变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 B_1u<00kg ,l"2MXD 成像镜头包括定焦镜头和变焦镜头,我们在日常生活中使用的光学系统大多是可以变焦的,比如手机镜头、专业相机的镜头、显微镜等。 6@361f[ e=$xn3)McY 成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力,如 CCTV 监控镜头,红外探测镜头,摄影镜头,双筒望远镜等等,镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件,放大缩小或局部特写,这是一个定焦镜头所无法完成的。 )O'<jwp$ D($UbT-v 所谓变焦,即镜头的焦距在一定范围可调节,通过改变焦距从而改变系统视场大小,达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头,即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围,因此非常利于画面构图。 66;O 3g' Q|r1. [由于一个系统的焦距在某一范围可变,相当于由无数多个定焦系统组成的,在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 `{[C4]Ew/ rkXSygb
设计要求 EnAw8Gm* ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度,镜头的焦距会随之变化,通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面:CCD 或COMS 或其它探测面),在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系:
$VNn`0^gF 'GT`%c k I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) 7i\[Q8f I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 IKj1{nZvDc 这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 k !r z8S" 0{uX2h 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 }z:=b8} 2)]*re) 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 ?Cl"jcQ* @K>Pw arl 确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: bm|8Jbsb& wN.Jyb
光学参数: Optical system parameters Values Spectral region/nm 420-650 Focus/mm 25-32 FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96 Image size/mm 15.4×9.6 F/# 2.4 Telecentricity/(°) <1 KL{uhb0f "aH]4DO 像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 )8PL7P84 o*8 pM`uw 因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 EPfVS DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 C*zdHzMj I#%-A
[attachment=128669] [attachment=128673] n\,W:G9AR7 j(N9%/4u 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: Q4 S8NqE U{m:{'np(H
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 ;trR'~
[attachment=128670] 1EB`6_>y [Y+bW#' 运行搜索宏可以得到10个初始结构: `UPmr50Wq HX^
P9jXT
[attachment=128671] 1k(*o.6 \`&fr+x 从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: rZ7 Ihof =@ RVLml
[attachment=128672] Er`PYE
J K>~l6 设置光阑,优化之后,观察镜头结构,选择第3/4片为前变焦组,5/6/7片为后变焦组,光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15,然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 y+<HS]vyV jiDYPYx;I 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件,按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头,使其变成一个变焦镜头(以下为 ZFILE 宏指令)。 oyY,uB.| ] %hh8\5l.:
[attachment=128675] \Ld7fP
[attachment=128674] 变焦优化 %kT:"j(xW :}-[%LSV 修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 G@2M&0' 9IMcp~zX
[attachment=128677] ;2~Q97c0 pe-d7Ou
P 输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 8V=o%[t 7y3; F7V
[attachment=128682] z~al
h?H d29HEu 得到结果: N4pA3~P 3&
$E
[attachment=128679] [attachment=128681] ~gD'up@$/ AseY.0 插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。 .[!
^L 再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: ?CC6/bE-{ U ;/ )V
[attachment=128676] Z:{Z&HQC W*2SlS7
像差分析 L
$~Id
查看畸变 l/5/|UE9
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 ]SI`fja/ bYfcn]N
[attachment=128678] [iD!!{6+ Fk\xq`3'c 因此在优化宏中添加控制畸变的指令 TV}SKvu M 0 8 A P YA 1 m,b<b91 S GIHT ?5D7n"jY M 0 5 A P YA .7 ()Z$j,2 MUL CONST 2 w~`P\i@ S GIHT ZJqmD 从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: w,&RHQB G[mYx[BTz
[attachment=128680] ^AN9m]P x8^Dhpr6 优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 &}oDSD
H^, |N*>K a; 在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 q)/4i9
PSE![whK
[attachment=128697] 5BZ5Gl3 c=5$bo]LI 优化后,发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令: Wd7*sa3T M 0.5 2 A M YMTF 1 72
Z-:`{dns/ 专门优化这一条MTF。 _Cxs"to *QLbrR
[attachment=128699] iR9iI!+;N -(jcsqDk 优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。 {_Y\Y 'oTF$3n 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 V\_
&2',t m{g{"=}YR
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 <MYD`,$yu 再进行优化退火,50,2,50 nm)F tX|A l"+=z.l6;
[attachment=128684] tP\Utl-0 8WvT0q>] 得到最终结构: !`u)&.t7 ,T]okN5uI
[attachment=128683] NH{0KZ
R MKbW^: 各个像质结果: YRK4l\_` RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm 0@
-LV:jU o,29C7Ii 变焦位置1: 0P|WoCX
76
y}1aa
[attachment=128685] uB%`Bx'OW
基本参数 变焦位置1: wm}i+ApK j9Lc2'
[attachment=128686] de"*<+ j,~h:MT 变焦位置8: )T^hyi$ xHf
l>C'
[attachment=128692] *_ "j"{
畸变 !Ed';yfz\( t({:TQ 变焦位置1: ?g!)[p`v qp7>_B
[attachment=128687] _ZJP]5 B"G;"X 变焦位置8: O%)w!0 MQhL>oQ
[attachment=128689] #q%&,;4
MTF Ef#%4ky uoF9&j5E@Z 变焦位置1: .7oz ]]Wa.P~]O
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 _KKG^
u< NbSwn}e_ 变焦位置8: N/Z<v* i" 8NpQ"0X
[attachment=128690] 5{{u #W%= )jnxR${M 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 n]|[|Rf1 4-sUy
相对照度 q$K^E
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 Pj^6.f+ 变焦位置1: Ur_~yX]Mo oM J5;
[attachment=128691] [attachment=128694] H1+G:TM kFeuKSa^d 变焦位置8: d]CRvzW PX+$Us
[attachment=128693] [attachment=128698] KN5.2pp
主光线角度 )abo5
远心度都在1°以内 zDC-PHFHQ 变焦位置1: o: qB#8X w_6h
$"^x
[attachment=128695]
dY|( jytfGE: 变焦位置8: D/rKqPp|! ,myl9s
[attachment=128696] uS3J^=>@(a 总结: Y!}BmRLh2 $kg!XT{V 该变焦投影镜头所有指标已经基本满足要求,使用了13 片球面透镜加保护玻璃。对于片数比较多但变倍比比较小的变焦镜头,直接用 ZSEARCH 搜索花的时间太长或者搜不出好的结果,可以先用 DSEARCH 搜索一个变焦位置的结构,然后用 ZFILE 把它变为变焦镜头再优化。 _.zW[;84b
R:-^,/1 好了,本节课到此完毕,期待与您的再次相遇,下周见!
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