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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 )pJzw-m"  
<[*s%9)'9  
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。 2>mDT  
YVzK$k'3U  
成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力,如 CCTV 监控镜头,红外探测镜头,摄影镜头,双筒望远镜等等,镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件,放大缩小或局部特写,这是一个定焦镜头所无法完成的。 H7WKnn@  
M@.1P<:h  
所谓变焦,即镜头的焦距在一定范围可调节,通过改变焦距从而改变系统视场大小,达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头,即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围,因此非常利于画面构图。 }=++Lr4*  
>q}EZC  
[由于一个系统的焦距在某一范围可变,相当于由无数多个定焦系统组成的,在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 "C>KKs }  
c~cYNW:  
设计要求
Pai{?<zGi  
]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度,镜头的焦距会随之变化,通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面:CCD 或COMS 或其它探测面),在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系: }[1I_)  
P5Fm<f8\  
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) 7oUYRqd  
I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 PR Y)hb;1  
这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 *Owq_)_ (|  
OUD<+i,  
变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 .NabK  
&u8BGMl2  
通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 _M 7AQ5  
+* &!u=%G  
确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: 3ZC[H'|  
=U?"#   
光学参数:
Optical system parameters  Values
Spectral region/nm   420-650
Focus/mm    25-32
FOV/(°)    30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm   15.4×9.6
F/#    2.4
Telecentricity/(°)   <1
5}1cNp6@  
o rEo$e<  
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%。 H>VuUH|  
QkA79%;j  
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。 [z?q -$#  
DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 jA6:-Gz  
K'y;j~`-  
[attachment=128669]
[attachment=128673]
*@/! h2  
$g*|h G/{  
以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: CFVe0!\  
I'C{=?  
搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
{>Zc#U'  
[attachment=128670]
7Rq;V=2YV  
BK,= (;d3  
运行搜索宏可以得到10个初始结构: D=e&"V a  
^>[Z~G($  
[attachment=128671]
R}*e%EG/  
^;N +"oq!y  
从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: 2 rne=L  
.0nL; o  
[attachment=128672]
n pBpYtG  
Qb6s]QZEV  
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。 m"NZ;*d'  
9"oc.ue.2D  
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)。 OLlNCb#t  
] <kt,aMw[*  
[attachment=128675]
z6$W@-Vd  
[attachment=128674]
变焦优化
:FB#,AOa_  
?> }bg  
修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 C;M.dd  
_a^%V9t  
[attachment=128677]
nRJcYl~ Y  
nJlrBf_Kj  
输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 J6Cw1Pi  
o`7Bvh2  
[attachment=128682]
h0L *8P`t  
[P407Sa"  
得到结果: 7$k[cL1  
_da>=^hFJ  
[attachment=128679]
[attachment=128681]
s7#w5fe  
1W;q(#q  
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。 )EcE{!H6+  
再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: )k{zRq:d  
Q&rpW:^v  
[attachment=128676]
Q >] v?4  
" 8>*O;xk  
像差分析
kT t;3Ia  
查看畸变
ANZD7v6a  
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。 1 ^TOTY  
+ v{<<  
[attachment=128678]
aHvTbpJ  
\E5%.KR  
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 L]I)E` s  
M 0 8 A P YA 1 QG$LbuZ`  
S GIHT s8Xort&   
M 0 5 A P YA .7 .A//Q|ot!  
MUL CONST 2 I6ffp!^}Y  
S GIHT /{#1w\  
从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: 9K-=2hvv  
i!@L`h!rw  
[attachment=128680]
B0T[[%~3M  
[/.o>R#J(  
优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 % V/J6  
3V>2N)3`A  
在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 +pURF&Pr  
v `9IS+Z  
[attachment=128697]
"9:1>Gr{G  
OB FG!.)  
优化后,发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令: sluR @[l  
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 Ew~piuj  
专门优化这一条MTF。 CA, &R <]  
RoFy2A=_  
[attachment=128699]
>vF=}1_L  
r~N0P|Tq  
优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。 c&vY0/ [  
GSj04-T"  
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 |#fqHON  
nSdta'6  
优化宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
 Gqvj  
再进行优化退火,50,2,50 8p p^ w  
`Hld#+R  
[attachment=128684]
#Y6'Q8g f  
 K6d9[;F  
得到最终结构: N,6(|,m  
{p@uH<)  
[attachment=128683]
[x Xa3W  
O+~.p  
各个像质结果: #&a-m,Y$sx  
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm bq{":[a  
_7Z|=)  
变焦位置1: Pi7vuOJr8  
vs}_1o  
[attachment=128685]
+MU|XT_5|6  
基本参数
变焦位置1: (lBgW z  
Exd$v"s Y  
[attachment=128686]
g(){wCI  
%QH "x`;  
变焦位置8: Yz4)Q1  
uH 1%diL^  
[attachment=128692]
   7.@$D;L9  
畸变
0EiURVX  
t ' _Au8  
变焦位置1: ~7a(KJgvd"  
{YnR]|0&  
[attachment=128687]
F=)9z+l#  
*;b.x"  
变焦位置8: xrb %-vT  
8G@Ie  
[attachment=128689]
   FaS}$-0  
MTF
[^sv.  
v%N/mL+5L  
变焦位置1: Uv|z c  
k=">2!O/  
[attachment=128688]
已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 baJ(Iy$XT  
r,F~Vwa}  
变焦位置8: GPP{"6q5'  
mqxgrb7  
[attachment=128690]
{v{qPYNyh  
bV|(V>  
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。 =[{YI2S  
?M?S+@(  
相对照度
$ qOV#,@  
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 #lDf8G|ST~  
变焦位置1: ::bK{yZm   
Hjl{M>z  
[attachment=128691]
[attachment=128694]
1HOYp*{#wP  
+|6 '7Z(9  
变焦位置8: &%3$zgvR  
hF`e>?bN  
[attachment=128693]
[attachment=128698]
   *a }NRf}W  
主光线角度
m?LnO5Vs  
远心度都在1°以内 Np$peT[  
变焦位置1: l"9.zPvT<  
FnkB z5D  
[attachment=128695]
0a<:.}  
$@]tTz;b  
变焦位置8:  cTpmklq  
v4_p3&aj  
[attachment=128696]
   .-Y3oWV  
总结: xRu m q  
cspO5S>#  
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。 7kDX_,i  
5:[<pY!s#  
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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