变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 1^R:[L4R`
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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。 7TaHE
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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。 w}:&+B:
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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。 \NTN B9>CO
4.o[ :5'
[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。 \4FKZ>1+R
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设计要求 |j > fsk~
]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： ^Ss4<
#->#mshd4
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) c_+y~X)i
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 f8 3Tl~
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 B 4m y
u''~nSR3&
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。 8Z1pQx-P2C
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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。 J[7|Ul1
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确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： j+-+<h/(
H6! <y-
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 j n/
J-X=
Ej7>y wlW
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%。 _5l3e7YN
yG%<LP2p@f
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。 l;'#!hC)
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 szG 0?e
>~)IsQ*%
[attachment=128669] [attachment=128673] RbA.%~jjx*
Or9`E(
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： x O gUX6n
oyt#C HX
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 r@ 9qjva
[attachment=128670] 6~b]RZe7
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运行搜索宏可以得到10个初始结构： Xj+oV
Ohe* m[
[attachment=128671] LnY`f -H
zbM*/:Y
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: H6Qb]H. C
;;cP t44s
[attachment=128672] fNllF,8}
M! nwcxB!
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。 oP VyLD
e9e7_QG_-
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）。 ZZJXd+Q}
] R ]8^
@i1
[attachment=128675] eKj'[2G@/
[attachment=128674] 变焦优化
;p U=>
'CkN
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。 &Ge tRDr
A0hfy|1#L
[attachment=128677] cHO8%xu`
R:}u(N
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 =O?#>3A}
sKLH.@
[attachment=128682] <GthJr>1D
b }OOG
得到结果： C1 YG=!
Nr(3!-
[attachment=128679] [attachment=128681] @T6 Z3Zj}
G d 08RW
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。 O alBr?^
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： <y30t[.E6
Ad@Odx=o*R
[attachment=128676] ".=LzjE<gv
'z}Hg
*
像差分析 5_ }e?T&s
查看畸变 rW&# Xw/a
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。 0-9.u`)#yu
<m|\#Jw_V
[attachment=128678] tg X},OU^
*i>?YT
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 (3;dtp>Xx
M 0 8 A P YA 1 5cza0CriJ
S GIHT aYyUe>
M 0 5 A P YA .7 ; C+g)BW
MUL CONST 2 s?2DLXv}!
S GIHT uv,_?x\'
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： ?(!<m'jEy
/#,3JU$w
[attachment=128680] H"g$qSx
yQXHEB
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 (^ Q:zU
tKik)ei
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 C;3>q*Am4
P(Fd|).j$
[attachment=128697] u?>]C6 $
\ \ WIu?
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： q~K
KN /N
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 <%2A,
Vz"
专门优化这一条MTF。 X@[)j Ws
rkW2_UTZE
[attachment=128699] HcrI3v|6
us ^2Oplq<
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。 J} 03 5
f~3_Rv!
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 1YklPMx6
_H41qKS{Ul
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 nv9kl Q@
再进行优化退火，50，2，50 c<8RRYs
( _{\t gSm
[attachment=128684] < Y(lRM{
G\?q{
得到最终结构： j3W)5ZX
&$vW
[attachment=128683] H9^D lIv('
;'B\l@U\
各个像质结果： ZXf^HK
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm :!wdqn
r`THO j\cM
变焦位置1： {iv!A=jld
l&z)Q/>?pZ
[attachment=128685] !*?Ss
基本参数 变焦位置1： 4}~zVT0'~
l1|z;
$_z
[attachment=128686] +;}XWV
QX*HvT
变焦位置8： 8G>;X;W
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[attachment=128692] `dYM+ jpa
畸变 9Fl}"p[>L.
WrR97]7t
变焦位置1： !zw)! rV=
8%UI<I,
[attachment=128687] dJh T}"x
cNW [i"
变焦位置8： 0aMw
sW": ~=H
[attachment=128689] 5"Ibm D>D
MTF By
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y: 0j$%^
变焦位置1： B}.G(-u?7
HS|X//]
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 uLw$`ihw
GRanR'xG
变焦位置8： C} #:<Jx
\(lt [=
[attachment=128690] c1IK9X*
mW_<c,3D.
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。 "RG.27
hi>sD U< x
相对照度 =H_|007C
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 !O=J8;oLk
变焦位置1： X*2M Nx^K~
'"H'#%RU
[attachment=128691] [attachment=128694] ]_S&8F}|
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变焦位置8： :@TfhQV_=Q
B v^{|w
[attachment=128693] [attachment=128698] U @<>2
主光线角度 T4`.rnzyRb
远心度都在1°以内 E%M~:JuKd?
变焦位置1： I$ 4GM
&Bbs\
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[attachment=128695] -WIT0F4o;
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变焦位置8： eu(1bAfS&T
T!uK _
[attachment=128696] bJD2c\qoc
总结： & p 1Et
Y`QJcC(3
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。 Gw6*0& 3')
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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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