变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 U ":"geU
&L3 #:jSk
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。 \qq-smcM-
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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。 mK\aI
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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。 j%xBo:
[j0w \{
[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。 ^ KO zCLC
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设计要求 U$J5r+>
]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系： iZ Ta>@
d]7*mzw^j
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) ~3 @*7B5Q
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 fv ?45f
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 wZ >Y<0,
js m0kz
变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。 F6&P ~H
1n3$V:00
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。 Xp^$
E6YFy
3+ asP&n
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： ^x3EotQ\
AU`OESSI
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 x5vzPh`
p#<nK+6.8
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%。 Mjw [:70
A$m<@%Sz
因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 /Sj_y*x1e
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头
FV8\ +ep
vU 9ek:.l
[attachment=128669] [attachment=128673] gMay
ua:9`+Dff
以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏： RAOKZ~ `
m)k-uWc$C
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 ~2 Oc
K
[attachment=128670] k+txb?
D(@SnI+
运行搜索宏可以得到10个初始结构： X|)Il8
`skH-lk,
[attachment=128671] o@',YF>OQ
]:!8 s\#
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: % &2B
Xky@[Td*
[attachment=128672] &m4f1ZO*
ku-cn2M/
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。 T7s+9CE
~=Fk/
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）。 7_7xL(F/
] I*9 Gb$]=
[attachment=128675] F]0Jwm{
[attachment=128674] 变焦优化 ]%||KC!O
G\uU- z$)
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。 vj(@.uU )
'l8eH$
[attachment=128677] KG-UW
yq!CWXZ 2
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 sq48#5Tc^r
35}P 0+
[attachment=128682] nHE+p\
9M;I$_U`vj
得到结果： cS5w +`,L
Px$'(eMj^3
[attachment=128679] [attachment=128681] @_(nd57oSs
65uZ LsQ
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。 01-p
`H+
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： H]U "+52h
rrbZ+* U
[attachment=128676] rdFs?hO
F6~b#Jz&i
像差分析 %odw+PhO
查看畸变 l#mtND3
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。 vW9^hbdx
= SA
4\/
[attachment=128678] ?Z5$0-g'hU
"[Yip5
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 7Zhli Y1
M 0 8 A P YA 1 qmQFHC_
S GIHT NuHL5C?To
M 0 5 A P YA .7 h)" 'YzCt
MUL CONST 2 `Uu^I
S GIHT b$ IY2W<Ln
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： )x y9X0
LPsh?Ca?N
[attachment=128680] HW^{ ;'kH~
{c.}fyN
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 $h C~ af6
KwY`<t1lA;
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 [ e$]pN%
G1,Ro1
[attachment=128697] bBd *}"v^"
rHH#@ Zx
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： 3L%Y"4(mm
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 D-;J;m
\
专门优化这一条MTF。 =B 1`R %t
0^-z?Kb<}
[attachment=128699] 7MR:X#2v>
4KN0i
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。 /^nP_ID
tW'qO:y+
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 bfcD5:q
w CqE4i
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 g`y/ _
再进行优化退火，50，2，50 Z?.:5#
EuhF$L1
[attachment=128684] {' cs![U
5|{ t+u
得到最终结构： QSlf=VK*y
g;|
n8]
[attachment=128683] T#ecLD#
cx,u2~43A&
各个像质结果： BN bb&]
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm sIP6GWK$
+9& ulr
变焦位置1： wpPxEp/
67EDkknt
[attachment=128685] 74</6T]^
基本参数 变焦位置1： 0hEF$d6U
PDa06(t7
[attachment=128686] ePFC$ kMn
GcU(:V2o
变焦位置8： .>cL /KaP
lUm}nsp=X
[attachment=128692] J{v6DYhi
畸变 &AkzSgP
y2 d_b/
变焦位置1： vCrW A-q#
`K ~>!d_
[attachment=128687] cfF-e93T
J@&$U7t
变焦位置8： cr F9,p
s` dkEaS
[attachment=128689] B@: XC&R^
MTF )Q N=>J
Sxx.>gP"61
变焦位置1： ~=aI2( b
*PA1iNdKS
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 o7Z#,>`2
ce-m )o/
变焦位置8： ESXU,
qK]v
knj,[7uh
[attachment=128690] S
-mz xj
~vvQz"
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 (*@~HF,t=
{yl/T:Bh&
相对照度 :D )&>{?
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 o cuNrkZ
变焦位置1： 7{6cLYl
~ P.-3
[attachment=128691] [attachment=128694] 2+hfbFu,1
=iQ`F$ M
变焦位置8： &bRxy`ZH
=.3P)gY )
[attachment=128693] [attachment=128698] \q)1 TTnHS
主光线角度 WG!;,~f>o
远心度都在1°以内 smQpIB;
变焦位置1： 5d >YE
.$T:n[@
[attachment=128695] &B>uPZ]
[n@!=T
变焦位置8： 2ucsTh@
(Os
OPTp
[attachment=128696] z]R!l%`
总结： [OToz~=)
'V*M_o(\
该变焦投影镜头所有指标已经基本满足要求，使用了13 片球面透镜加保护玻璃。对于片数比较多但变倍比比较小的变焦镜头，直接用 ZSEARCH 搜索花的时间太长或者搜不出好的结果，可以先用 DSEARCH 搜索一个变焦位置的结构，然后用 ZFILE 把它变为变焦镜头再优化。 J b-QP'$@
kJ5?BdvM&
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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