变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 3 4
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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。 /HE{8b7n3F
h ^.jK2I
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。 h]]B @~
#AR$'TE#
所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。 U>i}C _7g
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[由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 Pil_zQ4
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设计要求 TFNB %|
]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系： 7Y%Si5
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I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) 2M>`W5
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 + MtxS l
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 @iU(4eX
C"0vM UZ
变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。 lt("yqBu
/,yRn3 1[
通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 c :2 w(BVi
FN<S agj
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： V/+D]
C)mR~Ey
光学参数： Optical system parameters Values Spectral region/nm 420-650 Focus/mm 25-32 FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96 Image size/mm 15.4×9.6 F/# 2.4 Telecentricity/(°) ＜1 Zg4kO;r08
Y6` ^E
像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 {pXqw'"1.
T<% %f.x[s
因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 ^&lkh@Y1q
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 M2nWvU$
gle<{
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[attachment=128669] [attachment=128673] [7\x(W-:@>
\iA.{,VX
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!)w@ I:
3=("vR`!
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 hs*n?vxp3
[attachment=128670] :rU,7`sE/
$=5kn>[_Z%
运行搜索宏可以得到10个初始结构： \b}%A&Ij
LvCX(yjZ*
[attachment=128671] MJA;P7 g
(sSGJS'X
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: K 8W99:v
&W}6Xg(
[attachment=128672] 2v<O}
}LY)FT4n
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。 X.V4YmZ- ;
Js&.p9S2
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）。 `PT'Lakf;3
] ; Kh!OBZFo
[attachment=128675] h!7Lvh`o
[attachment=128674] 变焦优化 tC5>K9Ed
l(HxZlHr
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。 r&_e3#]*
nE56A#,Q,
[attachment=128677] p V`/6
}
CY\D.Eow
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 V0G[f}tm'
!xU[BCbfYV
[attachment=128682] !8Y A1 o
89m9iJ=
得到结果： M[C )b\
%Iiu#- 'B
[attachment=128679] [attachment=128681] V ONC<wC
_:%i6c*"
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。 [ @2 $W?0i
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： aoBi N_
_Nh`-R%B)
[attachment=128676] z 'V$)U$f
dsg-;*%
像差分析 =y=MljEX
查看畸变 (|pM^+
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。 5n[''#D
Ph)>;jU
[attachment=128678] g" " Ep
iz 0:
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 8~F?%!X
M 0 8 A P YA 1 I]%Kd('
S GIHT j_h0 hm]
M 0 5 A P YA .7 T uC
MUL CONST 2 6ld /E
S GIHT {&a6<y #-
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： #|T2`uYotf
P26"z))~d
[attachment=128680] Pj_*,L`mZ
'.jYu7
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 l h6N3d
P&yB(M-z
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 G E? \Vm
gh t3#
[attachment=128697] cgO<%_l3`
z6P~HF+&h
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： AY;[v.Ff4
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 r`pf%9k
专门优化这一条MTF。 yb>R(y
c7.M\f P
[attachment=128699] Gzs$0Ki=
Qkw?Q V-`k
优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。 L2wX?NA
'dqecmB
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 YABi`;R]'
=MvB9gx@r
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 5hh6;)
再进行优化退火，50，2，50 )Cat$)I#,
'rq@9$h1W
[attachment=128684] P#V}l'j(<a
SE(c_ sX
得到最终结构： SM1L^M3)
4aW[`
[attachment=128683] ah, "c9YX
@( 0O9L
F
各个像质结果： ~ =I:go
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm [KCR@__
Q3Y (K\
变焦位置1： .gM6m8l9wp
R&$fWV;'
[attachment=128685] @}Q!K*
基本参数 变焦位置1： c`/=)IO 4%
oS} f r?
[attachment=128686] 9 Q *:II
i52JY&N
变焦位置8： Z>l<.T"t'
ZAn9A>5_
[attachment=128692] .&`apQD}
畸变 "{trK?-8%
YQWq*o^:
变焦位置1： &C)97E
)3<>H!yG}
[attachment=128687] uy<<m"cA;
gI"cZ h3}
变焦位置8： D6"d\F m<
Z[0/x.pp$
[attachment=128689] \;!7IIe#
MTF LFr $h`_D5
'=eVem=
变焦位置1： $~VIx% h
<@l j\,
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 j)#yyK{k2s
Wyow MFp
变焦位置8： >;R7r|^k
7 t oIbC#
[attachment=128690] g++-v HD
1=C<aRZ b^
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 KD\sU6
V DZOJM)(
相对照度 )vpYV r-
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 TtH!5{$s
变焦位置1： }`!-WY
cYXL3)p*Q
[attachment=128691] [attachment=128694] e,Y<$kPV
* dk(<g=fM
变焦位置8： x34GRe !!
Jr= fc*f
[attachment=128693] [attachment=128698] mlU j%:Gm#
主光线角度 rl&.|;5uH;
远心度都在1°以内 Q04
`+Vr
变焦位置1： SoHaGQox
!H<%X~| ,
[attachment=128695] Rha|Rk~
`%EcQ}Nr
变焦位置8： # K/JU{"
nR w f;K
[attachment=128696] _ n1:v ~
总结： da_0{ ;wR
CS5[E-%}T=
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。 ;>;it5 l=
@K}h4Yok
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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