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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 0^4Tem@  
rTQrlQ:@  
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。 %1S;y  
8^2Q ~{i  
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。 qWdL|8  
AFyf7^^k  
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。 x5s Yo\  
v. !L:1@I.  
[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。 :\>@yCD  
-B'<*Y  
设计要求
)D Y?Y-n  
]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: yy@g=<okt\  
c&ymVB?G:1  
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) V|Smk;G  
I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 +eQg+@u  
这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 uN2Ck  
jCkYzQUPz  
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。 f/aSqhAW  
qh{hpX)\D  
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。 ZJ1 %  
ar }F^8Ku  
确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: NLRgL'+F  
7xqTTN6h  
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
(X;D.s  
mGb,oj7l  
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%。 7vZznN8e  
U*b1yxt  
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。 4vC { G.  
DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 0@k)C z[0;  
P`0}( '"U  
[attachment=128669]
[attachment=128673]
v25]}9/C  
}N dknut,  
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: yP. ,Dh s  
,ir(~g+{g  
搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
R1)v;^B|)  
[attachment=128670]
<'f+ nC=2  
VG'M=O{)3  
运行搜索宏可以得到10个初始结构: ' GcN9D  
 *Yj!f68  
[attachment=128671]
$DBJ"8n2  
ei%L[>N  
从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析:   
sF[7pE  
[attachment=128672]
$}+t|`*q8]  
Z#+lwZD  
设置光阑,优化之后,观察镜头结构,选择第3/4片为前变焦组,5/6/7片为后变焦组,光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15,然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 g$+ $@~  
xvU@,bzz  
设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件,按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头,使其变成一个变焦镜头(以下为 ZFILE 宏指令)。 /{il;/Vj  
] }&!fT\4  
[attachment=128675]
hhRUC&Y%V  
[attachment=128674]
变焦优化
()%NotN;  
eb10=Lmj  
修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 uf q9+}  
O(pa;&"  
[attachment=128677]
2z#gn9Wb  
,X^I]]  
输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 Qx<86aKkF  
`,~8(rIM  
[attachment=128682]
x`9IQQ  
rs`"Kz`(  
得到结果: &RF*pU>  
A}"aH  
[attachment=128679]
[attachment=128681]
\?EnTu.  
/fh[_!qN  
插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。 |&wwH&<[z  
再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: V[#eeH)/  
uPh/u!  
[attachment=128676]
% XvJJ  
KF!?; q0J  
像差分析
 a>6@1liT  
查看畸变
r" 4u)H>  
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 T'8d|$X  
Ga,+  
[attachment=128678]
V\|V1c  
uz U2)n3y  
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 $e#V^dph  
M 0 8 A P YA 1 Wy:xiP  
S GIHT LKX; ^  
M 0 5 A P YA .7 _4^#VD#f  
MUL CONST 2 ^p7g[E&  
S GIHT VelR8tjP  
从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: SyL:=NZ  
;;f&aujSHD  
[attachment=128680]
dAba'|Y  
xryXO(  
优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 K."%PdC  
E=3UaYr  
在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 K (px-jY  
(:h#H[F  
[attachment=128697]
YZ\a#s ,0  
~Y)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: glL.CkJ  
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 BK *Bw,KQ<  
专门优化这一条MTF。 <&47W  
Thc"QIk&4  
[attachment=128699]
mu$0x)  
.=`r?#0  
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。 JbR;E`8  
9jkaEn>m^  
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 hf('4^  
yb4Jsk5%  
优化宏
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F4X0DRC,G  
再进行优化退火,50,2,50 q\uzmOh  
[Z -S0  
[attachment=128684]
wbImE;-Z  
?yNg5z  
得到最终结构: $C.;GUEQ  
qvHRP@  
[attachment=128683]
!8jr $  
+!6dsnr8  
各个像质结果: S!oG|%VuB#  
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm ?7|6jTIs  
8n'"RaLQ8  
变焦位置1: $>*TO1gb+  
P \k5%  
[attachment=128685]
5,~Ju>y*  
基本参数
变焦位置1: Pbo759q 1  
_$vAitUe4S  
[attachment=128686]
'n$TJp|s  
?7k%4~H t  
变焦位置8: rEfo)jod  
oU[>.Igi  
[attachment=128692]
   =[Z uE0c  
畸变
TQ`4dVaf  
3;-P(G@  
变焦位置1: 6 {j}Z*)m  
A8jj]J+  
[attachment=128687]
jM07&o]D  
"tX=^4   
变焦位置8: I}hY @  
3@*orm>em  
[attachment=128689]
   40i]I@:JK  
MTF
*= ;M',nx  
G[4$@{  
变焦位置1: W? SFt z  
:GBM`f@  
[attachment=128688]
已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 ,e93I6  
~u^MRe|`  
变焦位置8: kuI%0) iZn  
{1VMwANj  
[attachment=128690]
GUH-$rA  
^$VH~i&  
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。 kaG@T,pH(  
=_)yV0  
相对照度
W+5<=jXFB  
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 A^3M~  
变焦位置1: ?BA~$|lfxu  
):5M +  
[attachment=128691]
[attachment=128694]
\#%1t  
O*dtVX  
变焦位置8: "MX9h }7  
edZhI  
[attachment=128693]
[attachment=128698]
   BSd\Sg4  
主光线角度
)Bo]+\2  
远心度都在1°以内 uJ@C-/BD!M  
变焦位置1: *kM^l!<g  
/UP1*L  
[attachment=128695]
*%p`Jk-U  
1Ax{Y#<  
变焦位置8: *+rWn*L  
d:&=|kKw  
[attachment=128696]
   U5!~ @XjG>  
总结: kh5VuXpe  
wRsh@I<  
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。 ra]lC7<H  
!Sj0!\  
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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