变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论
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Ld~/u]K%V
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。 d7upz]K9g
"KpGlY?^
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。 /([ kh~a
KZE,bi: ~
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。 k4J+J.|
N4!O.POP
[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。 n 7[V &`e_
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设计要求 24eLB? H
]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： d$!RZHo10V
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I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) rEW b"
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 )ez9"# MH'
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 :"c*s4
0GeTS Fj
变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。 3]S$ih&A
)y$(AJx$
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。 h:|qC`}
Fx.=#bVX7
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： 5 7c8xk[.2
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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 `|q(h Ow2
e9 B064
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%。 6i/(5 nQ
}|=|s 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。 b \2
d s,
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 .Q 2V}D85
'H;*W |:-]
[attachment=128669] [attachment=128673] xA*<0O\V
G 3ptx!
D
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： i XjM.G
s$j,9uRr
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 zO6oT1I
[attachment=128670] P& Vv /D
(4nq>;$3
运行搜索宏可以得到10个初始结构： Q$"D]!G
|sE'XT4ag
[attachment=128671] `ERz\`d~Y;
tCt#%7J;a
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: <a3 WKw
5{,<j\#L
[attachment=128672] sYA1\YIii
~P-mC@C
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。 'I;zJ`Trd
pQB."[n
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）。 |[8Th4*n
] `R^g U]Z,
[attachment=128675] $F.a><1rY
[attachment=128674] 变焦优化 ;O,jUiQ
%W S+(0*1
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。 @H8EWTZ
dWBA1p
[attachment=128677] GM< 9p_
B
jPkn[W#
6
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 <#4h}_xA%
>H ,*H;6
[attachment=128682] 8u]2xB =K
wMN]~|z>
得到结果： K3uRs{l|
COlaD"Y
[attachment=128679] [attachment=128681] Xch~
1K
`Pnoxm'
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。 tZo} ;|~'
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： $ ocdI5
A3 *!"3nU
[attachment=128676] 2X&qE}%k S
|y!A&d=xYn
像差分析 <~= Vg
查看畸变 q@2siI~W
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。 \'j|BJ~L f
8q7b_Pq1U
[attachment=128678]
!}$$:
sDV Q#}a
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 |4`{]2C
M 0 8 A P YA 1 QS`]
S GIHT poFg 1
M 0 5 A P YA .7 Ek}A]zC
MUL CONST 2 >
Nr# O
S GIHT |ENh)M8}r
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： x,V r=FB
BDVtSs<7
[attachment=128680] 6W
Ur QFK
P0b7S'a4!
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 QmIBaMI#
3;Fhg!Z O
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 #_ lDss
{ (}By/_
[attachment=128697] 3R V R
3+b t~J0
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： nQS|Lt_+
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 [ikOb8 G#
专门优化这一条MTF。 jZ;
=so
"zy7C*)>r
[attachment=128699] p()xz
@=kSo
-S X
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。 YK~%x o
DlNX 3
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 WuW^GC{7
W@!S%Y9
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 GuL<Z1 <c
再进行优化退火，50，2，50 #3d(M
6LZ;T.0o
[attachment=128684] pD]OT-8
- Y;3I00(
得到最终结构：
j
<RrLn_
gPc =2
[attachment=128683] 7=, ; h
c[Zje7 @
各个像质结果： -|\ZrE_h
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm 2GStN74X r
y* h<MQ
变焦位置1： WM P,\=6k0
! 0E&@X:-
[attachment=128685] RCLeA=/N@0
基本参数 变焦位置1： #cLBQJ q
61
~upQaR
[attachment=128686] wH6aAV~1
jlg(drTo
变焦位置8： (_{y B[z>`
4nz 35BLr
[attachment=128692] uSBa DYg
畸变 tFl"n;~T
sUm '
变焦位置1： #LN`X8Wz'
j 1HW._G
[attachment=128687] 7vj2
`+r.
9Lfv^V0
变焦位置8： 4I5Y,g{6+
Oz#{S:24M+
[attachment=128689] o,3a4nH;
MTF <_KIK
9 JK Ew
变焦位置1： ymcLFRu,
EDs\,f}
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 ]]j; /TiG
?@
$r
变焦位置8： hwNf~3eJk
Q.c\/ &
[attachment=128690] E q+_&Wk
B^jc3 VsR
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 ef E.&]
:S( ZzY
Q
相对照度
^L&iR0
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 `x%>8/
变焦位置1： *s iFj
CN<
N= g"( %
[attachment=128691] [attachment=128694] &XUiKnNW
njA#@fU
变焦位置8： {P#|zp 4C{
Hg (Gl
[attachment=128693] [attachment=128698] 1hNq8 *|
主光线角度 57'4ljvYi
远心度都在1°以内 sds"%]r g
变焦位置1： I Rqy%@)
I[X772K
[attachment=128695] 3%=~) 7cF
{U !g.rh
变焦位置8： P J[ `|
=[jXe
[attachment=128696] }| 5Pr(I
总结： fL7xq$K
>t_ 6B~x9
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。 )B8$<sv
4x[S\,20
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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