[HY(  
    GIHT 5 5 10        ! 所有变焦的图像高度为5毫米，权重为10 7TQh'j   
    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 (dC<N3  
    COLOR M            !  校正所有定义的波长 3*gWcPGe  
    ANNEAL 50 10 Q     ! 退火，因为它在两种模式下都得到了优化 |KFWW  
    QUICK 40 40        ! 快速模式下40次，真实模式下40次 =w.#j-jR  
    ASTART 22 h;KI2k_^  
    TSTART 12 s `r  tr  
    END /z4xq'<  
    SPECIAL PANT VM3H&$d(h  
    CUL 1.75 ku'%+svD  
    FUL 1.75 Eu )7@  
    END 'g a1SbA]  
    6zLz<p?  
    SPECIAL AANT G\H@lFh  
    ACA 55 1 1         ! 监视器的光线要远离临界角. Ffm Q$>S  
    AEC 2 1 1 NoJo-vo*  
    ACM 4 1 1 `q exEk@S  
    ACC 35 1 1 lm&C!{K  
    LUL 600 .1 10 A TOTL 3A} n tA!  
    END #V8='qD  
    GO                 ! 开始 ZSEARCH S@7A)  
    TIME               ! 查看运行时间有多长.
r`cCHZo/V  
^U_B>0`ch  
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] 5hpb=2  
|"P5%k#6^>  
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。 o0wep&@  
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] CFZ= !s)B  
;<q@>p[  
运行 ZSEARCH 产生的宏。 ZF;S}1  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：CAM 15 SET
[attachment=122609] JPUDnPr  
 aG\m 3r  
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] hpXu3o7e  
L#u6_`XJ+  
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。 kQIWDN  
输入以下命令：CAM 100 APERT
[attachment=122607] zPV/{)S  
jVRd[  
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 U)p2PTfB  
ZSPACE NONLIN 1.7 `s:| 4;.  
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。 i%*x7zjY{  
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。 1}8e@`G0.]  
我们需要修改 ZSEARCH 的宏，原始的 ZSEARCH 宏如下：
[attachment=122608] CsSB'+&{  
O:7y-r0i  
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。
[1nI%/</>  
[attachment=122606] 5Cy)#Z{  
<tF]>(|M  
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] 2z[Pw0#V  
wOi>i`D&  
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 LwGcy1F.  
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] TTE#7\K~B  
jQ`"Op 3  
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 h'-TZXs0e1  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 C#I),LE|d{  
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] KH KqE6  
m'qMcCE  
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] yl'~H;su  
<O>Q;}>gfc  
2CxdNj  
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 ~4`wfOvO  
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 NOS5bm&-  
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] wqGZkFg1  
[attachment=122616] n)K6Z{x  
[attachment=122614] #^v5Eo  
Y*}Sq|y  
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 <m(nZ'Zqz2  
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 akqXh 9g  
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。 ;%jt;Xv9  
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] Xj-3C[ 8@  
"Z{^i3 gN  
{9l4 pT3  
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! ,Xh4(Gn#b  
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] _+;x 4K;  
[attachment=122620] _>`0!mG  
[attachment=122619] |;_ yAL  
[attachment=122621] So8P 8TCK  
f(_qcgXp  
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? U50X`J  
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： Z9sg6M@s  
XCOLOR p~mB;pZ%;  
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] wM&G-~9ujk  
isd[l-wAmf  
如果出现这种情况的黄色滤镜，则说明蓝光透过率低。 $o@?D^  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? 9/%|#b-z  
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。 0?:ZERv  
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。 OKU P  
w}1)am &pD  
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