变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 >KrI}>!9r
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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。 3<$Ek3X
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成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力，如 CCTV 监控镜头，红外探测镜头，摄影镜头，双筒望远镜等等，镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件，放大缩小或局部特写，这是一个定焦镜头所无法完成的。 /fT"WaTEK
SQK82 /
所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。 @B >D>B
iU 6,B
[由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 *Ts$Hj[
m"Mj3Z:
设计要求 Posz|u <x
]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： ]m 3c m
de W1>yh^_
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) 6?M/7 1
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 nD
eVY K
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 EL3X8H
5Q8 H8!^
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。 o#wly%i ')
Ir>4- @
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。 7=?!B#hm !
D^%IFwU^
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： M("sekL
^rq\kf*]
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
_(E Z
AeEdqX)
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%。 (,o@/ -o
LBD],Ba!
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。 hE=xS:6
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 T :{&e WH
gk xHf m
[attachment=128669] [attachment=128673] _p: n\9k
|X>'W" Mn
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： *\'t$se+
Wu{_QuAB
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 Ip7#${f5M
[attachment=128670] LRu*%3xx
CQ6 I4k
运行搜索宏可以得到10个初始结构： Yu" Q
Yn [
F:Z
[attachment=128671] 3\P*"65
?'f
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: s/hW haS<
7:LEf"vRZ
[attachment=128672] 9kWI2cLzQt
b6k_u9m ^E
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。 KZg2`8F
?+ d{Rh) y
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）。 O6?{@l
] <FBH;} ]
[attachment=128675] VS ECD;u4c
[attachment=128674] 变焦优化 ,h1\PT9ULY
p : z ][I
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。 q
6UZ`9&z
en{p<]H
[attachment=128677] |(W wh$
$#n9C79Z@
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 %E @o8
XYP
RMa?
[attachment=128682] KxKZC }4m
\PT!mbB?
得到结果： &uE )Vr4 R
GFPrK9T
[attachment=128679] [attachment=128681] M x, 5
C TG^lms
插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。 Ww 8U{f
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： '+$r7?dKP
+ pT;;
9
[attachment=128676] p<dw C"z
4$vUD1('
像差分析 4.,|vtp
查看畸变 "2C}Pr ,p8
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。 N VkYm+J#
vA:ZR=)F
[attachment=128678] ->51t
m=E/um[D
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 Xp<O
M 0 8 A P YA 1 PtUS7[]
S GIHT JE:LA+ (
M 0 5 A P YA .7 r]xN&Ne5Q
MUL CONST 2 xzY/$?
S GIHT S6 bYd`
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： Ygg+=@].@
(T2HUmkQ6
[attachment=128680] rN#9p+t$
c%,ky$'18
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 NMw5ixl
"'``O~08/
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 \2El>>
bt1 bTo
[attachment=128697] @+M1M 2@Xz
]6v7iuvI
优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令： :n~Mg{j3
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 Z-CA9&4Uh
专门优化这一条MTF。 t OnOzD
* wqR .n?
[attachment=128699] Yy/,I]F
_+)OL-
优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。 .Gr"| uII
7W},5c
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 R$}Hv
)N^fSenFBn
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 [8tpU &J
再进行优化退火，50，2，50 )2W7>PY
p[WlcbBwT
[attachment=128684] 4?(=?0/[
A6_ER&9$>N
得到最终结构： ?T%"Jgy8
F\ ;l)
[attachment=128683] {s*1QBM$\Z
w H=7pS"s
各个像质结果： _z]v;Q
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm mg70%=qM0f
fOSJdX0e|Q
变焦位置1： L28wT)D-
v%`k*n ':
[attachment=128685] ;H%'K
基本参数 变焦位置1： 9(=+OQ6
B[w. 8e5
[attachment=128686] \N? lG q
#>C Wee;
变焦位置8： Zg= {
HWou&<EK
[attachment=128692] &BKnJ {,H
畸变 ):=8w.yC
s &W E'
变焦位置1： x` wUi*G
OHngpe4
[attachment=128687] k p?_ir
k+@ :+ RL
变焦位置8： I )% bOK]
I)3LJK
[attachment=128689] ZW;Re5?DJ
MTF
S[8n GH#m
0 >(hiT y<
变焦位置1： Q R dtr
T 9}dgf
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 '|tmmoY6a:
i-95>ff
变焦位置8： 6] !Jo)BF
HsG3s? *
[attachment=128690] 0"sZP \<p
@O6
2} F
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。 tC+1 1M
gz:US 77
相对照度 ? v+el,
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 .)t*!$5=N
变焦位置1： #x6w M~
y i-)4#YN
[attachment=128691] [attachment=128694] ! v%%_sRV
HR'F
变焦位置8： [m<8SOMG(
+OI nf_O
[attachment=128693] [attachment=128698] &xC5Mecb*
主光线角度 ncR ]@8
远心度都在1°以内 C2hB7?UGN
变焦位置1： >#;>6q9_
K9RRY,JB
[attachment=128695] dHn,;Vv^6
y?*Y=,"
变焦位置8： )5diX
+
k
[;C*9Nl
[attachment=128696] N40DL_-
总结： -?)z@Lc
QcdAg%"yy
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。 Jjx 1`S*i
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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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