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小火龙果 2024-05-18 22:36

变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课

概论 dm R3Y.\jd  
N_C_O$j  
成像镜头包括定焦镜头和变焦镜头,我们在日常生活中使用的光学系统大多是可以变焦的,比如手机镜头、专业相机的镜头、显微镜等。 1a9w(X  
n_$yV:MuT!  
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。 Ohl} X 1  
)-&nxOP  
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。 FsCwF&/q  
/aUFc'5  
[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。 2/tb6' =  
Jm![W8L  
设计要求
\_oy$>;  
]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: \Tq "mw9P  
$cK^23H/Fj  
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) 0->/`/xm  
I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 Bt>}LLBS2  
这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 =aow d4 t  
TC-f%1(  
变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 E_[ONm=,  
r#xk`a  
通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 xQz#i-v  
Kp_jy.e7&  
确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: 'yNPhI  
xbC~ C~#  
光学参数:
Optical system parameters  Values
Spectral region/nm   420-650
Focus/mm    25-32
FOV/(°)    30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm   15.4×9.6
F/#    2.4
Telecentricity/(°)   <1
Js}tZ\+P75  
4]UT+'RubX  
像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 /!b x`cKG  
L_*L`!vQA"  
因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 !b%,'fy)  
DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 11*"d#  
~t9$IB  
[attachment=128669]
[attachment=128673]
Tcs3>lJ}   
P $h;SK  
以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: C MqM;1  
y@9Y,ZR*  
搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
7l}~4dm2J  
[attachment=128670]
d]k='  
SY6r 8RK  
运行搜索宏可以得到10个初始结构: r"]Oe$[#  
\|!gPc%s  
[attachment=128671]
/:6Q.onmLn  
s<{GpWT8  
从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: gY\mXM*^  
&V;x 4  
[attachment=128672]
7Jc<.Z"/Gd  
^4hc+sh0D  
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。 )b (X  
` Y\QUj  
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)。 !@yQK<0  
] ,$i<@2/=m  
[attachment=128675]
QAXYrRu  
[attachment=128674]
变焦优化
9<qx!-s2rr  
-CElk[u  
修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 ./!KE"!  
Ko-QR(  
[attachment=128677]
*C/KM;&  
g!5#,kJM  
输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 ULbP_y>(Y  
%f#\i#G<k  
[attachment=128682]
7`+UB>8  
|bvGYsn_#=  
得到结果: %((cFQ9  
P59uALi  
[attachment=128679]
[attachment=128681]
M[vCpa  
>!G5]?taa  
插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。 /]l f>\x1  
再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: `NoCH[$!+  
(T2<!&0 @  
[attachment=128676]
xx}'l:}2 ]  
" V/k<HRw  
像差分析
tQ6|PV  
查看畸变
hf[IEK  
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。 bF7`] 83  
wISzT^RS  
[attachment=128678]
6<Be#Y]b  
?bCTLt7k  
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 '&{(:,!B  
M 0 8 A P YA 1 9Iy[E,j  
S GIHT l85CJ+rg  
M 0 5 A P YA .7 p?KCVvx$  
MUL CONST 2 *ig5Q(b*N  
S GIHT X[Y #+z4  
从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: o+R. u}|  
{vCU^BN,k  
[attachment=128680]
np&HEh 6  
rcpvH}N:  
优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 ar=hx+  
OC`QD5  
在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 dfXV1B5  
],!p p3U  
[attachment=128697]
w`"W3(  
<,#rtVO$  
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: lTd+{TF.  
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 &8.z$}m  
专门优化这一条MTF。 N_|YOw6  
~ 6TfW~V  
[attachment=128699]
o(BYT9|.kw  
M~#5/eRX  
优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。 F 'fM?!(  
Rf&^th}TH  
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 >hh"IfIZ4  
C3^X1F0  
优化宏
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sCuQBZ h  
再进行优化退火,50,2,50 30e(4@!4vW  
Ynv 9v\n|  
[attachment=128684]
'[0 3L9  
(d1V1t2r6  
得到最终结构: p3i qW,[@  
(}~ 1{C@  
[attachment=128683]
`,<>){c|  
,2Sv1v$  
各个像质结果: xy2eJJq  
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm kemr@_  
tVK?VNW  
变焦位置1: 9LUP{(uq  
Yf%[6Y{  
[attachment=128685]
axt6u)4%7:  
基本参数
变焦位置1: ?d,acm  
0`zm>fh}  
[attachment=128686]
zhD`\&G.  
a'(lVZA;  
变焦位置8: e /ppZ>  
% DHP  
[attachment=128692]
   hwG||;&/H  
畸变
.l" _ K  
LK oM\g(  
变焦位置1: Xb8:*Y1'  
t2`X!`  
[attachment=128687]
P<g|y4h  
R;N>#_9HU  
变焦位置8: j.e`ip  
S<)RVm,!e  
[attachment=128689]
   X,Q 6  
MTF
(W{rv6cq  
+$Ddd`J'  
变焦位置1: GNj/jU<o!  
:$u{  
[attachment=128688]
已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 9 ^=t@  
FeincZ!M  
变焦位置8: ?`BED6$`G9  
d60Fi#3d  
[attachment=128690]
'8((;N|I^  
2t~7eI%d  
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 "J0Oa?  
MWp\D#H  
相对照度
Ve')LY<  
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 )PanJHtU  
变焦位置1: 5Rt0h$_J  
 K{7S  
[attachment=128691]
[attachment=128694]
OQX{<pQ6  
UC<[z#]\;  
变焦位置8: g~WNL^GGS  
}rb ]d'|  
[attachment=128693]
[attachment=128698]
   yQQDGFTb!=  
主光线角度
FcbA)7dD  
远心度都在1°以内 ~,3v<A[5Vi  
变焦位置1: WhVmycdv  
R*c0NJF  
[attachment=128695]
_tR.RAaa"  
lpX p )r+  
变焦位置8: `U?H^,FVA  
&t=>:C$1Y  
[attachment=128696]
   >?uH#%C5  
总结: iTtAj~dfZ  
`'tw5}  
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。 Qe=Q8cT  
BIB>U W  
好了,本节课到此完毕,期待与您的再次相遇,下周见!  
hello2024 2024-05-18 23:34
变焦投影镜头设计
zyx110zyx 2024-10-03 22:38
学习一下
pls24 2025-02-26 14:08
谢谢楼主分享。。!
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