SYNOPSYS 光学设计软件课程四十七：一个30倍的变焦镜头
/'a\$G"%6
课程四十七：一个30倍的变焦镜头 ^c ]c`w
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。 4rLc]
>
"*LQr~k~}
设计要求如下： SUDvKP
1. 变焦30倍 4\E1M[ 6
2. 半视场角14° [jR >.H'
3. 最后一面的半孔径为3mm NG8 F'=<
4. 使用11个镜片 K;ocs?rk /
5. 四组镜片，其中两组是用来变焦 uD\rmO{
6. 像高5mm =I0J1Ob
7. 后焦距20mm 3el/,v|qj
8. 总长600mm qr (t_qR&
9. 物距从无穷远到5m 范围内对焦清晰 ! u@JH`
ZSEARCH 输入如下: S$=caZ?
- LOG ! 以便日后追迹 \]0#jI/:
ON 98 PJT$9f~3;.
TIME ! 来看看这次运行花了多长时间 #&b<D2d
CORE 14 R*?!xD J
ZSEARCH 3 QUIET ! 将结果保存在镜头库位置3 rZ&li/Z
SYSTEM W fHa
ID ZSEARCH TEST hka%!W5
OBB 0 14 3 ! 无限远物距，14度半视场，2.85毫米半孔径 oB(9{6@N
.kTOG'K\ e
UNI MM 7x]q>Y8T
WAVL CDF {v"Y!/
[z
END ,$ Cr9R&/
GOALS y@SI )&D
ZOOMS 7 b7y#uL1 AE
GROUPS 2 3 4 2 ! 镜头有四组，共11个元件 N2 t`
ZGROUP 0 Z Z 0 ! 而第2组和第3组将可移动 y g6o#;
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! 在5米范围内也能正确对焦 x iV!\Z}
FINAL ! 在最后的变焦位置声明所需的物方参数 x)pR^t7u8
p
+nh]
OBB 0 0.4666 90 " ZL_
G#~U\QlG-
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 $b[Ha{9(v
APS 19 ! 把光阑放在最后一组的第一面 uPC(|U%
DELAY OFF Tz~a. h@
GIHT 5 5 10 ! 所有变焦的图像高度为5毫米，权重为10 Q!r &vQ/g
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 [{>3"XJ'
COLOR M ! 校正所有定义的波长 X3] [C
ANNEAL 50 10 Q ! 退火，因为它在两种模式下都得到了优化 QQ=Kj%R
QUICK 40 40 ! 快速模式下40次，真实模式下40次 $1FnjL5u
ASTART 22 $3g M P+
TSTART 12 "YAnGGx)LZ
END %{Obh j;c
SPECIAL PANT }= B~n0
CUL 1.75 ~~O4!|t
FUL 1.75 '-mzt~zGOY
END ,M:[GuXD<
JmeE}:5lpj
SPECIAL AANT 1!yd(p=cL
ACA 55 1 1 ! 监视器的光线要远离临界角. aPRMpY-YC3
AEC 2 1 1 S;u.Ds&
ACM 4 1 1 B)/c]"@89
ACC 35 1 1 omznSL
LUL 600 .1 10 A TOTL \6bvk _
END +_25E.>ml
GO ! 开始 ZSEARCH JDW/Mc1bh
TIME ! 查看运行时间有多长.
H?FiZy *[Y
运行这个宏一段时间后，我们得到了一个有潜力的初始结构。[attachment=122604] ?2R!n" m-d
lANi$
:aE
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。 C+>mehDC_G
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'Z!l20_
9g#
62oIg
运行 ZSEARCH 产生的宏。 Vk*XiEfKm>
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：CAM 15 SET[attachment=122609] &kn?=NW
?NvE9+n
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] t c{l?7 P
m 2/S(f
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。 j&U7xv
输入以下命令：CAM 100 APERT[attachment=122607] 4>2\ {0r
-x:7K\=$SX
现在这个图与前面的图片比例不再相同。我们可以看到左边的变焦位置比右边的变焦位置靠得更近。命令如下 \t`Vq JLyu
ZSPACE NONLIN 1.7 }x& X vI
在 ZSEARCH 文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。 lHPnAaue@
现在镜头已经定义了15个变焦组，同样聚集在凸轮曲线的左边，因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的，只有7个变焦组是准确的。 rP,|
我们需要修改 ZSEARCH 的宏，原始的 ZSEARCH 宏如下：[attachment=122608] /D yig
K4H 27SH
为了简化操作，我们将删除除第一个变焦组之外的所有内容，并将其更改为 zoom group 的设置。这将在所有变焦组中进行如下操作，在三个视场中创建光线像差指令。 4sX? O4p
[attachment=122606] _zzT[}
IWm@pfC+g
该程序还向 AANT 文件中添加了 ZFOCUS 命令，然后是另一组变焦设置，我们再次用单个 ZGROUP ALL 命令替换它们。该部分更改物距参数，将第一组移动90毫米，并在所有已定义的变焦组中再次纠正像质。请注意，END 命令将会关闭 ZGROUP 文件，另一个 END 命令将会关闭文件 AANT 部分。[attachment=122615] *M$mAy<
`Y+ R9bd
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 Dx=RL iU9
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] 0M)\([W9&
6
8fnh'I!
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 tOte[~,
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 VKfpk^rU
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] hN*v|LFf1
[O} D^qp
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] w~+\Mf z
65VTKlDD
}eI9me@Aa
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$2R(;
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 S,ud pQ7
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] j^v<rCzc (
[attachment=122616] LNrM`3%2-
[attachment=122614] "=KFag
I[gPW7&S@
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 XD?]+
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 ]&B/rSC
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。 9~2iA,xs
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] $ %|b6Gr/&
$P)-o?eer
t/ %[U,m
现在该程序将对凸轮曲线使用分段三次拟合(而不是目前默认使用的幂级数多项式)，并将调整第二组的变焦位置，以保持在所有变焦时近轴离焦的平稳过渡。再次运行变焦滑块，焦点处在正确的位置上! U%Hcc k'
打开 MRG 菜单(Menu, 真实玻璃)，选择光明材料库，点击 OK。像质得到了改善。[attachment=122618] ;4 9sou
[attachment=122620] ydRS\l
[attachment=122619] ;j[gE
[attachment=122621] .wTb/ x
xRO9o3
在本课中，我们需要多次调整参数运行，直到得到满意的结果为止。例如，上面显示的 ZSEARCH 输入包含 CUL 和 FUL 命令，以限制玻璃模型变量允许的最高折射率。在这种情况下，我们限制它们为1.75。但也有其他玻璃品种的折射率高达1.9。为什么不用这些材料呢? F&^&"(H}
这些玻璃材料，尤其是火石材料的玻璃，比折射率较低的玻璃更容易吸收蓝光。如果这款镜头是用于空中侦察任务，经常会添加一个黄色滤镜来透过雾霾，那么高折射率的材料将是首选，因为这样可以更好的校正像差，而蓝光则不重要。输入以下命令： qF-Fc q
XCOLOR U#sv.r/L}3
看看什么颜色的光线能通过镜头，你可以查看下面左边的图片。让折射率上升到1.9，重复整个过程，我们得到了更好的分辨率镜头，但是蓝色波长的光的透过率更差，如下图所示。[attachment=122622] aqI m W
WX`wz>KK^
如果出现这种情况的黄色滤镜，则说明蓝光透过率低。 d_f*'M2Gv
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? ME$J?3r
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。 wr (*RI"
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。 O3d Qno
jq _4x[
|