变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 1OFrxSg
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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。 W1}d6Sbg
+nFC&~q
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。 CTB
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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。 #9(iu S+BU
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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。 e&pt[W}X%u
78'3&,+si
设计要求 {tXyz[;i1}
]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： n~yhX%=_Du
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_Bz@^J
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
? D@WXE0a
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 r [n vgzv@
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 x]"N :t
l5Q-M{w0x
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。 c_6~zb?k+m
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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。 #"JtH"pF
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确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： O=}jg0k
@ ojV8
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 K"=I,Vr:
UTxqqcqEny
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%。 @3Mp>u/
fXx !_Z
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。 D0p>Q^w
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 -H](2}
u`Zj~ t
[attachment=128669] [attachment=128673] x)2ZbIDB:"
Ix+\oq,O
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： :&=`xAX-
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搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 fJOA5(
[attachment=128670] [G} l;
0(az 80
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运行搜索宏可以得到10个初始结构： T oK'Pd
$tca:
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[attachment=128671] } |? W
Mr yY<s
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: N ._&\fHY
/c52w"WW
[attachment=128672] gY!#=?/S
a L0,=g%
设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 hT$/ B|
+J(@.
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）。 b#{[Pk,w9
] wD`jks
[attachment=128675] 0r'<aA`=I
[attachment=128674] 变焦优化 Ab)X/g-I @
\~@a/J
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。 i| OG#PsY-
C \5"Kb
[attachment=128677] nG !6[^D
m\ (crkN
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 3Ay<2v
Y.v. EZ
[attachment=128682] +G?nmXG[vj
@vkO(o
得到结果： z( _#C
s
`\#J&N
[attachment=128679] [attachment=128681] s&~i S[
rIZ^ix-N
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。 md`"zV
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： "1%YtV5R{
OykYXFv*
[attachment=128676] )l"py9STF
,5HC &@
像差分析 +{p S2I}d
查看畸变 `oGL==
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。 kF29~
"3X~BdH&J
[attachment=128678]
hV7]/z!d
Q"=$.M~
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 Sk|DVV $
M 0 8 A P YA 1 4-veO3&.h
S GIHT Ym5ji$ !2
M 0 5 A P YA .7 wj#A#[e
MUL CONST 2 E\dJb}"x %
S GIHT C p.qL
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： h;?H4j
Y5?OJO{h"
[attachment=128680] T?V!%AqY:
EHqcQx`K_
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 s2ixiv=
< maY S2
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 2u?k;"]V
f?|cQ[#t!\
[attachment=128697]
X6<%SJC
XpU%09K
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\DA&b
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 )=@ SA`J
专门优化这一条MTF。 3}9c0%}F
1xzOD@=dI
[attachment=128699] TZYz`l+v
}SZU'lYHoM
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。 Qvl3 =[S
.P5OUK
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 7ajkp+E6
;>Q.r{P
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 <Gkmk?x`A
再进行优化退火，50，2，50 .1#G*A|
-K*&I!
[attachment=128684] 1DT}_0{0Q
\4 5%K|
得到最终结构： 2GC{+*
LOf)D7T
[attachment=128683] E[2>je
AIX?840V
各个像质结果： Os>^z@x
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm CZ4Nw]dtR
yhJA{n L=
变焦位置1： Tj
v)jD
g\ q*,1
[attachment=128685] nOj0"c
基本参数 变焦位置1： 5 w#7B
y $6~&X
[attachment=128686] CPt62j8
$zv&MD!&h
变焦位置8： !aQQq[
rIJv(&l
[attachment=128692] yHIZpU|( j
畸变 *p Q'w
4<(U/58a*
变焦位置1： 9w:9Xz iT
Lk> o`<*
[attachment=128687] VS
?n pH
(dgBI}Za
变焦位置8： F\IJ im-Rh
|p\vH#6y+
[attachment=128689] ilr'<5 rq
MTF S&Szc0-|k
|O4LR,{G.w
变焦位置1： rS&"UH?c7
*iwV B^^$
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 d J &f +
H{Ci N
变焦位置8： HBp $
.bloaeu-
[attachment=128690] PPMAj@B}V
yi& 6HNb
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。 )p!.V( ,
8K@>BFk1.
相对照度 3GVS-?
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 V N<omi+4
变焦位置1： 4157!w' \y
@/f'i9?oM`
[attachment=128691] [attachment=128694] 5 ^867
u}Q cyG^
变焦位置8： }|u>b!7_.
tB)nQw7
[attachment=128693] [attachment=128698] up== g
主光线角度 u0{ R;)
远心度都在1°以内 7,7-E&d
变焦位置1： *VV#o/Q p
hSgH;k
[attachment=128695] Fz.Ij'8.H
+ J` Qv,0
变焦位置8： Rx,5?*b$
dng^#|X)?
[attachment=128696] f[fH1cu&`
总结： j {&$_
/hp
[ +K
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。 Xc8
X gZk
nI7v:h 4
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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