变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 I(7gmCV
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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。 0~ S<}N
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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。 AT 9SD vJ
[&`>&u@MK
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。 sIy$}_
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[由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 pF !vW
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设计要求 =H?N b:s
]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系： qnm9L w#
9(P Fd%
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) C9 iG`?
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 ``z ="oD
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 JR>B<{xB
@"EX%v .
变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。 VN".NEL
S8cFD):q
通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 o{Ep/O `
iGlZFA
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： ge?ymaU$a
]s S oIT
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 j,-7J*A~
E<4}mSn)
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%。 0z xeA +U
[*<&]^
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。 > k jJq]A2
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 Dm^kuTIG
t8+93,*B
[attachment=128669] [attachment=128673] UmuFzw^
!Yf0y;e|:
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： m{y ON&y
~S6N'$^
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 =w8 YZs8w
[attachment=128670] 6} ;oLnO
|W gab5D>V
运行搜索宏可以得到10个初始结构： ,'6 GG+
?n+\T'f!
[attachment=128671] }>:X|4]
LN^8U
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: % G&v@R
F& ~vD
[attachment=128672] el%Qxak`"
)1,&YJM*6l
设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 `!8Z"xD
/{va< CL
设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。 ATH z~a
] J"MJVMo$T
[attachment=128675] @ $ R a
[attachment=128674] 变焦优化 [ub\DL l
a40BisrD~6
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。 #*/h*GNMs
M2S|$6t:
[attachment=128677] Jx<
.#J3 UZ
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 CQ[-Cp7
do,X{ \
[attachment=128682] nSiNSLv
%R >S "
得到结果： <hbbFL}|%
6zWvd
[attachment=128679] [attachment=128681] Fm':sd)'X
SI9hS4<j
插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。 L /> GYx
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： bYc qscW
Se`N5hQ
[attachment=128676] z-G (!]:
1n"X?K5;A
像差分析 B v c=gW
查看畸变 EYG E#C;
d
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。 X%CPz.G
B;r$( 'UZ
[attachment=128678] ~24 31<YV
UGt7iT<`8
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 {eEWfMKIn
M 0 8 A P YA 1 AUde_ 1hi
S GIHT \[EWxu
M 0 5 A P YA .7 dCTpO
MUL CONST 2 !ei20@
S GIHT l)s +"C#
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： *,*q v^
4/WCs$
[attachment=128680] SGd.z6"H
A#:
c
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 *XO KH +_u
VAE?={-
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 ;%a l Z
nn:p f1
[attachment=128697] Y{|yB
J*X.0&Toc
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： s[4 !R&b
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 T+h{Aeg
专门优化这一条MTF。 zEfD{I
~|C1$.-
[attachment=128699] D .R
}{oBKm9_p
优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。 5q`)jd !*)
]?$y}
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 -yGm^EwP
{WOfT6y+
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码
89=JC[c
再进行优化退火，50，2，50 gGml
c:/J%
L"6/"L
[attachment=128684] NO p= /
Q]UYG(
得到最终结构： WCT W#<izm
Vzvw/17J
[attachment=128683] < DZ76
nvVsO>2{ o
各个像质结果： gr{Sh`Cm-
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm l]y%cJ~$'D
i gj@{FN
变焦位置1： *js$r+4
bvS\P!m\c
[attachment=128685] ]mo<qWRc>p
基本参数 变焦位置1： B2qq C-hw?
6x ,=SW@4
[attachment=128686] W(lKR_pF
ND1%s &
变焦位置8： :wmf{c
]J=)pD rk
[attachment=128692] gs8@b5 RSb
畸变 R&_\&:4f
Rn_W|"
变焦位置1： -U;LiO;N
Xb:BIp!e
[attachment=128687] YkAWKCOni
xYV jUb(,X
变焦位置8： vek:/'sj3p
YGV#.
[attachment=128689] 7oLf5V1~
MTF f %[ukMj&
*([)X2A@+
变焦位置1： bok 74U]
lF"(|n"R
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 v[DbhIX U
p't :bR
变焦位置8： )^>XZ*eK
!v4j` A;%
[attachment=128690] ^pV>b(?qw
RHl=$Hm .%
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。 4'hcHdL9
?&<o_/`-H5
相对照度 )Z]y.W )
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 J[Yg]6
变焦位置1： XL/o y'_
=<zSF\Zr_
[attachment=128691] [attachment=128694] P(gVF |J?
fQy
C6C
变焦位置8： |}p}`Mb)a
ZIL|
.<8I
[attachment=128693] [attachment=128698] ._MAHBx+G
主光线角度 :Ip:sRz
远心度都在1°以内 /b:t;0G
变焦位置1： M$4=q ((0
FJ( B]n[>
[attachment=128695] [aM '
-S%q!%}u
变焦位置8： $K_YC~
11y .z^
[attachment=128696] W
aGcoj
总结： Z'*Z @u3
/sT
^lf=
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。 ^g-t#O lD?
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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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