变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 PB[ Y^q
Bs?B\k=
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。 h"#[{ $(
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成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力，如 CCTV 监控镜头，红外探测镜头，摄影镜头，双筒望远镜等等，镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件，放大缩小或局部特写，这是一个定焦镜头所无法完成的。 "~V|p3
<!qN<#$y
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。 2!@ER i
hCpX# rg?
[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。 LIah'6q R
Y8i'=Po%,
设计要求 9:\#GOg
]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： "W71 #n+ [
"}|&eBH^<
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) e-&0f);i
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 }# cFr)4f
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 F7!q18ew
5~ip N/)E
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。 BYuoeN !
2)-V\:;js
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。 +HAd=DU
rlRRGJ \l
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： Ca]V%g(
NzBX2
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 ]K<mkUpY
?z{Z!Bt?=)
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%。
5~!&x@
5w9oMM {
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。 [}*xxy
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 v)c[-:"z
BN]{o(EB
[attachment=128669] [attachment=128673] ov xX.h O
V#Pz `D
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： *K#Ci1Q
]DJ] L=T7
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 U L3++bt
[attachment=128670] }f;c A
(@(rz/ H
运行搜索宏可以得到10个初始结构： 'Dx_ n7&=
ZHN}:W/p
[attachment=128671] e$Npo <u
TBU.%3dEyI
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: QnMN8 Q9
mo*ClU7
[attachment=128672] KQu lz
IpYw<2'
设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 "k> ;K, :
b!l/O2
G
设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。 \ L5h&
] 2;`F` }BA
[attachment=128675] %YLyh?J
[attachment=128674] 变焦优化 @ C" w
1}
nq,P.~l
修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。 0(h'ZV
WoSJp5By$
[attachment=128677] r>kDRIHB
V|T3blG?D
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 /9k}Ip
".|?A9m_
[attachment=128682] s9 .nU
Xhk_h2F[
得到结果： #- z(] Y,y
$g @-WNe
[attachment=128679] [attachment=128681] ^BN?iXQhN
UEh-k"
插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。 }DzN-g<K
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： wPRs.(]_
\?K>~{)
[attachment=128676] RI0 +9YJ
=7P(T`j
像差分析 >&DNxw
查看畸变 67b[T~92o
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。 ZNjq H[
H'2Un(#Al
[attachment=128678] ufc_m 4PN
\*x=q20
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 YA'_Ba(v)
M 0 8 A P YA 1 wJb"X=i*
S GIHT 1Zi(5S)
M 0 5 A P YA .7 h_?#.z0ih;
MUL CONST 2
}29Cm$p
S GIHT 99mo]1_
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： otSF8[
0ofl,mXW
[attachment=128680] 2Hj;o
t1%< l
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 > qDHb'
N \Wd 0b
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 j[q$;uSD
VQ]MJjvb
[attachment=128697] ckg8x&Z
/ar/4\b
优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令： qW(_0<E
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 VjhwafYC
专门优化这一条MTF。 0Q= o"@
8QaF(?
[attachment=128699] y+D"LeCAad
z6
A`/ jF}
优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。 G ?&T0
j9I eqlL
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 v*.#LJEm
76M` {m
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 7IV:X
_y
再进行优化退火，50，2，50 %G>|u/:U
my(yN|
[attachment=128684] KJLK]lf}d
4 fxD$%9
得到最终结构： va_TC!{ ;
I-`qo7dQ_S
[attachment=128683] H%:u9DlEK/
&ivPY
各个像质结果： c?1 :='MC
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm <0hJo=6a8
%=O$@.%Zc
变焦位置1： U~Ai'1?xz
_-.~>C
[attachment=128685] wcI4Y 0+J
基本参数 变焦位置1： \p&a c&]
_U@;Z*(%vh
[attachment=128686] Q,
!b
Q(e 3 - a
变焦位置8： ^"N sb &
V^^nJs
tV
[attachment=128692] LpJ_HU7@lk
畸变 Mi5" XQ>/
h c9? z}
变焦位置1： P!JRIw
i%R2#F7I
[attachment=128687] G3G"SJ np
! "Q8KV
变焦位置8： @$( /6]4p
xedbr
[attachment=128689] Y=6b oT
MTF ZoiCdXvTN
m ) 2t<
变焦位置1： 2 #+g4
Je6=N3)
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 X|WAUp ?
Kb# }f/
变焦位置8： :K) =Hf2y
W ,^(FR.
[attachment=128690] Va1 eG]jQ
EPz$`#Sh"
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 Czs4jHTa`
h4GR :`
相对照度 uT}Jw
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 #6tb{ws3
变焦位置1： BlV k?n
f(O`t }Ed
[attachment=128691] [attachment=128694] 3}H"(5dL}z
_faI*OY8
变焦位置8： 9K8f
##3
@
P=eu3
[attachment=128693] [attachment=128698] cs ?@Ri=g
主光线角度 'xdM>y#S
远心度都在1°以内 %KeQp W
变焦位置1： {9<2{$Og
.~4>5W"u
[attachment=128695] Z:#-4Ci P
#_+T@|r
变焦位置8： +|OkT
"mA Vkq~
[attachment=128696] \kiCczW_
总结： j/bebR}X
{Y9m;b,X
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。 ]u_^~
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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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