变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 )pJzw-m" <[*s%9)'9 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。 2>mDT YVzK$k'3U 成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力,如 CCTV 监控镜头,红外探测镜头,摄影镜头,双筒望远镜等等,镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件,放大缩小或局部特写,这是一个定焦镜头所无法完成的。 H7WKnn@ M@.1P<:h 所谓变焦,即镜头的焦距在一定范围可调节,通过改变焦距从而改变系统视场大小,达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头,即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围,因此非常利于画面构图。 }=++Lr4* >q}EZC [由于一个系统的焦距在某一范围可变,相当于由无数多个定焦系统组成的,在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 "C>KKs } c~cYN W:
设计要求 Pai{?<zGi ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度,镜头的焦距会随之变化,通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面:CCD 或COMS 或其它探测面),在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系: }[1I_) P5Fm<f8\ I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) 7oUYRqd I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 PR Y)hb;1 这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 *Owq_)_(| OUD<+i, 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 .NabK &u8BGMl2 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 _M7AQ5 +* &!u=%G 确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: 3ZC[H'| =U?"#
光学参数: Optical system parameters Values Spectral region/nm 420-650 Focus/mm 25-32 FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96 Image size/mm 15.4×9.6 F/# 2.4 Telecentricity/(°) <1 5}1c Np6@ o rEo$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%。 H>VuUH| QkA79%;j 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。 [z?q-$# DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 jA6:-Gz K'y;j~`-
[attachment=128669] [attachment=128673] *@/!h2 $g*|h G/{ 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: CFVe0!\ I'C{=?
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 {>Zc#U'
[attachment=128670] 7Rq;V=2YV BK,=(;d3 运行搜索宏可以得到10个初始结构: D=e&"V a ^>[Z~G($
[attachment=128671] R}*e% EG/ ^;N+"oq!y 从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: 2rne=L .0nL;o
[attachment=128672] n
pBpYtG Qb6s]QZEV 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。 m"NZ; *d ' 9"oc.ue.2D 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)。 OLlNCb#t ] <kt,aMw[*
[attachment=128675] z6$W@-Vd
[attachment=128674] 变焦优化 :FB#,AOa_ ?> }bg 修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 C;M.dd _a^%V9t
[attachment=128677] nRJcYl~
Y nJlrBf_Kj 输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 J6Cw1Pi o`7Bvh2
[attachment=128682] h0L*8P`t [P407Sa" 得到结果: 7$k[cL1 _da>=^hFJ
[attachment=128679] [attachment=128681] s7#w5fe 1W;q(#q 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。 )EcE{!H6+ 再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: )k{zRq:d Q&rpW:^v
[attachment=128676] Q
>] v?4 "8>*O;xk
像差分析 kTt;3 Ia
查看畸变 ANZD7v6a
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。 1^TOTY +v{<<
[attachment=128678] aHvTbpJ \E5%.KR 因此在优化宏中添加控制畸变的指令 L]I)E`s M 0 8 A P YA 1 QG$LbuZ` S GIHT s8Xort& M 0 5 A P YA .7 .A//Q|ot! MUL CONST 2 I6ffp!^}Y S GIHT /{#1w\ 从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: 9K-=2hvv i!@L`h!rw
[attachment=128680] B0T[[%~3M [/.o>R#J( 优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 % V/J6
3V>2N)3`A 在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 +pURF&Pr v `9IS+Z
[attachment=128697] "9:1>Gr{G OB
FG!.) 优化后,发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令: sluR@[l M 0.5 2 A M YMTF 1 72 Ew~piuj 专门优化这一条MTF。 CA, &R<] RoFy2A=_
[attachment=128699] >vF=}1_L r~N0P|Tq 优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。 c&vY0/ [ GSj04-T" 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 |#fqHON nSdta'6
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码
Gqvj 再进行优化退火,50,2,50 8pp^
w `Hld#+R
[attachment=128684] #Y6'Q8gf
K6d9[;F 得到最终结构: N,6(|,m
{p@u H<)
[attachment=128683] [xXa3W O+ ~.p 各个像质结果: #&a-m,Y$sx RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm bq{":[a _7Z|=) 变焦位置1: Pi7vuOJr8
vs}_1o
[attachment=128685] +MU|XT_5|6
基本参数 变焦位置1: (lBgWz Exd$v"s
Y
[attachment=128686] g(){wCI %QH "x`; 变焦位置8: Yz4)Q1 uH 1%diL^
[attachment=128692] 7.@$D;L9
畸变 0EiURVX t '
_Au8 变焦位置1: ~7a(KJgvd" {YnR]|0&
[attachment=128687] F=)9z+l# *;b.x" 变焦位置8: xrb %-vT 8G@I e
[attachment=128689] FaS}$-0
MTF [^sv. v%N/mL+5L 变焦位置1: Uv|z
c k=">2!O/
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 baJ(Iy$XT r,F~Vwa} 变焦位置8: GPP{"6q5' mqxgrb7
[attachment=128690] {v{qPYNyh bV|(V> 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。 =[{YI2S ?M?S+@(
相对照度 $qOV#,@
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 #lDf8G|ST~ 变焦位置1: ::bK{yZm Hjl{M>z
[attachment=128691] [attachment=128694] 1HOYp*{#wP +|6
'7Z(9 变焦位置8: &%3$zgvR hF`e>?bN
[attachment=128693] [attachment=128698] *a}NRf}W
主光线角度 m?LnO5Vs
远心度都在1°以内 Np$peT[ 变焦位置1: l"9.zPvT< FnkB
z5D
[attachment=128695] 0a<:.} $@]tTz;b 变焦位置8: cTpmklq v4_p3&aj
[attachment=128696] .-Y3oWV 总结: xRum q cspO5S># 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。 7kDX_,i 5:[<pY!s# 好了,本节课到此完毕,期待与您的再次相遇,下周见!
|