变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 0^4Tem@ rTQrlQ:@ 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。 %1S;y 8^2Q ~{i 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。 qWdL|8 AFyf7^^k 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。 x5s Yo\ v. !L:1@I. [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。 :\>@yCD -B'<*Y
设计要求 )D Y?Y-n ]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: yy@g=<okt\ c&ymVB?G:1 I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) V|Smk;G I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 +eQg+@u 这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 uN2Ck jCkYzQUPz 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。 f/aSqhAW qh{hpX)\D 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。 ZJ1% ar }F^8Ku 确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: NLRgL'+F 7xqTTN6h
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 (X;D.s mGb,oj7l 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%。 7vZznN8e U*b1yxt 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。 4vC
{ G. DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 0@k)Cz[0; P`0}( '"U
[attachment=128669] [attachment=128673] v25]}9 /C }Ndknut, 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: yP.,Dh s ,ir(~g+{g
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 R1)v;^B|)
[attachment=128670] <'f+nC=2 VG'M=O{)3 运行搜索宏可以得到10个初始结构: 'GcN9D *Yj!f6 8
[attachment=128671] $DBJ"8n2 ei%L[>N 从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: sF[7pE
[attachment=128672] $}+t|`*q8] Z#+lwZD 设置光阑,优化之后,观察镜头结构,选择第3/4片为前变焦组,5/6/7片为后变焦组,光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15,然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 g$+ $@~ xvU@,bzz 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件,按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头,使其变成一个变焦镜头(以下为 ZFILE 宏指令)。 /{il;/Vj ] }&!fT\4
[attachment=128675] hhRUC&Y%V
[attachment=128674] 变焦优化 ()%NotN; eb10=Lmj 修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 ufq9+} O(pa;&"
[attachment=128677] 2z#gn9Wb ,X^I]] 输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 Qx<86aKkF `,~8(rIM
[attachment=128682] x`9IQQ rs`"Kz`( 得到结果: &RF*pU> A}"aH
[attachment=128679] [attachment=128681] \?EnTu. /fh[_!qN 插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。 |&wwH&<[z 再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: V[#eeH)/ uPh/u!
[attachment=128676] % XvJJ KF!?;q0J
像差分析 a>6@1liT
查看畸变 r" 4u)H>
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 T'8d|$X Ga,+
[attachment=128678] V\|V1c uz
U2)n3y 因此在优化宏中添加控制畸变的指令 $e#V^dph M 0 8 A P YA 1 Wy:xiP S GIHT LKX; ^ M 0 5 A P YA .7 _4^#VD#f MUL CONST 2 ^p7g[E& S GIHT VelR8tjP 从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: SyL:=NZ ;;f&aujSHD
[attachment=128680] dAba'|Y xr yXO( 优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 K."%PdC E=3UaYr 在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 K (px-jY ( :h#H[F
[attachment=128697] YZ\a#s,0 ~Y)h[ 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: glL.CkJ M 0.5 2 A M YMTF 1 72 BK*Bw,KQ< 专门优化这一条MTF。 <& |