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小火龙果 2024-05-18 22:36

变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课

概论 qTc-Z5  
(gW#T\Eln  
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。 Gy}WZ9{  
-u)f@e  
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。 Zo$ ,{rl  
l0Rjq*5hJ  
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。 fny|^F]w  
Y9V%eFY5E  
[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。 K"Vo'9R[_  
D{'>G@nLQ  
设计要求
WX.6|  
]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: `^ FAD   
d^uE4F}  
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) x=-dv8N?  
I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 R1't W=  
这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 Qm9r>m6p@N  
X}jWNN  
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。 #63)I9>  
<'(O0  
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。 T''PzY!Qf  
4pU|BL\j  
确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: GJTKqr|1O  
+]?/c>M  
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
sA^_I6>M"  
87&BF)]  
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%。 + t%[$"$  
^7b[s pqE  
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。 |76G#K~<X  
DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 op!ft/Yyb  
jVW .=FK  
[attachment=128669]
[attachment=128673]
0EWov~Y?  
&P2tzY'  
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: ;Gf,I1d}{  
W~" 'a9H/  
搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
+V2\hq[{  
[attachment=128670]
WA'4y\N  
!V%h0OE\  
运行搜索宏可以得到10个初始结构: a"ct"g=  
b\{34z,  
[attachment=128671]
,=Q;@Z4 vJ  
.( )rb y  
从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: mZ%"""X\Ei  
%R?B=W7 ;Q  
[attachment=128672]
^4G%*-   
Re[x$rw  
设置光阑,优化之后,观察镜头结构,选择第3/4片为前变焦组,5/6/7片为后变焦组,光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15,然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 eT!*_.' e  
blVt:XS{,m  
设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件,按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头,使其变成一个变焦镜头(以下为 ZFILE 宏指令)。 ;FQ<4PR$  
] k U75  
[attachment=128675]
Q4;%[7LU  
[attachment=128674]
变焦优化
0fOx&"UAB  
HQ187IwpTm  
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。 < bvbfS  
|qOoL*z  
[attachment=128677]
s%cfJe_k  
_ ^2\/@  
输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 {fd/:B 7T  
^X?D4a|;#g  
[attachment=128682]
cr wui8  
;#i$5L!*B  
得到结果: yG v7^d  
fen~k#|l  
[attachment=128679]
[attachment=128681]
CjQ)Bu *4  
pYRqV  
插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。 },]G +L;R  
再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: e> zv+9'Q  
^Rpy5/d  
[attachment=128676]
~[N"Q|D3Y  
uc~/l4~N  
像差分析
z+5ZUS2~&  
查看畸变
,P>xpfdK  
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 RV=Z$  
$n><p>`  
[attachment=128678]
?'8(']/  
bb4 `s0  
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 n5NwiSE  
M 0 8 A P YA 1 #/,WgsAC  
S GIHT =xs"<Q*w>  
M 0 5 A P YA .7 pzcl@  
MUL CONST 2 uHQf<R$:  
S GIHT cWU9mzsE  
从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: h>a/3a$g  
xwJ. cy  
[attachment=128680]
G u4mP  
pYBY"r  
优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 Cu $mb}@  
o,q47W=7$  
在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 L|`(u  
LkwjEJQf  
[attachment=128697]
@ L=dcO{r  
ll^#I/  
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: }o:sU^Pwa  
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 vmGGdj5aI  
专门优化这一条MTF。 AzZb0wW6p  
+ FG Xx  
[attachment=128699]
 %>z)Q  
,7/F?!G!J  
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。 `Ei:Z%@7C  
pIhy3@bY  
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 S)\Yc=~h  
45(n!"u65  
优化宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
\s@7pM=(  
再进行优化退火,50,2,50 ?.~hex#M@  
y?-zQs0  
[attachment=128684]
it)!-[:bm  
LD gGVl  
得到最终结构: >g+e`!;6  
mzbMX <  
[attachment=128683]
x!`~+f.6  
#\T5r*W  
各个像质结果: + d289"  
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm }{SpV  
nsjrzO79L8  
变焦位置1: Y7GHIzX  
G9AQIU%ii  
[attachment=128685]
=}1m.  
基本参数
变焦位置1: 1$RUhxT  
*t_JR  
[attachment=128686]
W&s@2y?rF  
pRc<U^Z.h  
变焦位置8: +'ADN!(B_  
x*a^msY%  
[attachment=128692]
    )k6O  
畸变
*R_mvJlT  
~ \3j{pr  
变焦位置1: "bmWr)  
S7kZpD $  
[attachment=128687]
%<rV~9:  
UC*\3:>'n  
变焦位置8: Z9p`78kYyh  
=g^k$ Rc  
[attachment=128689]
   +sm9H"_0  
MTF
_J ZlXY  
PlC8&$   
变焦位置1: H+?@LPV*N  
 ?@iGECll  
[attachment=128688]
已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 lEr_4!h$rZ  
586lN22xM  
变焦位置8: !K8V":1du#  
@mm~i~~KA  
[attachment=128690]
b Sm*/Q  
?3; 0 SAh  
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 0`~#H1TK  
S*Hv2sl  
相对照度
MzpDvnI9  
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 ?:c:D5N  
变焦位置1: th]pqhl>  
p`T,VU&.  
[attachment=128691]
[attachment=128694]
8iXt8XY3  
0oNy  
变焦位置8: 5169E*  
b6ui&Y8z  
[attachment=128693]
[attachment=128698]
   ]`T*}$|  
主光线角度
0s o27k  
远心度都在1°以内 @z<IsAE  
变焦位置1: 4Tn97G7  
TBu[3X%  
[attachment=128695]
} U_z XuUz  
?a{es!  
变焦位置8: |L%d^m  
*^s^{0Ad  
[attachment=128696]
   x>eV$UJ  
总结: ]h 4r@L3  
BU=;rz!;  
该变焦投影镜头所有指标已经基本满足要求,使用了13 片球面透镜加保护玻璃。对于片数比较多但变倍比比较小的变焦镜头,直接用 ZSEARCH 搜索花的时间太长或者搜不出好的结果,可以先用 DSEARCH 搜索一个变焦位置的结构,然后用 ZFILE 把它变为变焦镜头再优化。 *sYvV,  
p$!Q?&AV/  
好了,本节课到此完毕,期待与您的再次相遇,下周见!  
hello2024 2024-05-18 23:34
变焦投影镜头设计
zyx110zyx 2024-10-03 22:38
学习一下
pls24 2025-02-26 14:08
谢谢楼主分享。。!
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