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$,{rl l0Rjq*5hJ 所谓变焦,即镜头的焦距在一定范围可调节,通过改变焦距从而改变系统视场大小,达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头,即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围,因此非常利于画面构图。 fny|^F]w Y9V%eFY5E [由于一个系统的焦距在某一范围可变,相当于由无数多个定焦系统组成的,在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 K"Vo'9R[_ D{'>G@nLQ
设计要求 WX.6| ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度,镜头的焦距会随之变化,通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面:CCD 或COMS 或其它探测面),在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系: `^FAD d^uE4F} I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) x=-dv8N? I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 R1'tW= 这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 Qm9r>m6p@N X}j WNN 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 #63)I9> <'(O0 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 T''PzY!Qf 4pU|BL\j 确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: GJTKqr|1O +]?/c>M
光学参数: Optical system parameters Values Spectral region/nm 420-650 Focus/mm 25-32 FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96 Image size/mm 15.4×9.6 F/# 2.4 Telecentricity/(°) <1 sA^_I6>M" 87&BF)] 像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 +
t%[$"$ ^7b[spqE 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 jV W .=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 .(
)rby 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$rw 设置光阑,优化之后,观察镜头结构,选择第3/4片为前变焦组,5/6/7片为后变焦组,光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15,然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 eT!*_.' e blVt:XS{,m 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件,按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头,使其变成一个变焦镜头(以下为 ZFILE 宏指令)。 ;FQ<4PR$ ] kU75
[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] crwui 8 ;#i$5L!*B 得到结果: yG v7^d fen~k#|l
[attachment=128679] [attachment=128681] CjQ)Bu*4
pYRqV 插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。 },]G +L;R 再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: e>zv+9'Q ^Rpy5/d
[attachment=128676] ~[N"Q|D3Y uc~/l4~N
像差分析 z+5ZUS2~&
查看畸变 ,P>xpfdK
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 RV=Z$ $n><p>`
[attachment=128678] ?'8(']/ bb4 `s0 因此在优化宏中添加控制畸变的指令 n5NwiSE M 0 8 A P YA 1 #/,Wgs AC S GIHT =xs"<Q*w> M 0 5 A P YA .7 pzcl@ MUL CONST 2 uHQf <R$: 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 LDgGVl 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 }{S pV 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$rZ 586lN22xM 变焦位置8: !K8V":1du# @mm~i~~KA
[attachment=128690] bSm*/Q ?3;0 SAh 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 0`~#H1TK S*Hv2sl
相对照度 MzpDvnI9
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 ?:c:D5N 变焦位置1: th]pqhl> p`T,VU&.
[attachment=128691] [attachment=128694] 8i Xt8XY3 0oNy 变焦位置8: 5169E* b6ui&Y8z
[attachment=128693] [attachment=128698] ]`T*}$|
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$UJ 总结: ]h4r@L3 BU=;rz!; 该变焦投影镜头所有指标已经基本满足要求,使用了13 片球面透镜加保护玻璃。对于片数比较多但变倍比比较小的变焦镜头,直接用 ZSEARCH 搜索花的时间太长或者搜不出好的结果,可以先用 DSEARCH 搜索一个变焦位置的结构,然后用 ZFILE 把它变为变焦镜头再优化。 *sYvV, p$!Q?&AV/ 好了,本节课到此完毕,期待与您的再次相遇,下周见!
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