变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 Wtk|}>Pf
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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。 [PiMu,O[v
NKB["+S<
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。 h `O$L_Z
"+qZv(
所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。 .mqMz V
:6)!#q'g
[由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 Tmu2G /yi
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设计要求 }1V+8'D
]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系： i?@7>Ca
NJ d4( P
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) \r{ wN qyv
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 h:C:opa-=
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 m1]/8{EC7
}QQl.'
变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。 a;U)#*(5|v
qR cg|']R
通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 /u9 0)x
!blG c$kC
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： Iix:Y}
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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 \Wppl,"6c
G)b:UJa"
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%。 qM 1ZCt
g[@0H=
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。 ^2%)Nq; O
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 ]g oV Q' Y
"d~<{(:N^
[attachment=128669] [attachment=128673] Xa ;wx3]t
IQ~Anp^R
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： 1 B&XM^>/
VJW8%s [
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 vZS/? pU~~
[attachment=128670] ?/hS 1yD;
A(BjU:D(Oj
运行搜索宏可以得到10个初始结构： Bonj K#
]w]BKpU=
[attachment=128671] pBBKfv
n 4XkhY|
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: '
Gx\
;H71A[M
T
[attachment=128672] 4XJ']M(5;
Pd d(1K*
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。 A>S7Ap4z>
~mah.8G
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）。 ~=HPqe8
] \7xc*v [
[attachment=128675] aWLA6A+C&
[attachment=128674] 变焦优化 [rAi9LSO"
GuL0:,
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。 ;BWWafZ
XPt>klf
[attachment=128677] }> C?Zx*
D( TfW
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 e fHCPj
,?%Y*?v
[attachment=128682] RCK* ?\m5
MDd 2B9cy[
得到结果： DSp~k)
&lzCRRnvt
[attachment=128679] [attachment=128681] ?aTC+\=
^n4aoj
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。 - \ew,y
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： ;r]!
qv :
7pep\
[attachment=128676] z?`7g%Z?{
7+[L6q/K
像差分析 q
%t q9%
查看畸变 {ynI]Wj`L
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。 $m f6!p4
S4(?= ,^-
[attachment=128678] ~e){2_J&n
^y|`\oyqwN
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 [fkt3fS
M 0 8 A P YA 1 k4:=y9`R}$
S GIHT '?{L
gj^R
M 0 5 A P YA .7 }J \7IsM&
MUL CONST 2 B4m34)EOE
S GIHT ^QHgc_oDm
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： = 4'r+2[
lq Av
[attachment=128680] UK @hnQU8`
EF 8rh
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 'Q*lp !2>
~_-+Q=3
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 4}YHg&@\d%
8N#.@\'kz.
[attachment=128697] O4a~(*f
jcxeXp|00
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： f=4q]y#& X
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 >DzW OB
专门优化这一条MTF。 6-{wo)p
"Q tkNy%E
[attachment=128699] AX )dZdd
O G 7U+d6
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。 {qS Ye!`
f~p [iz t
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 ET6}V"UD
o1 &Oug
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 7#26Smv
再进行优化退火，50，2，50 Et)j6xz/F
7Uh/Gl
[attachment=128684] : +fW#:
P&Hhq>@Z
得到最终结构： I[ LHJ 4
f+QDjJ?z
[attachment=128683] _ukBp*u
GM@0$
各个像质结果： (xBWxeL~
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm xw1n;IO4
0INlo
变焦位置1： :&O6Y-/B
: :D i
[attachment=128685] {w9GMqq
基本参数 变焦位置1： QW wEfL
<gY.2#6C\%
[attachment=128686] rPJbbV",+^
O-<nL B!Wf
变焦位置8： 2wYY0=k2
M/8EaQs}
[attachment=128692] qI1J M =
畸变 cbX <
J n1 (-
变焦位置1： E&b!Y'
-[5yp 2F-{
[attachment=128687] +H3;{ h9,
fq[,9lK
变焦位置8： 9,A HC2kn%
Z %Yq{tAt
[attachment=128689] :x _; -
MTF d@<~u,Mt&F
/y5a~3
变焦位置1： 2?9 gf,U
2E=vMAS
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 8$6^S{ M3
Cn8w}) B
变焦位置8： ,*{9g6
UE%~SVi.#
[attachment=128690] ]1i1 _AR'`
vs Cy?
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 VaFv%%w
<a$'tw-8
相对照度 +Zi@+|"BCN
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 ~HyqHx y
变焦位置1： WH 0$v#8`v
WB>M7MI%
[attachment=128691] [attachment=128694] Eza B}BLQ9
vKcc | #
变焦位置8： 4qL H3I[Y
"_36WX
[attachment=128693] [attachment=128698] $_0~Jzt,
主光线角度 JnZlz?}^
远心度都在1°以内 HP eN0=7>
变焦位置1： c27\S?\
Jd
hG%J: }
[attachment=128695] Qo \;)
FaE,rzn)iD
变焦位置8： :=^_N}
* mj3 T
[attachment=128696] [%yCnt
总结： '"<h;|
j?cE0
hz
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。 I^yInrRh5
K\vyfYi
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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