变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 #5-0R7\d7
\Se>u4~L
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。 rgWGe6;!
_Y40a+hk]
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。 =m xmJFA
rg]eSP3 W
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。 ~Yv "=
}Gqx2 )H
[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。 wv|:-8V
QHUoAa`6v
设计要求 DI'wZySS^
]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： \SkCsE#H
f`*Ip? V-
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) m
jC6(?V
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 CL5u{ i5
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 >j{phZ
4E}]>
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。 MM"{ehd{^a
ExqI=k`Zs
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。 zjs@7LN
=P\H}?PF
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： Af pB=3
V
lN&Lz
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 yHT8I
&]iX>m.
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%。 `PnB<rf:*1
?*zRM?*
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#IRNFj
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 7 _)'Re#
/v 7U~i5
[attachment=128669] [attachment=128673] O: "gJ4D
ZC'(^liAp
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： {wiw]@c8
qP-*
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 dWwh?{n
[attachment=128670] UbE*x2N
x>m_ v
运行搜索宏可以得到10个初始结构： X3
D ( 2W
)=V0
[attachment=128671] 8q{
%n
@x3x/g U
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: 'z0@| a
y)X 1!3~(
[attachment=128672] D|}
y{~
O+A/thI%*S
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。 h1} x2
hVo]fD| W
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）。 4<CHwIRHY
] }A;J-7g6
[attachment=128675] .YKqYN?y4
[attachment=128674] 变焦优化 E#X(0(A)
N|Mzj|i.
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。 =t\HtAXn[
+K,]#$k
[attachment=128677] NitWIj[U;
L l\y2oJ
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 V\r!H>
7'\<\oT
[attachment=128682] &$ZJfHD@
9ar+P h@*
得到结果： }a6tG
i7v> 9p7
[attachment=128679] [attachment=128681] eS{lr 4-]
|pqc(B u
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。 {0
d/;
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： %/N B263Db
GawQ~rD
[attachment=128676] ('QfB<4H1
A
J<Sa=
像差分析 B%QvFxZz
查看畸变 Y4 q;
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。 aE BQx
"u:5
[attachment=128678] + pTc2z
.6z8fjttOC
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 b:VCr ^vp
M 0 8 A P YA 1 #lXwBfBMf
S GIHT X<{kf-GP
M 0 5 A P YA .7 Y@N-q
MUL CONST 2 (
`T;nz
S GIHT T9N][5 \
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： 2 ZW
{
%>u (UmFO
[attachment=128680] } wZ9#Ll
3BHPD; U
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 OOJg%y*H
y}Ji( q~
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 ~~,] b
"@uKe8r|y
[attachment=128697] foO /Yc
ObJgJr
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： r$<-2lW
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 &p|+K
XIf
专门优化这一条MTF。 3fA.DK[4 [
x-J.*X/aB
[attachment=128699] ot Tv,T182
mAO$gHQ
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。 Yl}'h Rp
((OQs .
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 &GMBvmP
zl8O @g
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 3Wv -olv
再进行优化退火，50，2，50 pK/ r{/>r
R.nAD{>h*
[attachment=128684] kF{'?R5 w
gt]k#(S
得到最终结构： oN3DM ;
qaE>])
[attachment=128683] 'YKy Y:eZ
V
,#
|\
各个像质结果： EyU 5r$G
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm Ss>ez8q
_"nzo4e0
变焦位置1： ~@Yiwp\ "
H{ yUKZH*
[attachment=128685] I$yFCd Xr
基本参数 变焦位置1： e'"2yA8dh"
7I\qE r57
[attachment=128686] s0EF{2<F
^LAP* R
变焦位置8： YF)uAJ Ak
6b!F7ky g
[attachment=128692] K+WbxovXU
畸变 YCMXF#1
|j2b=0Rpk
变焦位置1： Mk=M)d`
(3. B\8s
[attachment=128687] /sU~cn^D5
ML:Zm~A1U
变焦位置8： N+0[p@0
<vb%i0+b.^
[attachment=128689] 1:Sq?=&
MTF r^g"%nq9/
U!y GZEU"[
变焦位置1： 4fR}+[~2
{e35O(Y
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 ?**9hu\B G
o54/r#~fi
变焦位置8： H^TU?vz}
<
W%&gvZre.
[attachment=128690] p+.xye U(
ScCp88KpFI
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。 Qq7%{`< }
o&U'zaj
相对照度 ffH]`N
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 ]cmq
变焦位置1： ;L`N F"
>Tf <8r,
[attachment=128691] [attachment=128694] h D*83_S
kq$0~lNI$
变焦位置8： L>3- z>u,
GEs5@EH
[attachment=128693] [attachment=128698] XI5TVxo(q
主光线角度 , tEd>
远心度都在1°以内 7QX p\<7
变焦位置1： U,g)N[|
hJc^NU5
[attachment=128695] d Eu\ }y|
,5XDH6L1
变焦位置8： fD* ?JzVY
Y2!P!u+Q
[attachment=128696] \D5_g8m:
总结： `Q1;Y
%E\ pd@
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<SAWFg7
ZUd*[\F~!
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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