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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 B_1u<00kg  
,l"2MXD  
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。 6@36 1f[  
e=$xn3)McY  
成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力,如 CCTV 监控镜头,红外探测镜头,摄影镜头,双筒望远镜等等,镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件,放大缩小或局部特写,这是一个定焦镜头所无法完成的。 )O'<jwp$  
D($UbT-v  
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。 6 6;O3g'  
Q |r1.  
[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。 `{[C4]Ew/  
rkXSy g b  
设计要求
EnAw8Gm*  
]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: $VNn`0^gF  
'GT`% ck  
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) 7 i\[Q8f  
I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 IKj1{nZvDc  
这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 k!rz8S"  
0{uX2h  
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。 }z:=b8}  
2)]*re)  
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。 ?Cl"jcQ*  
@K> Pw arl  
确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: bm|8Jbsb&  
w N.Jyb  
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
KL{ uhb0f  
"aH]4DO  
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%。 )8PL7P84  
o*8 pM`uw  
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。 EPfVS  
DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 C*zdHzMj  
I#%-A  
[attachment=128669]
[attachment=128673]
n\,W:G9AR7  
j(N9%/4u  
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: Q4 S8NqE  
U{m:{'np(H  
搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
;trR' ~  
[attachment=128670]
1EB`6_>y  
[Y+ bW#'  
运行搜索宏可以得到10个初始结构: `UPmr50Wq  
HX^ P9jXT  
[attachment=128671]
1k(*o.6  
\`&fr+x  
从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: rZ7 Ihof  
=@ RVLml  
[attachment=128672]
Er`PYE J  
K>~l6  
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。 y+<HS]vyV  
jiDYPYx;I  
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)。 oyY,uB.|  
] %hh8\5l.:  
[attachment=128675]
 \ Ld7fP  
[attachment=128674]
变焦优化
%kT:"j(xW  
:}-[%LSV  
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。 G@2M&0'  
9IMcp~zX  
[attachment=128677]
;2~Q97c0  
pe-d7Ou P  
输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 8V= o%[t  
7y3; F7V  
[attachment=128682]
z~al h?H  
d29HEu  
得到结果: N4 pA3~P  
3& $E  
[attachment=128679]
[attachment=128681]
~gD'up@$/  
AseY.0  
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  
再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: ?CC6/bE-{  
U;/ )V  
[attachment=128676]
Z:{Z&HQC  
W*2SlS7  
像差分析
L $~Id  
查看畸变
l/5/|UE9  
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 ]SI`fja/  
bYfcn]N  
[attachment=128678]
[iD!!{6+  
Fk\xq`3'c  
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 TV}SKvu  
M 0 8 A P YA 1 m,b<b91  
S GIHT ?5D7n"jY  
M 0 5 A P YA .7 ()Z$j,2  
MUL CONST 2 w~`P\i@  
S GIHT ZJqmD  
从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: w,&RHQB  
G[mYx[BTz  
[attachment=128680]
^AN9m]P  
x8^Dhpr6  
优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 &}oDSD H^,  
|N*>K a;  
在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 q)/4i9  
PSE![whK  
[attachment=128697]
5BZ5Gl3  
c=5$bo]LI  
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: Wd7*sa3T  
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 Z-:`{dns/  
专门优化这一条MTF。 _Cxs"to  
*QLbrR  
[attachment=128699]
iR9iI!+;N  
-(jcsqDk  
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。 {_Y\Y&#  
'oTF$3n  
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 V\_ &2',t  
m{g{"=}YR  
优化宏
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<MYD`,$yu  
再进行优化退火,50,2,50 nm)F tX|A  
l"+=z.l6;  
[attachment=128684]
tP\Utl-0  
8WvT0q>]  
得到最终结构: !`u)&.t7  
,T]okN5uI  
[attachment=128683]
NH{0KZ R  
MKbW^:  
各个像质结果: YRK4l\_`  
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm 0@ -LV:jU  
o,29C7Ii  
变焦位置1: 0P|WoC X  
76 y}1aa  
[attachment=128685]
uB%`Bx'OW  
基本参数
变焦位置1: wm}i+ApK  
j9Lc2'  
[attachment=128686]
de"*<+  
j,~h:MT  
变焦位置8: )T^hyi$  
xHf l>C'  
[attachment=128692]
   *_ "j"{  
畸变
!Ed';yfz\(  
t ({:TQ  
变焦位置1: ?g!)[p`v  
qp7>_B  
[attachment=128687]
_ ZJP]5  
B"G;"X  
变焦位置8: O%)w!0  
MQhL>oQ  
[attachment=128689]
   #q%&,;4  
MTF
Ef#%4ky  
uoF9&j5E@Z  
变焦位置1: .7oz  
]]Wa.P~]O  
[attachment=128688]
已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 _KKG^ u<  
NbSwn}e_  
变焦位置8: N/Z<v* i"  
8NpQ"0X  
[attachment=128690]
5{{u #W%=  
)jn xR${M  
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 n]|[|Rf1  
4-s Uy  
相对照度
q$K^E  
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 Pj^6.f+  
变焦位置1: Ur_~yX]Mo  
oM J5;  
[attachment=128691]
[attachment=128694]
H1+G:TM  
kFeuKSa^d  
变焦位置8: d]CRvzW  
PX+$Us  
[attachment=128693]
[attachment=128698]
   KN5.2pp  
主光线角度
)abo5   
远心度都在1°以内 zDC-PHF HQ  
变焦位置1: o: qB#8X  
w_6h $"^x  
[attachment=128695]
 dY|(  
jytfGE:  
变焦位置8: D/rKqPp|!  
,myl9s  
[attachment=128696]
   uS3J^=>@(a  
总结: Y!}BmRLh2  
$kg!XT{ V  
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。 _.zW[;84b  
 R:-^,/1  
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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