变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 5&q8g;XiEM
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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。 @qn D=mE
e[ /dv)J
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。 XAe% m^
5yiK+-iTs
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。 y10h#&k
X7i/fm{l'
[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。 4y'OMRy
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设计要求 ~(IB0=A{v
]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_6Q~
3
"Q= Vl"
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) LM-J !44
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 70;Jl).\{
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 lAJxr8 .
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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。 ;F~LqC$
Bxfc}vC.
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。 d~`x )B(
m A*AeP_$
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： f' aVV !
T|dY
2
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 `P8Vh+7u
X~<("
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%。 /Ya_>+oo
[h 34d5'w
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。 /s[l-1zW
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 NX/;+ {
'=G|Sq^aO
[attachment=128669] [attachment=128673] WeQk<y
R%qGPO5Z\c
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$ BmGQ
]):< ZsT
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 qLT>Mz)$ %
[attachment=128670] zOqn<Y@
n1&% e6XhO
运行搜索宏可以得到10个初始结构： ghX|3lI\q
I]&#Dl /
[attachment=128671] LjUy*mxw
aP8H`^DFX>
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: K,bo VFs
(
|P Ax (
[attachment=128672] LK, bO|
E gal4
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。 HaYE9/xS
"(3BvMA&!9
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）。 ;+<&8. =,)
] A%D7bQ
[attachment=128675] w -
Pk7I
[attachment=128674] 变焦优化 L2pp6bW
_/s (7y!
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。 Jnna$6 G)B
hvuIxqv !y
[attachment=128677] @1 U&UH
&znQ;NH#
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 & M~`:R
;z IP,PMM
[attachment=128682] @ H7Wb}
ZP;j9 T!
得到结果： p"FW&Q=PN
E 2"q3_,,
[attachment=128679] [attachment=128681] FFH_d <q
E7CH^]x
插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。 Bnb#{tL
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： gOr%!QaF
nD)K}4
[attachment=128676] &p}$J )q
v|Yh w
像差分析 EvWzq%z
l
查看畸变 2Ri{bWi
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。 o4%y >d)
59%tXiO
[attachment=128678] ` bdZ/*E
"v`
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 r4Qx oaM
M 0 8 A P YA 1 ;w %*M}`5
S GIHT rc/nFl 6#
M 0 5 A P YA .7 ooV3gj4
MUL CONST 2 ^B@Wp
S GIHT -,+q#F
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： h-m \% |D
:^fcC[$K
[attachment=128680] raCi 8
UY <e&Npo
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 Ojt`^r !V
g=]u^&
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 g*F '[Z."
Q^q1 ns;r
[attachment=128697] sPps q
13+<Q \
优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令： Vg>( Y,
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 _ ^ 'I
专门优化这一条MTF。 ,N
e;kI
GN0`rEh
[attachment=128699] gCN$}
Vm d f8[5
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。 G
<uyi n>
hTEx]# (
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 ^kgBa2 7
l%`F&8K
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 hTM[8 ~<^
再进行优化退火，50，2，50 b
L]erYm
1|?05< 8
[attachment=128684] PmR~ c,
w,Lvt
}
得到最终结构： T`9u!#mT=
^m /oDB-
[attachment=128683] ? B E6
"F}'~HWZp
各个像质结果： v 0kqu
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm <N`J`J-[
PI~1GyJr@;
变焦位置1： 0V{(Ru.O
2<][%> '
[attachment=128685] v NeCpf
基本参数 变焦位置1： W?We6.%
cwuO[^ S}
[attachment=128686] 5hbJOo0B Z
"
beQZG
变焦位置8： je6CDF qw
@_"9D y Y%
[attachment=128692] q\q=PB6r
畸变 oP2fX_v1x
gxT4PQDy
变焦位置1： `- \/$M9s=
R@*O!bD
[attachment=128687] Y'u7 IX}
cDoo*
变焦位置8： ,j?.4{rHJ
p)=~% 7DV
[attachment=128689] g!`3{
/4
MTF c=;:R0_'t
6SC,;p=
变焦位置1： yg2uC(2
`?y<>m*
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 6MG9 a>=
o%4G d~
变焦位置8： =rd |0K"(r
' i8 U
[attachment=128690] Ka| eFprS
/q@ s
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 97,rE$bC
e *
相对照度 3loY qeP
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 +xXH2b$wWC
变焦位置1： Z/6qG0feJ
/?6gdN
[attachment=128691] [attachment=128694] v6GsoQmA
JTqq0OD}
变焦位置8： PU {uE[
#Ch;0UvFF
[attachment=128693] [attachment=128698] M('d-Q{B7L
主光线角度 2T)sXB u
远心度都在1°以内 5 #]4YI;
变焦位置1： T'#!~GpB
A;J MV+2N
[attachment=128695] fIocq
=9G;PVk|
变焦位置8： tQ~W EC
>qo~d? +
[attachment=128696] }K(o9$V ^!
总结： i1oKr Rv
#g5^SR|qE
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。 m9md| yS
ir:d'g1k
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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