变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 qn `
\g G\*`%B_ n 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。 =n MAw&` 'Y>@t6E4 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。 N gOc2I SdJkno 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。 g"D:zK) 7*47mJyc [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。 e`%<D[- p[D,.0SuC
设计要求 Q7?[@2HN ]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: 8*(|uX E1|:t$>Ld I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) vNAQ/Q I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 .vpx@_;]9 这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 R"e53 3
C0j`H( 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 v$R7" 'zYx4&s 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。 m?`$NJST f`p"uLNo< 确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: P".rm0@R iKgH
:[j
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 =OooTZb:x- $(pVE}J 像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 ~@K!>j oo!JAv}~ 因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 5f#]dgBe DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 t8"yAYj
4NmLbM&C8
[attachment=128669] [attachment=128673] c]/&xRd (Bu-o((N@0 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: /QVhT ')j@OO3
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 mbO.Kyfen
[attachment=128670] n7'X.=o7 uJL[m(G 运行搜索宏可以得到10个初始结构: !a9/8U_>XF ~*ll,<L:
[attachment=128671] ykG^(.E Z`kI6 从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: x=VLRh%Gvl %weG}gCM
[attachment=128672] 3[iHe+U( R}\n@X* 设置光阑,优化之后,观察镜头结构,选择第3/4片为前变焦组,5/6/7片为后变焦组,光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15,然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 xtRHb''FX el^WBC3 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件,按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头,使其变成一个变焦镜头(以下为 ZFILE 宏指令)。 =^gZJ@ ] O4Hc"v
[attachment=128675] k>7 2W/L^
[attachment=128674] 变焦优化 b)@b63P_ PkxhR;4 修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 u6~/"
_FwY >^%TY^7n
[attachment=128677] >^
M=/+<c @wO X</_g 输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。
+`Ypc MbjMO"}
[attachment=128682] F<A[S" .wz.Jr`{ 得到结果: eEMU,zCl Tjza3M
[attachment=128679] [attachment=128681] o"@GYc[" g:CMIe4 插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。 1A-ess\ 再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: W&8)yog. YVB\9{H?
[attachment=128676] @F0+t; AF-uTf
像差分析 `f+l\'.s
查看畸变 ;]xJC
j
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 uO;_T/^u or]kXefG3
[attachment=128678] O%?d0K @XFy^? 因此在优化宏中添加控制畸变的指令 )Y@mL/_ M 0 8 A P YA 1 [`Dv# S GIHT V?"SrXN> M 0 5 A P YA .7 Q,z^eMk'd: MUL CONST 2 0x]WW|se* S GIHT *FrlzIAom 从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: ]Sgc42hk RkuPMs
Hw;
[attachment=128680] /K<.$B8 l
d4#jV ei 优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 sX$EdIq ]Uee!-dZ 在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 YFY$iN~B, }tRY,f
[attachment=128697] C|W\qXCqu 4tv}V:EO 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: L+o"<LV] M 0.5 2 A M YMTF 1 72 =UW!
7OzC 专门优化这一条MTF。 46cd5SLK $Q cr
[attachment=128699] 1hn4YcHb Z U^dLN-N 优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。 <i(<|/$ T2^0Q9E? 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 sHSD`mYq xVn"xk
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 UfUboxT 再进行优化退火,50,2,50 RiX~YLeM ;>duY\$<
[attachment=128684] )|?s!rw + 3j
iSvrfI 得到最终结构: w[S!U<9/ uYv"5U]MFv
[attachment=128683] v8>?,N# QXcSDJ 各个像质结果: s;'jn_,0 RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm <s7OY`(8 _z$lg]q 变焦位置1: RN3-:Zd_X
;/Z9M"!u[
[attachment=128685] c[~LI<>ic
基本参数 变焦位置1: RS>;$O_(M 23AMrDF=N
[attachment=128686] DFKumw>! |%@.@c 变焦位置8: cJnAwIs_e` y.l`NTT]<
[attachment=128692] Q8kdX6NMd&
畸变 m6
)s X& ` 5.PPI\h2 变焦位置1: +v`?j+6z
1UHStR
[attachment=128687] u&!QP4$"z zIyMq3 变焦位置8: ]}~[2k. &GC`4!H
[attachment=128689] l<]@5"wN
MTF $~[k?D *hP9d;-Ar 变焦位置1: '<A:`V9M}v eco i4f
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 f<`is+" Z*}5M4 变焦位置8: B4yC"55 }CiB+
[attachment=128690] us2X:X) CO`%eL~ 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。 {p{TG5rwX UKBVCAK
相对照度 1q])"l"<
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 i,{'}B 变焦位置1: "t-u=aDl-. ndIf1}
[attachment=128691] [attachment=128694]
$rAHtr )jh4HMvmC 变焦位置8: dc.o K4G} W3XVr&
[attachment=128693] [attachment=128698] v[r5!,F
主光线角度 8Rgvb3u
远心度都在1°以内 qH3|x08 变焦位置1: SD "' *nv%~t
[attachment=128695] CLb~6LD 1e 8J-Nkj 变焦位置8: {xw"t9(fE H8V${&!ho
[attachment=128696] zHI_U\"8D 总结: |a(%a43fC :|s!_G < 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。 Ag3[Nu1 U;Iqz1S 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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