变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 cC X*D_kCB
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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。 }WV:erg`
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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。 T C"<g
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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。 "#48% -'x
M3AXe]<eC1
[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。 Ss`LLq0LO
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设计要求 /tLVX} &
]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： _*zt=zn>
gZ5 |UR<
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) hOeRd#AQK
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 8i pez/
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 svSV G:48
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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。 = / 8cp
E.f%H( b
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。
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确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： ZB{Em B0W
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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 y}H!c;
qWw= 8Bq
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%。
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t^L] /$q
因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 j#6. Gq
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 0aAoV0fMDz
H#&00 Q[
[attachment=128669] [attachment=128673] UI#h&j5pW
w(rE`IgW
以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏： {8aT V}Ha2
;);kEq/=P
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 M? qy(zb
[attachment=128670] M`>E|" <
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运行搜索宏可以得到10个初始结构： |^aKs#va
7 3 m1
[attachment=128671] ZW}_DT0
} '.m*#Y
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: & NWEqBz*2
nK,w]{<wG!
[attachment=128672] PM+[, H
XR H!]!
设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 6 r "<jh #
`]X>V,
设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。 ..qCPlK;
] ,)X Lq8
[attachment=128675] PdCEUh\>y
[attachment=128674] 变焦优化 TN.rrop`#g
OH88 n69
修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。 Qd-A.{[h
~V-XEQA
[attachment=128677] g ?k=^C
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'c&,oLY
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 >bxS3FCX
]q.0!lh+WL
[attachment=128682] hj:, S |
RpK@?[4s
得到结果： G"6 !{4g
zTp"AuNHN
[attachment=128679] [attachment=128681] /,dz@
+%&yJ4 -
插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。 yr6V3],Tp
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： <[phnU^
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%;/P&d /
[attachment=128676] %RVZD#zr
)7d&NE_
像差分析 _&x%^&{
查看畸变 ),)lzN%!
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。 SKt r tm
TseGXYH
[attachment=128678] %)|s1B'd
h 0|s
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 pw#-_
M 0 8 A P YA 1 ,I9bNO,%JK
S GIHT W/ \g~=vo
M 0 5 A P YA .7 H::bwn`Vc
MUL CONST 2 jy lD6IT
S GIHT <$YlH@;)`a
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： Y@v>FlqI{
teP<!RKNb
[attachment=128680] -4K5-|>O
r^ XVB`v
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 gr{ DWCK
ta0|^KAA
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 [WJ+h~~
o
7^285)UQA
[attachment=128697] *Ly6`HZ9
7^Uv7< pw
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： y }
'@R$
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 d5b%
W3
专门优化这一条MTF。 zCA2X
!7F
K:M8h{Ua
[attachment=128699] +t.b` U`-
yauvXosX
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。 h1 RSVp+?n
54,er$$V
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 xk5 ]^yDp
h;Kx!5)y
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 }vuARZ>
再进行优化退火，50，2，50 Y2TtY ;
!Cs_F&l"j
[attachment=128684] X2_=agEP
y5r4&~04
得到最终结构： l{9Y
\['Cj*e k
[attachment=128683] VTM/h JmwJ
gUlo]!$
各个像质结果： '"^'M Xa
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
G*m 0\
m 5.Zu.
变焦位置1： ?< /> Z)
#c J@uqR
[attachment=128685] -=="<0c
基本参数 变焦位置1： |pK !S
>?b!QU* a
[attachment=128686] PCvWS.{
? [AD=rUC
变焦位置8： #spCt ZE
SBpL6~NW
[attachment=128692] sK{e*[I>W
畸变 [
3Gf2_
7v kL1IA
变焦位置1： 0[`^\Mv4y
_#niyW+?~
[attachment=128687] r$1Qf}J3=
!VJoM,b8
变焦位置8： *|0 -~u%q
yfSmDPh
[attachment=128689] D- c4EV
MTF ]lbuy7xj63
b-DvW4B
变焦位置1： -"`= 1l
f 2.HF@
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 3< !7>]A
2HdC |$_+
变焦位置8： XUYtEf
QY/w
[attachment=128690] d~H`CrQE*
$X6h|?3U,
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 Ie_wHcM<
t!XwW$@
相对照度 WLT"ji0w2
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 Wc#24:OKe3
变焦位置1： sT)CxOV
E
fDH6
[attachment=128691] [attachment=128694] Y|n"dMrL
$I=~S[p
变焦位置8： 29Ki uP
;`&kZi60Hz
[attachment=128693] [attachment=128698] \e;iT\=.(
主光线角度 A&VG~r $
远心度都在1°以内 *pq\MiD/
变焦位置1： az$FnVNn=
fVlB=8DNk&
[attachment=128695] r; {.%s7
[WmM6UEVS
变焦位置8： ;+%rw 2Z,B
d-qUtgqV86
[attachment=128696] O-^Ma- }
总结： z_HdISy0
UNYqft4
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。 d6O[ @CyP
D~m*!w*
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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