首页 -> 登录 -> 注册 -> 回复主题 -> 发表主题
光行天下 -> SYNOPSYS -> 变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课 [点此返回论坛查看本帖完整版本] [打印本页]

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 a$A2IkD  
]Kof sU_{  
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。 y)0gJP L^  
9GtLMpy  
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。 ixg\[5.Q+  
HhzkMJR8  
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。 6V+V zDo  
y(V&z"wk[  
[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。 `Yg7,{A\J  
JATS6-Lz`  
设计要求
iOKr9%9?Z  
]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: y|$vtD%c  
u<x[5xH+  
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) H^ESA s6  
I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 |C^ c0  
这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 er#8D6*  
hkkF1 h  
变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 r4;^c}  
?0? x+  
通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 <yis  
HI}pX{.\  
确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: fLLnf].O  
f34_?F<h  
光学参数:
Optical system parameters  Values
Spectral region/nm   420-650
Focus/mm    25-32
FOV/(°)    30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm   15.4×9.6
F/#    2.4
Telecentricity/(°)   <1
CX1L(Y[  
^- u[q- !  
像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 _3s~!2  
vd2uD2%con  
因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 ^qE<yn  
DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 <)r,CiS  
Z|V"8jE  
[attachment=128669]
[attachment=128673]
d4b 9rtM  
z4 GN8:~x  
以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: iK$Vd+Lgc  
zv8aV2?D  
搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
6-)7:9y  
[attachment=128670]
!%SdTaC{T  
yg]suU<z]  
运行搜索宏可以得到10个初始结构: yBpW#1=  
|#Yu.c*  
[attachment=128671]
tI/mE[W  
2U-#0,ll]  
从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: Zm"!E6`69  
GN"M:L ^k`  
[attachment=128672]
2+c>O%L  
'w>uFg1.  
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。 @2x0V]AI  
s!8J.hD'I  
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)。 T4%i`<i  
]  }qgqb  
[attachment=128675]
1puEP *P  
[attachment=128674]
变焦优化
{hW +^  
xi Ov$.@q  
修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 8:3oH!n  
TFiuz; *|  
[attachment=128677]
w>H%[\Qs  
=)"NE>  
输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 &0;{lS[N:L  
23B^g  
[attachment=128682]
>/ *?4  
l<0[ K(  
得到结果: rw}5nv  
v*C+U$_3\1  
[attachment=128679]
[attachment=128681]
SK2J`*  
~pX(w!^  
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。 (hRgYwUa<  
再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: Z9 ;nC zHm  
|k['wqn"  
[attachment=128676]
} kh/mq  
(Fbm9(q$d  
像差分析
D7gX,e  
查看畸变
886 ('  
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 Q G=-LXv:@  
e4>L@7  
[attachment=128678]
Pq[0vZ_}dN  
 *pS7/ Qe  
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 zd6Qw-D7x  
M 0 8 A P YA 1 1?e>x91  
S GIHT c'TiWZP~  
M 0 5 A P YA .7 %%-U .   
MUL CONST 2 M<M# < kD  
S GIHT HwV gT"  
从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: :?&WKW  
4$q )e<-  
[attachment=128680]
^J#*n;OQ3A  
*`S)@'@:(  
优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 x|,aV=$o  
r[UyI3(i^  
在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 "Dmw -  
*$4A|EA V  
[attachment=128697]
mER8> <  
98b9%Z'2f  
优化后,发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令: 5 vu_D^Q  
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 z6L>!=  
专门优化这一条MTF。 sBuq  
Jegx[*O>b  
[attachment=128699]
K,L>  
5.C[)`_  
优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。 vhE}{ED  
t7*H8  
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 '7O{*=`oj  
;+TF3av0zq  
优化宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
@6i8RmOu}  
再进行优化退火,50,2,50 tmY-m,U  
)kY _"= d  
[attachment=128684]
Fl'xmz^  
dx?njR  
得到最终结构: b/n8UxA  
[WO%rO^p  
[attachment=128683]
 8H%I|fm  
W_f"Gk  
各个像质结果: :zn ?<(sQ  
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm "e7$q&R |  
ttAVB{kdo  
变焦位置1: 8)q]^  
L9unhx  
[attachment=128685]
n%MYX'0  
基本参数
变焦位置1: 3Ld ;zW  
YL&b9e4  
[attachment=128686]
_G}CD|Kx  
,TfI  
变焦位置8: Y4 ~wNs6  
[nPzh Xs  
[attachment=128692]
   ,d [b"]Zy  
畸变
+O!M>  
g%q?2Nv  
变焦位置1: :'=~/GR  
GFc  
[attachment=128687]
UN .[,%<s  
"TH-A6v1  
变焦位置8: XdIVMXLL\  
v YmtpKNj%  
[attachment=128689]
   GT\s!D;<  
MTF
m|cWX"#g  
.jGsO0  
变焦位置1: hZ\W ?r  
#NQz&4W  
[attachment=128688]
已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 .L(j@I t  
#+ lq7HJ1  
变焦位置8: i>if93mpj  
,, H$>r_;  
[attachment=128690]
#ZnX6=;X  
vhquHy.qi#  
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 7Ae,|k  
uA/.4 b  
相对照度
Sp$x%p0  
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 1PTu3o&3  
变焦位置1: ~ ew**@N  
r dG2| Tp  
[attachment=128691]
[attachment=128694]
7pI \`*7b  
Wo WM  
变焦位置8: 0qd;'r<  
gjN!_^ _  
[attachment=128693]
[attachment=128698]
   O\8|niW|  
主光线角度
Lvj5<4h;  
远心度都在1°以内 IOSoc 7+"  
变焦位置1: H{A| ~V)  
't%%hw-m}  
[attachment=128695]
-S3+ h$Y8  
<%#y^_  
变焦位置8: v7OV;e a$  
QKaj4?p$|S  
[attachment=128696]
   I7z]%Z  
总结: JO^ [@  
nh&<fnh  
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。 }:D~yEP  
|tJ%:`DGw  
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。。!
查看本帖完整版本: [-- 变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课 --] [-- top --]

Copyright © 2005-2025 光行天下 蜀ICP备06003254号-1 网站统计