变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 W0}B'VS.I
ES40?o*]x
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。 6d+p 7 x
t]X w{)T
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。 jMpD+Mb
H<1WbM: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。 FN[{s
1IVuSp`{FU
[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。
P\_`
;,]P=Ey
设计要求 0:b2(^]bg
]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： *&f$K1p
"9n3VX)
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) @]ao"u i@/
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 /q5:p`4{J
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 KgR<E
-+O
9<3ly
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。 gy nh#&r
/B}lO0]:
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。 }3?n~s\)6f
M}!2H*
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： ^+g$iM[`f
7NJhRz`_
光学参数： Optical system parameters Values Spectral region/nm 420-650 Focus/mm 25-32 FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96 Image size/mm 15.4×9.6 F/# 2.4 Telecentricity/(°) ＜1 |7zd%!
P@FHnh3}Z$
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%。 %dY<=x#b
\<g*8?yFs
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。 ~s5SZK*
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 [p<w._b i
:>=\. \
[attachment=128669] [attachment=128673] *BR ^U$,e
,TFIG^Dvq
以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏： O?|gp<=d
KGg 3 !jY
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 J_;o|gqX
[attachment=128670] Dtj&W<NXo
AA7C$;Z15~
运行搜索宏可以得到10个初始结构： #_u~/jhX
Y0X-Zqk'
[attachment=128671] r9dyA5o D
rOVVL%@QqJ
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: Bi{$@n&?f
,I, \ml
[attachment=128672] p3 ^ m9J
/gG"v5]
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。 =&:Y6XP
R47\Y
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）。 L+q/){Dd(
] :eCU/BC4
[attachment=128675] q *9!,!e
[attachment=128674] 变焦优化 ~Rr~1I&mR,
4H/fP]u
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 ./ Uu%
8Q'0h
m?
[attachment=128677] r uy}/7uf
_FWBUZ;N
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 n<u
$= H
)h)]SF}
[attachment=128682] @!1x7%]G
Dg?:/=,=9r
得到结果： a8UwhjFO
^RI?ybDd
[attachment=128679] [attachment=128681] @qYp>|AF
i ,/0/?)*_
插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。 B]l)++~
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： %xyou:~0zs
Kh_Lp$'0uM
[attachment=128676] uwy:t!(j
5f 5f 0|ok
像差分析 w { 3<{
查看畸变 (:> ,u*x%
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。 73\JwOn~
[wzb<"kW
[attachment=128678] Sxh]R+Xb
BNs@n"k
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 lp^<3o*1
M 0 8 A P YA 1 ~S,,w1`
S GIHT ,]d /Q<
M 0 5 A P YA .7 (O(}p~s
MUL CONST 2 cHk)i
S GIHT )`(p9@,V
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： P&^;656r
z\%6 7C
[attachment=128680] i=oU;7~zK
y#z
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 M,\:<kNI
9~/J35
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 #ZrHsf P
lUMS;H(
[attachment=128697] 7\ s"o&G
KJaXg;,H
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： _v> }_S
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 E vg_q>
专门优化这一条MTF。 %/zbgS`
i\rDu^VQ
[attachment=128699] ]Hefm?9*^
`ux{ ;4q
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。 `3WFjU 5a
#PH~1`vl
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 [QoK5Yw{
sl`s_$J
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 NRIG 1v>
再进行优化退火，50，2，50 67G?K;)e
&&8IU;J
[attachment=128684] zGkS ^Z=(
QLiu2U o
得到最终结构： < (fRn`)PT
}o?AP vd
[attachment=128683] #(N+(():
% ,@e^3B
各个像质结果： PIoLywpRn
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm jN;@=COi
'm FqE n
变焦位置1： xRzFlay 8
pm
9"4 z
[attachment=128685] y[)> yq y
基本参数 变焦位置1： #mCL) [
RL@VSHXc
[attachment=128686] vZa Zc}AyL
\F/hMXDlJ
变焦位置8： J\:R|KaP<p
kwo3` b
[attachment=128692] }Mp:JPH&S4
畸变 ;Q OBBF3HG
CUBEW~X}M
变焦位置1： 1Z+8r
g9}DnCT*.
[attachment=128687] >>t@}F)
i1NY9br
变焦位置8： z<U-#k7nz
7vrl'^ 1
[attachment=128689] CY s,`
MTF _VRpI)mu
4ew"
%Cs*
变焦位置1： ~962i# &4
}Qn&^[[miL
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 ' g=
RI
5 y F
变焦位置8： ;=eDO (Ij
[q) 8N
[attachment=128690] pfA|I*`XV
&5fJPv &
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 eTI%^d|
)wa m8k5
相对照度 PV'x+b N5
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 f33 2J
变焦位置1： #~}nFY.
u~7hWiY <2
[attachment=128691] [attachment=128694] D[a CsaR
jnK WZ/R
变焦位置8： ZkRx1S"m
=n5zM._S-
[attachment=128693] [attachment=128698] ZRh~`yy
主光线角度 qT{U(
远心度都在1°以内 F\JM\{& F
变焦位置1： n BjqTud
d6} r#\
[attachment=128695] TJ_$vI
P k{_(ybaY
变焦位置8： *}F3M\
jVv0ST*z
[attachment=128696] Se :.4<
总结： >kj`7GA
N..yQ-6x?
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。 r?+% ?$
kO.%9wFbz
好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
|
