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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 8uW%jG3/  
;g2UIb?{6  
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。 61gyx6v  
_]D 6m2R  
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。 *O[/- p&7  
;<b7kepR  
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。 Q^@7Yg@l  
Hmx.BBz  
[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。 T VSCjI  
G'dN<Nw6  
设计要求
!yq98I'  
]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: r[GH#vF;7  
VTyj<6Y  
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) B J I N  
I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 gLZJQubz 6  
这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 vo&h6'i>7  
15' fU!  
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。 ,Sy& ?t}`  
lHTr7uF(  
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。 }ALli0n`V)  
`cN8AcRHP  
确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: tuuwoiQ*`  
TGPZUyi3!=  
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
'<1Cta`  
o>Dd1 j  
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%。 Y(?SE< 4R  
xpwy%uo  
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。 e:.?T\  
DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 a{rUk%x  
!u  .n  
[attachment=128669]
[attachment=128673]
kDM?`(r  
aU[!*n 4Ux  
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: .4$F~!aj9  
w8J8III\~  
搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
H/;AlN|!  
[attachment=128670]
'Yc^9;C(  
p T z]8[^  
运行搜索宏可以得到10个初始结构: ! R3P@,j  
#qD[dC$[t  
[attachment=128671]
@'?gan#(  
-:J<JX)o  
从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: fH:S_7i  
\n^[!e"`  
[attachment=128672]
Q |S>C%4?  
=20 +(<  
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。 734n1-F?I%  
 y}|E)  
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)。 )/~o'M3  
] N`N?1!fM<}  
[attachment=128675]
A:yql`&s  
[attachment=128674]
变焦优化
-"H0Qafm  
 M}@>h  
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。 MEp{&#v|1  
EIyFGCw|U  
[attachment=128677]
imAOYEH7}  
}:;UnE}  
输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 C+5X8  
WXDo`_{R  
[attachment=128682]
suGd&eP|  
<8Nr;96IA  
得到结果: Em5,Zr_  
]+B.=mO_  
[attachment=128679]
[attachment=128681]
E'(nJ  
khD)x0'b  
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。 t+]1D@hv  
再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: _9p79S<+  
ki/Cpfq40*  
[attachment=128676]
8c_X`0jy  
3G2iRr.o  
像差分析
^Qn:#O9  
查看畸变
#M+_Lk3  
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。 *vEj\  
M5t.l (  
[attachment=128678]
EBz4k)@m  
iXL^[/}&?M  
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 :M f8q!Q'  
M 0 8 A P YA 1 cs9h\]ZA  
S GIHT kN8B,  
M 0 5 A P YA .7 1,Mm+_)B  
MUL CONST 2 $8AW  
S GIHT )|k#cT{=M  
从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: u U>L (  
-"i $^Q`  
[attachment=128680]
DG0I- "s  
3/yt  
优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 b09xf"D  
4# ]g852  
在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 ZZTf/s*  
2/uZ2N |S  
[attachment=128697]
g7*Uuh#  
]j6K3  
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: ;Oqf{em];  
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 P3Lsfi.  
专门优化这一条MTF。  G +41D  
c_M[>#`  
[attachment=128699]
gTOx|bx  
H-v[ShE  
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。 B7|%N=S%/  
bDJ!Fc/  
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 ``$$yS~d};  
6DK).|@$r  
优化宏
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vR2);ywX  
再进行优化退火,50,2,50 rwP)TJh"  
Qzo -Yw`=  
[attachment=128684]
c ^.^5@  
XM w6b*O  
得到最终结构: h$6'9rL&i  
Haekr*1%  
[attachment=128683]
wCR! bZ w  
fR'!p: ~  
各个像质结果: :l!sKT?:d!  
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm v~T)g"_|  
"c]9Q%  
变焦位置1: K\XQ E50  
HQ" trV  
[attachment=128685]
O2p E"8=4Q  
基本参数
变焦位置1: V;"2=)X  
I *sT*;U  
[attachment=128686]
g'7\WQ  
Mog [,{w  
变焦位置8: ]BbV\#  
26nwUNak  
[attachment=128692]
   1Td`S1'#yg  
畸变
&dmIv[LU  
t,8?Tf+i  
变焦位置1: RH _b  
R+(f~ j'  
[attachment=128687]
F1-"yX1B  
R8u8jG(4  
变焦位置8: ;nW;M 4{  
Tgtym"=xd  
[attachment=128689]
   )D6 i {I0  
MTF
stUv!   
MZ-;'w&Z  
变焦位置1: ]wEI *c(  
|gP)lR  
[attachment=128688]
已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 #<9'{i3  
\i//Aq  
变焦位置8: 9ck"JMla  
,e;,+w=~E  
[attachment=128690]
3))R91I  
qp6'n&^&  
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。 e.DN,rhqI  
Ea<\a1Tl43  
相对照度
4_j_!QH87  
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 :'C?uk ?  
变焦位置1: .*njgAq7  
.`+~mQ Wn  
[attachment=128691]
[attachment=128694]
; I-6H5  
zx=eqN@!@  
变焦位置8: 9v*y&V9/  
@Q2E1Uu%  
[attachment=128693]
[attachment=128698]
   36+/MvIT  
主光线角度
EHn!ZrQgh  
远心度都在1°以内 6c-'CW  
变焦位置1:  XA;PWl5!  
dO1 m  
[attachment=128695]
<|Lz#iV37  
Tb?XKO,  
变焦位置8: [9Rh"H;h  
)z74,n7-  
[attachment=128696]
   t!/~_}eDJ  
总结: R"O%##Ws  
M *3G  
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。 b' M"To@  
IO8 @u;&  
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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