变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 L=9w
3VXS wX!>&Gc. 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。 P:8P>#L o}4J|@Hi|4 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。 }qhNz0* PC3-X['[ 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。 !WD~zZ|
CF?TW [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。 ?()$imb* -WX{y Ci
设计要求 Wk"\aoX"E ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度,镜头的焦距会随之变化,通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面:CCD 或COMS 或其它探测面),在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系: YPY'[j(p`n C@8WY I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) UPI'O % I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 |Q _]+[ 这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 [)&(zJHX z8"(Yy7m 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 eGJ}';O,g t:h~p-&QB 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 ^%:syg_RM[ zu8l2(N 确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: `mfN3Q*[c h+rrmC
光学参数: Optical system parameters Values Spectral region/nm 420-650 Focus/mm 25-32 FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96 Image size/mm 15.4×9.6 F/# 2.4 Telecentricity/(°) <1 Ea7LPHE# i[wEH1jR 像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 d^Jf(NE0Yo "7T9d) 因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 DY~zi DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 %bs~%6) DE^ @b+6
[attachment=128669] [attachment=128673] ~!Q\\_ -#ta/*TT: 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: a &89K BVt)~HZ
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 Ehv*E
[attachment=128670] #ir~v>J|| {hLS,Me 运行搜索宏可以得到10个初始结构: zU7/P|Dw+ N){/#3
[attachment=128671] du:%{4 l]GUQcN= 从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: vV?=r5j !AGjiP$
[attachment=128672] X~Yj#@ BP7&wd 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。 4X5Tyv(Dp iB:](Md'r 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)。 Ao:<aX,= ] ?oc#$fcQ~
[attachment=128675] *
@QC:1k
[attachment=128674] 变焦优化 ]qLro< o y'GAc/ 修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 Y_}DF.>I P !M[a/7x,p
[attachment=128677] 5V^+;eO `XJU$c 输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 @AgV7# A{!D7kwTz~
[attachment=128682] K`25G_Y3@ Zu$30&U 得到结果:
Psf'#4g lAM"l)Ij
[attachment=128679] [attachment=128681] &mM[q'V <L72nwcK 插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。 wjr1?c 再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: sKkk+-J4 /puM3ZN
[attachment=128676] {=Y.Z1E: Y-.pslg
像差分析 >q:0w{.TU
查看畸变 Lb'HM-d
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 ~;f,Ad`Q !]W}I
[attachment=128678] vB :_|B d0`5zd@S 因此在优化宏中添加控制畸变的指令 >|Hd*pg)) M 0 8 A P YA 1 U(.3[x S GIHT O=HT3gp& M 0 5 A P YA .7 }538vFNi MUL CONST 2 p.gaw16}> S GIHT QzwA*\G 从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: =]OG5b_-Y P(1bd"Q
[attachment=128680] BJM_kKH `[.':"~2N 优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 7h4"5GlO0 K#B)@W?9 在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 O>=D1no*
W6&s_ (
[attachment=128697] L
y!!+UM\ KT)A{i 优化后,发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令: |kHPk)}I] M 0.5 2 A M YMTF 1 72 Hw1<!Dyv 专门优化这一条MTF。 D3^Yc:[_@ hJ+;N
[attachment=128699] 8?lp:kM g|W|>`> 优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。 BwN65_5p p+O2: 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 m)A~1+M$)L CvwC| AW
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 F 8\nAX 再进行优化退火,50,2,50 Ie#LZti 7R 40t3
[attachment=128684] 6#/Riu% 7Ca+Pe}/n, 得到最终结构: a'LM6A8~x #6[7q6{4
[attachment=128683] `7|\Gqy -Mb`I >= 各个像质结果: Mh04O@" RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm x"@Y[ %)7HBj(*J 变焦位置1: : QK )Ym
SArSi6vF
[attachment=128685] a *n^(
基本参数 变焦位置1: PYldqY {iGk~qN
[attachment=128686] C F2*W).+ /dU-$}>ZI 变焦位置8: dMAd-q5{ k%iZ..
[attachment=128692] 9/rX%
畸变 U"} ml "o
+" Jd 变焦位置1: #`tn:cP 2k,!P6fgl
[attachment=128687] Sm;EWz-? 7/.- dfEK 变焦位置8: LQ5 WS #P,mZ}G\
[attachment=128689] xm@vx}O:
MTF t_@xzt10y 0*66m:C2 变焦位置1: p)d0ZAs WN?1J4H
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 |Uz?i7z Ol4)*/oZ 变焦位置8: B_w;2ZuA #un#~s
7Q
[attachment=128690] ~Uw**PT3M Dp
0
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。 zmf`}j[ "^j&
^sA+
相对照度 YYDLFtr2
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 [gZd$9a 变焦位置1: i7:R4G(/# r40#-A$
[attachment=128691] [attachment=128694] h>,yqiY4p 4&IBNc,sn 变焦位置8: &:g5+([< |