变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 =Gsn4>~%n
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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。 9L3#aE]C
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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。 _E q*
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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。 p x;X} Cd
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[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。 0Yz
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b|U48j1A
设计要求 "0Xa?z8"
]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： fdr.'aMf%
v~- z["=}!
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) m~s.al(G91
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 F@Bh>Vb
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 TTjj.fq6
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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。 :UjHP}s
vUa~PN+Iy
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。 EoLF7j<W
;)ff Gg>
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： PA F2=
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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 j^A0[:2
e 6s-;
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%。 ]p3hq1u3&
x7 $U
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。 $-""=O|"
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 zRyZrt,%&
2YvhzL[um
[attachment=128669] [attachment=128673] 6hKavzSi
;p ~@*c'E
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： T
xRa&1
hg7`jE&2
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 2GRh8 G&5
[attachment=128670] =L~,HS(l ,
9 ls<Y
运行搜索宏可以得到10个初始结构： }vBk ,ED
@Tmqw(n{
[attachment=128671] "Yw-1h`fR
k>#,1GbNZy
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: e"en
ma\_
{UT>>
*C
[attachment=128672] !Dp4uE:Pq
s]Z/0:`
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。 cad 1eOT'
k^gnOU ;
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）。 * bmdY=#7
] R{S{N2+p(
[attachment=128675] Q1V 4bmM
[attachment=128674] 变焦优化 cw#p!mOi~
Mj5=t:MI
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。 X~abn 7_
vW6Pf^yJ
[attachment=128677] *1 iJ a
7 ]a6dMh
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 '3=[xVnv
(PU0\bGA
[attachment=128682] Ty\&ARjb 8
0hcrQ^BB!b
得到结果： `.n kC_d
s9)
@$3\
[attachment=128679] [attachment=128681] SF KW"cP
QFI dp R.
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。 g<oSTA w
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： { /12.y=)~
[r_,BH\nu
[attachment=128676] 3EB8ls2
k!O#6Z
像差分析 I"*g-ji0
查看畸变 ?1}1uJMj-
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。 2J rr;"r
Sai_rNRWB
[attachment=128678] tDFN
*#(
D8slSX`6j
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 l/;OC
M 0 8 A P YA 1 ]hTYh^' e
S GIHT $ 6atr-Pb
M 0 5 A P YA .7 2H fP$ .
MUL CONST 2 ],R rk]1
S GIHT VztalwI
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： %).phn"ij[
laqKP+G
[attachment=128680] 34 U/"+|z
^ #e:q
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 K ) $.0S9d
& PrV+Lv
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 w(n&(5FzB<
fHYEK~!C04
[attachment=128697] 3WS`,}
ymXR#E
优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令： Y &`Vs(
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 HY9H?T
专门优化这一条MTF。 gE(QVbh(
{4ON2{8;4
[attachment=128699] G+AD
&EHV
c3&F\3
优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。 VkhZt7]K}B
"Q'#V!
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 J]nb;4w
-\\}K\*MJ
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 v>.nL(VLjP
再进行优化退火，50，2，50 fG;)wQJ
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/&aC#'B
[attachment=128684] JT&CJ&#[h
:2Qm*Y&_$V
得到最终结构： -% PUY(
C9x'yB Dv
[attachment=128683] e{U`^ao`F8
*RUB`tEL
各个像质结果： z|F>+6l"Y7
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm b* qkox;j
qqQ nL[`)C
变焦位置1： nVw]0Yl
wKe^ 5|Rr
[attachment=128685] w w nc
基本参数 变焦位置1： -'3vQXj&
n99:2 r_
[attachment=128686] lYv :
Wt()DG|[
变焦位置8： SG
|!wH^
: aLShxKA
[attachment=128692] N+\#k*n?
畸变 Q#urx^ aw
5|x&Z/hL
变焦位置1： U }MU>kzb
pZ+zm6\$
[attachment=128687] +che Lc
EK_NN<So#
变焦位置8： }f ZT$'*;
h eZJ(mR
[attachment=128689] %;^[WT`,
MTF Thn-8DT
p*_g0_^
变焦位置1： p]*$m=t0r
jIv+=b#oT
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 f|WNPFQ$x
Q/\
<r G4
变焦位置8： [{6]i J
jr~ +}|@{
[attachment=128690] hz<kR@ k}
?{\8!_Gvsl
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 *W y0hnr;]
T5B~CC'6
相对照度 6S])IA&VJ
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 .Di+G-#aEs
变焦位置1： Se*ZQtwE
}h5pM`|1
[attachment=128691] [attachment=128694] "Vho`x3
8xDS eXh;
变焦位置8： ?'P8H^K6u
(NOAHV0H
[attachment=128693] [attachment=128698] Zla5$GM
主光线角度 vU S$DU F
远心度都在1°以内 ppN96-]^0
变焦位置1： cInzwdh7
?T7`E q
[attachment=128695] !O@qqg(>
m=z-}T5y!T
变焦位置8： u Y V=
%((F} 9_6
[attachment=128696] OQ
5 {#
总结： ZL #4X*zT
R)WvU4+U
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。 <po.:c
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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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