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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 ST7Xgma-  
=VOl  *  
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。 1G62Qu$O  
PuoN<9 #  
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。 $1b x\  
Jl|^  
所谓变焦,即镜头的焦距在一定范围可调节,通过改变焦距从而改变系统视场大小,达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头,即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围,因此非常利于画面构图。 CyEEE2cV  
)!jX$bK  
[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。 #,PB(  
$G@^!(  
设计要求
Zg~6  
]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度,镜头的焦距会随之变化,通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面:CCD 或COMS 或其它探测面),在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系: &RbT&  
pSh$#]mZ`  
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) '1te(+;e@  
I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 ``* !b >)  
这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 hD! 9[Gb  
o; N s-=  
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。 5X=ik7m^  
h(H b+7g  
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。 PP_fTacX  
9a;8^?Ld%S  
确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: j~VHU89  
*, RxOz2=  
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
l<YCX[%E  
Z5%TpAu[  
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%。 Wk*t-  
U**v'%{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。 Z4aK   
DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 1l`$.k  
<;.->73E  
[attachment=128669]
[attachment=128673]
lM'yj}:~  
cA]Ch>]A%  
以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: \~ql_X;3  
i1JWdHt  
搜索宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
I'%(f@u~  
[attachment=128670]
8`S6BkfC|  
8 y+Nl&"V  
运行搜索宏可以得到10个初始结构: Vj{}cL"MR  
J 8""}7D  
[attachment=128671]
baL-~`(T  
m"RE[dQ  
从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: !ii'hwFm$  
>W[#-jA_Z  
[attachment=128672]
Y%iimbBY|  
? (f44Zgm  
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。 :\+\/HTbh  
Wr+1G 8  
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)。 Q0cr^24/  
] EFKOElG(k  
[attachment=128675]
|#D$9+  
[attachment=128674]
变焦优化
Ap [}[:U  
baVSQtda  
修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 o I6o$C  
={a_?l%  
[attachment=128677]
_Z|3qQ  
r=3knCEWK  
输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 1S26Y|L)  
zrJ/Fs+s  
[attachment=128682]
z}[qk:  
=z$XqT.'  
得到结果: &QL!Y{=Y6  
]{<`W5 b/  
[attachment=128679]
[attachment=128681]
30Z RKrW"~  
@^';[P!  
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。 HRY?[+  
再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: O7A W9*<  
\%!~pfM I  
[attachment=128676]
p#V h[UTl^  
'l}T_7g  
像差分析
xX ktMlI  
查看畸变
IO\ >U(:vx  
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。 uKcwVEu  
k'K&GF1B  
[attachment=128678]
Pkbx /\  
AGN5=K*D  
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 1*"t-+|  
M 0 8 A P YA 1 x1}7c9n K  
S GIHT T&]J3TFJ  
M 0 5 A P YA .7 &l=%*`On  
MUL CONST 2 a3<.F&c+c  
S GIHT #iOoi9(  
从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: 2y&m8_s-p  
s=+,F<;x.U  
[attachment=128680]
exqFwmhh  
hK,e<?N^  
优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 x)SW1U3TVx  
9aR-kcvJIJ  
在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 Qv%"iSe~J  
]S6`",+)<f  
[attachment=128697]
AAr[xo iYp  
5;5DEMe  
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: }T?0/N3y&  
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 Z. ))=w6G  
专门优化这一条MTF。 }jQxwi)  
,{HxX0  
[attachment=128699]
hZE" 8%\q  
k|$08EK $  
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。 gJ_{V;R  
8X@p?43  
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 =""z!%j  
3TRzDE(J  
优化宏
请评论区留言联系工作人员获取代码
(3DjFT3 w  
再进行优化退火,50,2,50 Zr0bVe+h  
RnN]m!"5  
[attachment=128684]
lw4#xH-?  
R&cOhUj22J  
得到最终结构: bqHR~4 #IR  
W)dQ yZ>J  
[attachment=128683]
+!'\}"q  
3[g%T2&[  
各个像质结果: p&SxR}h  
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm ]xlV;m  
ZqhCGHy  
变焦位置1: U[EM<5@I  
u%J04vG"D  
[attachment=128685]
la7VeFT  
基本参数
变焦位置1: T5; zgr  
M]O _L  
[attachment=128686]
jN\} l|;q  
lWr{v\L'  
变焦位置8: *C81DQ  
l^ P[nQDH  
[attachment=128692]
   (!72Eaw:]  
畸变
4l/hh|3@  
kiLwN nq  
变焦位置1: v=kQ / h  
WaY_{)x  
[attachment=128687]
h0}= C_.^  
A>@ i TI  
变焦位置8: J<g$hk  
.+|HJ(  
[attachment=128689]
   J1@X6U!{  
MTF
<L4.*  
WmO.&zp  
变焦位置1: OAoTsqj6  
lSGtbSyDI  
[attachment=128688]
已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 ldd|"[Ds  
:fo.9J  
变焦位置8: Gwyjie9t  
bC_qoI<  
[attachment=128690]
mlq+Z#9  
h(q,-')l_  
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 z_Em%X  
#2`ST=#  
相对照度
V}?*kx~T2C  
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 ,t"?~Hl".  
变焦位置1: EW$.,%b1  
p:*)rE  
[attachment=128691]
[attachment=128694]
}BTK+Tk8  
vD,ZEKAN  
变焦位置8: e70#"~gt[  
Mnj\t3:  
[attachment=128693]
[attachment=128698]
   PxuE(n V[  
主光线角度
?8ZOiY(  
远心度都在1°以内 :Ma=P\J W  
变焦位置1: vpt*?eR  
"H{Et b/  
[attachment=128695]
nK95v}p}Y  
R^v-%mG9  
变焦位置8: VFmG\  
)4nf={iM  
[attachment=128696]
   4b\R@Knu  
总结: +JyD W%a:L  
%pikt7,Z~  
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。 4Ss4jUj  
jXa;ovPK  
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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