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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 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 M Aw&`  
'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$>Ld  
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) vNAQ/Q  
I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 .vpx@_;]9  
这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 R"e533  
 C0j`H(  
变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 v$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-  
$(pVE}J  
像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 ~@K!>j  
oo!JAv}~  
因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 5f#]dgBe  
DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 t8"yAYj  
4NmLbM&C8  
[attachment=128669]
[attachment=128673]
c]/&xRd  
(Bu-o((N@0  
以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: /QVhT  
')j@OO3  
搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
mbO.Kyfen  
[attachment=128670]
n7'X.=o7  
uJL[m(G  
运行搜索宏可以得到10个初始结构: !a9/8U_>XF  
~*ll,<L:  
[attachment=128671]
ykG^(.E  
Z`kI6  
从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: x=VLRh%Gvl  
%weG}gCM  
[attachment=128672]
3[iHe+U(  
R}\n @X*  
设置光阑,优化之后,观察镜头结构,选择第3/4片为前变焦组,5/6/7片为后变焦组,光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15,然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 xtRHb''FX  
el^WBC3  
设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件,按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头,使其变成一个变焦镜头(以下为 ZFILE 宏指令)。 =^gZJ@  
] O4Hc"v  
[attachment=128675]
k>72W/L^  
[attachment=128674]
变焦优化
b)@b63P_  
PkxhR;4  
修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 u6~/" _FwY  
>^%TY^7n  
[attachment=128677]
>^ M=/+<c  
@wOX</_g  
输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 +`Ypc  
MbjMO"}  
[attachment=128682]
F<A[S "  
.wz.Jr`{  
得到结果: eEMU,zCl  
Tjza3M  
[attachment=128679]
[attachment=128681]
o"@GYc["  
g:CMIe4  
插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。 1A-ess\  
再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: W&8)yog.  
YVB\9{H?  
[attachment=128676]
@F0+t;  
AF-uTf  
像差分析
`f+l\'.s  
查看畸变
;]xJC j  
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 uO;_T/^u  
or]kXefG3  
[attachment=128678]
O %?d0K  
@XFy^?  
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 )Y@mL/_  
M 0 8 A P YA 1 [`Dv#  
S GIHT V?"SrXN>  
M 0 5 A P YA .7 Q,z^eMk'd:  
MUL CONST 2 0x]W W|se*  
S GIHT *FrlzIAom  
从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: ]Sgc 42hk  
RkuPMs Hw;  
[attachment=128680]
/K<.$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
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UfUboxT  
再进行优化退火,50,2,50 RiX~YL eM  
;>d uY\$<  
[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;'j n_,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 )sX&  
` 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  
ecoi4f  
[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]
$rAHtr  
)jh4HMvmC  
变焦位置8: dc .oK4G}  
W3XVr&  
[attachment=128693]
[attachment=128698]
   v[r5!,F  
主光线角度
8Rgvb3u  
远心度都在1°以内 qH3|x08  
变焦位置1: SD"'  
*nv%~t   
[attachment=128695]
CLb~6LD  
1e 8J-Nkj  
变焦位置8: {xw"t9(fE  
H8V${&!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!  
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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