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;O 3g'
Q |r 1.
[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`% c k
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 !r z8S"
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*
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确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： bm|8Jbsb &
w N.Jy b
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
"a H]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。 EPfV S
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 Ih of
=@ R VLml
[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
:}-[%LS V
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~Q97c 0
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
$~Id
查看畸变 l/5/|UE9
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。 ]S I`fja/
bYfcn ]N
[attachment=128678] [iD! !{6 +
Fk\xq`3'c
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 TV}SKv u
M 0 8 A P YA 1 m,b<b91
S GIHT ?5D7n "jY
M 0 5 A P YA .7 ()Z$j,2
MUL CONST 2 w~`P\i@
S GIHT Z JqmD
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)/4i 9
PSE![whK
[attachment=128697] 5B Z5Gl3
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
*QL brR
[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$3n
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 V\_
&2',t
m{g{"=}YR
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 <MYD`,$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： YRK 4l\_`
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
qp 7>_B
[attachment=128687] _ ZJP]5
B"G;"X
变焦位置8： O% )w!0
MQh L>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。 _KK G^
u<
NbSwn }e_
变焦位置8： N/Z<v* i"
8Np Q"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]CRvz W
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 |(
jy tfGE:
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！
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