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小火龙果 2024-05-18 22:36

变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课

概论 L=9w 3VXS  
wX!>&Gc.  
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。 P:8P>#L  
o}4J|@Hi|4  
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。 }qhNz0*  
PC3-X['[  
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。 !WD~zZ|  
CF?TW  
[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。 ?()$imb*  
-WX{ y Ci  
设计要求
Wk"\aoX"E  
]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度,镜头的焦距会随之变化,通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面:CCD 或COMS 或其它探测面),在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系: YPY'[j(p`n  
C@8WY  
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) UPI'O %  
I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 |Q _]+[  
这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 [)&(zJHX  
z8"(Yy7m  
变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 eGJ}';O,g  
t:h~p-&QB  
通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 ^%:syg_RM[  
zu8l2(N  
确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: `mfN3Q*[c  
h+rrmC  
光学参数:
Optical system parameters  Values
Spectral region/nm   420-650
Focus/mm    25-32
FOV/(°)    30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm   15.4×9.6
F/#    2.4
Telecentricity/(°)   <1
Ea7LPHE#  
i[wEH1jR  
像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 d^Jf(NE0Yo  
"7T9d)  
因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 DY~zi  
DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 %bs~%6)  
DE^@b+6  
[attachment=128669]
[attachment=128673]
~!Q\\_  
- #ta/*TT:  
以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: a &89K  
BVt)~HZ  
搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
Ehv*E  
[attachment=128670]
#ir~v>J||  
{hLS,Me  
运行搜索宏可以得到10个初始结构: zU7/P|Dw+  
N){/#3  
[attachment=128671]
du:%{4  
l]GUQcN=  
从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: vV?=r5j  
 !AGjiP$  
[attachment=128672]
X~Yj#@  
BP7&w d  
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。 4X5Tyv(Dp  
iB:](Md'r  
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)。 Ao:<aX,=  
] ?oc#$fcQ~  
[attachment=128675]
* @QC:1k  
[attachment=128674]
变焦优化
]qLro<  
o y'GAc/  
修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 Y_}DF.>I P  
!M[a/7x,p  
[attachment=128677]
5V^+;eO  
`XJU$c  
输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 @AgV7#  
A{!D7kwTz~  
[attachment=128682]
K`25G_Y3@  
Zu$30&U  
得到结果: Psf'#4g  
lAM"l)Ij  
[attachment=128679]
[attachment=128681]
&mM[q 'V  
<L72nwcK  
插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。 wjr1?c  
再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: sKkk+-J4  
/puM3ZN  
[attachment=128676]
{=Y.Z1E:  
Y-.pslg  
像差分析
>q:0w{.TU  
查看畸变
L b'HM-d  
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 ~;f,Ad`Q  
!]W}I  
[attachment=128678]
vB:_|B  
d0`5zd@S  
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 >|Hd*pg))  
M 0 8 A P YA 1 U(.3[x  
S GIHT O=HT3gp&  
M 0 5 A P YA .7 }538vFNi  
MUL CONST 2 p.gaw16}>  
S GIHT QzwA*\G  
从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: =]OG5b_-Y  
P(1 bd"Q  
[attachment=128680]
BJM_kKH  
`[.':"~2N  
优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 7h4"5GlO0  
K#B)@W?9  
在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 O>=D1no*  
W6&s_ (  
[attachment=128697]
L y!!+UM\  
KT)A{i  
优化后,发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令: |kHPk)}I]  
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 Hw1<! Dyv  
专门优化这一条MTF。 D3^Yc:[_@  
hJ+;N  
[attachment=128699]
8?lp:kM  
g|W|>`>  
优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。 BwN65_5p  
p+O 2 :  
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 m)A~1+M$)L  
CvwC| AW  
优化宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
F8\nAX  
再进行优化退火,50,2,50 I e#LZti  
7R 40t3  
[attachment=128684]
6#/Riu%  
7Ca+Pe}/n,  
得到最终结构: a'LM6A8~x  
#6[7q6{ 4  
[attachment=128683]
`7|\Gqy  
-Mb`I >=  
各个像质结果: Mh04O@"  
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm x"@Y[  
%)7HBj(*J  
变焦位置1: : QK )Ym  
SArSi6vF  
[attachment=128685]
a *n^(  
基本参数
变焦位置1: PYldqY   
{iGk~qN  
[attachment=128686]
C F2*W).+  
/dU-$}>ZI  
变焦位置8: dMAd-q5{  
k%iZ..  
[attachment=128692]
   9/rX%  
畸变
U"} ml  
"o +" Jd  
变焦位置1: #`tn:cP  
2k,!P6fgl  
[attachment=128687]
Sm;EWz-?  
7/.-dfEK  
变焦位置8: LQ5WS  
#P,mZ}G\  
[attachment=128689]
   xm@vx}O:  
MTF
t_@xzt10y  
0*66m:C2  
变焦位置1: p)d0ZAs  
WN?1J4H  
[attachment=128688]
已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 |Uz?i7z  
Ol4 )*/oZ  
变焦位置8: B_w;2ZuA  
#un#~s 7Q  
[attachment=128690]
~Uw **PT3M  
Dp 0   
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。 zmf`}j[  
"^j& ^sA+  
相对照度
YYDLFt r2  
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 [gZd$9a  
变焦位置1: i 7:R4G(/#  
r40#-A$  
[attachment=128691]
[attachment=128694]
h>,yqiY4p  
4&IBNc,sn  
变焦位置8: &:g5+([<  
^E&':6(  
[attachment=128693]
[attachment=128698]
   L^:+8g  
主光线角度
PJu)%al  
远心度都在1°以内 {6YLiQ*_  
变焦位置1: cT abZc  
0Zkb}F2-  
[attachment=128695]
uX*H2"A  
45l/)=@@B  
变焦位置8: Ob+L|FbnN  
noiUi>G;:  
[attachment=128696]
   w=Xil  
总结: hv 18V>8  
(q+U5Ls6  
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。 GH2D5HVN  
-R 4 t  
好了,本节课到此完毕,期待与您的再次相遇,下周见!  
hello2024 2024-05-18 23:34
变焦投影镜头设计
zyx110zyx 2024-10-03 22:38
学习一下
pls24 2025-02-26 14:08
谢谢楼主分享。。!
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