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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

Q)T+r~#2B  
课程四十七:一个30倍的变焦镜头 zv@bI~3~  
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。 b"&E,=L  
#!L%J<MX  
设计要求如下: 6+)x7g1PL  
1. 变焦30倍 X\mz+al>[  
2. 半视场角14° (M8h y4Ex  
3. 最后一面的半孔径为3mm 3t*#!^$  
4. 使用11个镜片 ,S0UY):(A  
5. 四组镜片,其中两组是用来变焦 Y-= /,   
6. 像高5mm o~k;D{Snr  
7. 后焦距20mm  ;b|  
8. 总长600mm UFIjW[h  
9. 物距从无穷远到5m 范围内对焦清晰 {!y<<u1  
ZSEARCH 输入如下: m\?\6W k  

  1. LOG                ! 以便日后追迹 *7_@7=W,  
    ON 98 @sdS 0pC  
    TIME               ! 来看看这次运行花了多长时间 EP(Eq  
    CORE 14 F0&O/-w&u  
    ZSEARCH 3 QUIET    ! 将结果保存在镜头库位置3 ^X^,>Z|  
    SYSTEM 5v+L';wx[T  
    ID ZSEARCH TEST WDvV LU`  
    OBB 0 14 3         ! 无限远物距,14度半视场,2.85毫米半孔径 !")WZq^`  
                       @C07k^j=U  
    UNI MM p&uCp7]U  
    WAVL CDF q#|r   
    END   M_; w %FV  
    GOALS q}e]*]dJZ  
    ZOOMS 7 cPJ7E  
    GROUPS 2 3 4 2     ! 镜头有四组,共11个元件 lU& Q^Zj`  
    ZGROUP 0 Z Z 0     ! 而第2组和第3组将可移动 w_GLC%|7  
    ZFOCUS 5000 4 90 5 ! 在5米范围内也能正确对焦 (Wn "3 ]  
    FINAL              ! 在最后的变焦位置声明所需的物方参数 ?jFc@t*\:  
                       Qj:{p5H'  
    OBB 0 0.4666 90 wM0E%6 P  
    .c03}RTC^  
    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 /xJY7yF  
    APS 19             ! 把光阑放在最后一组的第一面 boIVU`F-!  
    DELAY OFF ;!:F#gahv  
    GIHT 5 5 10        ! 所有变焦的图像高度为5毫米,权重为10 g/!Otgfu  
    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 t +J)dr  
    COLOR M            !  校正所有定义的波长 `[&v  
    ANNEAL 50 10 Q     ! 退火,因为它在两种模式下都得到了优化 juXC?2c  
    QUICK 40 40        ! 快速模式下40次,真实模式下40次 C?S~L5a#oC  
    ASTART 22 &jFKc0\i@  
    TSTART 12 E::<; 9  
    END 8| Sba<d  
    SPECIAL PANT \"t`W:  
    CUL 1.75 dhs#D:/{9  
    FUL 1.75 AsD1-$  
    END {aT92-D3  
    Okk hP  
    SPECIAL AANT dbg|V oNf  
    ACA 55 1 1         ! 监视器的光线要远离临界角. 5"[y FmP*  
    AEC 2 1 1 9X.gg$P  
    ACM 4 1 1 ')rD?Z9 ^  
    ACC 35 1 1 z}D#WWSxf  
    LUL 600 .1 10 A TOTL 3/:LYvM<  
    END FU'^n6[<B  
    GO                 ! 开始 ZSEARCH % 6"o8  
    TIME               ! 查看运行时间有多长.
ipfm'aQ  
[l`^fnKt  
运行这个宏一段时间后,我们得到了一个有潜力的初始结构。
[attachment=122604] jzT;,4poy  
+A&EKk%$ |  
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。 cj`#Tg.  
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] Gi;9 S  
<nf=SRZ  
运行 ZSEARCH 产生的宏。 Q.*'H_Y  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令:CAM 15 SET
[attachment=122609] 2Qw )-EB  
a pKa4nI  
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] Vvx a.B  
8xc8L1;  
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。 an pJAB:1  
输入以下命令:CAM 100 APERT
[attachment=122607] :~-)Sm+^  
}rFThI  
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  \\y}DNh  
ZSPACE NONLIN 1.7 2&suo!ig  
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。 (/To?`  
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。 u!m,ilAnd  
我们需要修改 ZSEARCH 的宏,原始的 ZSEARCH 宏如下:
[attachment=122608] 5?D1][  
zsHG= Ee*  
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。
H f!9`R[  
[attachment=122606] Jii?r*"d  
AECxd[k$9  
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] z<FV1niE  
sj#{TTW  
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 D >psh- ,1  
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] TJeou# =/  
QJ[(Y@ O6a  
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 07~pf}  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 kyp U&F  
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] /e;e\k_}'  
(YaOh^T:|  
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] "US" `a2  
i528e{&  
Y8x(#qp,  
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 *>?):-9"6N  
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 B]&Lh~Im  
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] Y*]l|)a6_]  
[attachment=122616] cq+nWHqF{J  
[attachment=122614] olUqBQ&ol  
azz#@f1  
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 :u[ oc.  
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 !7kAJG g  
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。 @n5;|`)\  
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] 6,CU)-98G  
i{%z  
XHwZ+=v  
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! ^bZ<9}  
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] bCJ<=X,g`K  
[attachment=122620] (cPeee%Q  
[attachment=122619] c,b`N0dOKL  
[attachment=122621] ==PQ-Ia  
Eg287B  
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? ]6?c8/M  
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: X_^_r{  
XCOLOR $1Q3Y'Q9  
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] uFA|r X  
FJ3:}r6 "  
如果出现这种情况的黄色滤镜,则说明蓝光透过率低。 ovo?lE-a0  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? 1FXzAc(c!  
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。 sWojQ-8}  
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。 2@=cqD7x  
KxgR5#:i"  

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