变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 8 uW%jG3/
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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。 61gyx6v
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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。 *O[/-
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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。 Q^@7Yg@l
Hmx.BBz
[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。 T VSCjI
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设计要求 !yq 98I'
]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： r[GH#vF;7
VTyj<6Y
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) B J I N
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 gLZJQubz
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这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 vo&h6'i>7
15' fU!
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。 ,Sy& ?t}`
lHTr7uF(
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。 }ALli0n`V)
`c N8AcRHP
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： tuuwoiQ*`
TGPZUyi3!=
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 '<1Cta`
o> Dd1
j
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%。 Y(?SE< 4R
xpwy% uo
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。 e:.?T \
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 a{rUk%x
!u
.n
[attachment=128669] [attachment=128673] kDM?`(r
aU[!*n 4Ux
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： .4$F~!aj9
w8J8III\~
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 H/;AlN|!
[attachment=128670] 'Yc^9;C(
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T z]8[^
运行搜索宏可以得到10个初始结构：
! R3P@,j
#qD[dC$[t
[attachment=128671] @'?gan#(
-:J<JX)o
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: fH:S_7i
\ n^[!e"`
[attachment=128672] Q |S>C%4?
=20
+(<
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。 734n1-F?I%
y}|E)
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）。 )/~o'M3
] N`N?1!fM<}
[attachment=128675] A:yql`&s
[attachment=128674] 变焦优化 -"H0Qafm
M}@>h
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。 MEp{&#v|1
EIyFGCw|U
[attachment=128677] imAOYEH7}
}:;U nE}
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 C+5X8
WXDo`_{R
[attachment=128682] suGd &eP|
<8Nr;96IA
得到结果： Em5,Zr_
]+B.=mO_
[attachment=128679] [attachment=128681] E'( nJ
k hD)x0'b
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。 t+] 1D@h v
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： _9p79S<+
ki/Cpfq40*
[attachment=128676] 8c_X`0jy
3G 2iRr.o
像差分析 ^Qn:#O9
查看畸变 #M+_Lk3
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。 *vEj\
M5t.l (
[attachment=128678] EBz4k)@ m
iXL^[/}&?M
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 :M f8q!Q'
M 0 8 A P YA 1 cs9h\]ZA
S GIHT
kN8B,
M 0 5 A P YA .7 1 ,Mm+_)B
MUL CONST 2 $8AW
S GIHT )|k#cT{=M
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： u U> L (
-"i $^Q`
[attachment=128680] DG0I- "s
3/y t
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 b0 9xf"D
4# ]g 852
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 ZZTf/s*
2/uZ2N |S
[attachment=128697] g7*U uh#
]j6K3
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： ;Oqf{em];
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 P3Lsfi.
专门优化这一条MTF。 G +41D
c _M[>#`
[attachment=128699] gTOx|b x
H-v[ShE
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。 B7|%N=S%/
bDJ!Fc/
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 ``$$yS~d};
6DK).|@$r
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 vR2);ywX
再进行优化退火，50，2，50 rwP)TJh"
Qzo -Yw`=
[attachment=128684] c ^.^5@
XM
w6b*O
得到最终结构： h$6'9 rL&i
Haek r*1%
[attachment=128683] wCR! bZ w
fR'! p: ~
各个像质结果： :l!sKT?:d!
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm v~T)g"_|
"c]9Q %
变焦位置1： K\XQ E50
HQ"
trV
[attachment=128685] O2p E"8=4Q
基本参数 变焦位置1： V;"2=)X
I
*sT*;U
[attachment=128686] g'7\ WQ
Mog [,{w
变焦位置8： ]BbV\#
26nwUNak
[attachment=128692] 1Td`S1'#yg
畸变 &dmIv[LU
t,8? Tf+i
变焦位置1： RH _b
R+(f~ j'
[attachment=128687] F1- "yX1B
R8u8jG(4
变焦位置8： ;nW;M 4{
Tgtym"=xd
[attachment=128689] )D6 i {I0
MTF stUv!
MZ-;'w&Z
变焦位置1： ]wEI *c(
|gP) lR
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 #<9'{i3
\i//Aq
变焦位置8： 9c k"JMla
,e;,+w=~E
[attachment=128690] 3))R91I
qp6'n&^&
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。 e.DN,rhq I
Ea<\a1Tl43
相对照度 4_j_!QH87
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 :'C?uk ?
变焦位置1： .*njgAq7
.`+~mQ
Wn
[attachment=128691] [attachment=128694] ;
I-6H5
zx=eqN@!@
变焦位置8： 9v*y&V 9/
@Q2E1Uu%
[attachment=128693] [attachment=128698] 36+ /MvIT
主光线角度 EHn!ZrQgh
远心度都在1°以内 6c-'CW
变焦位置1： XA;PWl5!
dO1 m
[attachment=128695] <|Lz#iV37
Tb?X KO,
变焦位置8： [9Rh" H; h
)z74,n7-
[attachment=128696] t!/~_}eD J
总结： R"O%##Ws
M *3G
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。 b' M"To@
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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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