变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 ?_i >Kx
^'0N%`bY!
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。 d?T!)w
7HBf^N.
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。 5l
3PA G
V5z2.} 'o-
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。 7XK0vKmW3
eNK[P= -
[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。 o3/o2[s
V<J1.8H
设计要求 6UuN-7z!"
]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： X<$Tn60,
@$ Zh^+x!
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) w9G|)UDib
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 4,z|hY_*t
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 d#a/J.Z$A
d \l{tmte
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。 $3G^ }A"
_huJ*W7lR
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。 TZ5TkE;1
ZBK0`7#&EH
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： \&hq $
"!V`_ S;
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 8qg%>ZU4d
( .cA'f?h
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%。 0Eb4wupo
A}(]J!rc
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。 $|- Lw!)D
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 = IRot
!SW0iq[7j
[attachment=128669] [attachment=128673] 4d5c ]%
fq6Obh=A#
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： `}l%61n0
$G9LaD#;M
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 /D HgwpJ
[attachment=128670] mG&A_/e!9
.i RKuBM/
运行搜索宏可以得到10个初始结构： Op ar+|p\
4@@Sh`E:
[attachment=128671] S > ~f.
e=OHO,74z"
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: FT- .gi0
>nghFm
[attachment=128672] ?f"5yQ-B
w5HIR/kP
设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 YQ G< Q
n9+33^ PT
设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。 SWV*w[X<X
] ju{Y6XJ)
[attachment=128675] PlzM `g$A
[attachment=128674] 变焦优化 =#V ^t$
uGMzU&+
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。 noxJr/A]
= UH3.
[attachment=128677] kWXLn cE
UPuoIfuqI
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 #u hUZ q
T?pS2I~
[attachment=128682] XGx[Ny_A2
:snO*Zg
得到结果： (SBhU:^h
p0@ ^1
[attachment=128679] [attachment=128681] ."$t &[;s
7y'uZAF
插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。 JI5o~; }m
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： AEyvljv
@L3 XBV2
[attachment=128676] z% wh|q
4nsJZo#S/
像差分析 ?R)]D:`
查看畸变 R@o&c%K"
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。 G\@pg;0|y
h !^=
c
[attachment=128678] a `R%\@1
Jl/w P
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 puC91
M 0 8 A P YA 1 [SPx
S GIHT O(T5
M 0 5 A P YA .7 U] LDi8
MUL CONST 2 Nc:s+ o
S GIHT |THpkfW
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： UT<e /
u:l-qD9=(
[attachment=128680] /|0-O''
jc5[r;#
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 M R#*/ Iw~
hYW9a`Ht/
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 928_e)V
Fv$tl)p*
[attachment=128697] UkL1h7}a\
u R0UfKK
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： OIcXelS:@k
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 2d&F<J<sU
专门优化这一条MTF。 0pZvW
^D+J
k8
[attachment=128699] K zWo}tT
>+2&7u
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。 C96/
_ \D %
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 /I%z 7f91O
3Ua?^2l
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 \9?[|m
z
再进行优化退火，50，2，50 4b;Mb
<tr]bCu}
[attachment=128684] 7r:h_r-
2 JfSi2T
得到最终结构： WK{`_c
U^
^tB 1Nu %
[attachment=128683] q/i2o[f'n
s3 >a
各个像质结果： H"A%mrb
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm y9:4n1fg
=X$ ieXq|
变焦位置1： >US*7m }
H [=\_X1o(
[attachment=128685] Y}?8
基本参数 变焦位置1： KkJqqO"EL
]VI^ hhf
[attachment=128686] 4EB\R"rWXf
@*6fEG{,q
变焦位置8： 4E$MhP
/5@YZ?|#2
[attachment=128692] ( @?mm
畸变 +,Eam6g{
384n1?
变焦位置1： FQZ*i\G>>
WTSh#L
[attachment=128687] 2b"*~O;
`[/#, *\
变焦位置8： n$i X6Cd
5zl+ M`
[attachment=128689] &jqaW 2
MTF =*\s`ox`
n:@!vV
变焦位置1： }3Es&p$9
eaw!5]huu
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 ]Ry9{:
&YhAB\Rw
变焦位置8： o@meogkL
1By tu >2
[attachment=128690] (v]%kXy/G
y{<e4{
!
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 VPMu)1={:p
`+H=3`}X
相对照度 1T^WMn:U
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 Wg NA%.|,
变焦位置1： FYAEM!dyy
wuqe{?
[attachment=128691] [attachment=128694] #6 M] tr
u6|C3 ,!z"
变焦位置8： *^?tr?e%I<
\/
bd
[attachment=128693] [attachment=128698] {R1]tGOf
主光线角度 ~ D52b1f
远心度都在1°以内 eg[EFI.h
变焦位置1： w kg4I .
[|nK 5( e9
[attachment=128695] bt}8ymcG
+B ? qx
Q
变焦位置8： ?ANW I8'_j
ghQ B
[attachment=128696]
@|gG3
总结： fc#9e9R
oW^b,{~V
该变焦投影镜头所有指标已经基本满足要求，使用了13 片球面透镜加保护玻璃。对于片数比较多但变倍比比较小的变焦镜头，直接用 ZSEARCH 搜索花的时间太长或者搜不出好的结果，可以先用 DSEARCH 搜索一个变焦位置的结构，然后用 ZFILE 把它变为变焦镜头再优化。 Jqoo&T")
JE.$]){
好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
|
