| 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
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 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
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 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。 TVSCjI
 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	IN
 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
Tz]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 k hD)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@h v
 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 请评论区留言联系工作人员获取代码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\XQE50
 
  HQ"
trV  
 [attachment=128685]  O2pE"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])D6i {I0 
 MTFstUv! 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: 9c k"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!
 dO1m
 
 [attachment=128695]<|Lz#iV37 Tb?X KO,
 变焦位置8: [9Rh" H;h
 )z74,n7-
 
 [attachment=128696]t!/~_}eD J 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!
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