变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 a$A2IkD ]Kof sU_{ 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。 y)0gJP
L^ 9GtLMpy 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。 ixg\[5.Q+ HhzkMJR8 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。 6V+V
zDo y(V&z"wk[ [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。 `Yg7,{A\J JATS6-Lz`
设计要求 iOKr9%9?Z ]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: y|$vtD%c u<x[5xH+ I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) H^ESAs6 I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 |C^
c0 这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 er#8D6* hkkF1
h 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 r4;^c} ?0? x+ 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 <yis HI}pX{.\ 确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: fLLnf].O f34_?F<h
光学参数: Optical system parameters Values Spectral region/nm 420-650 Focus/mm 25-32 FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96 Image size/mm 15.4×9.6 F/# 2.4 Telecentricity/(°) <1 CX1L(Y[ ^-
u[q-
! 像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 _3s~!2 vd2uD2%con 因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 ^qE<yn DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 <)r,CiS Z|V"8jE
[attachment=128669] [attachment=128673] d4b 9rtM z4 GN8:~x 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏:
iK$Vd+Lgc zv8aV2?D
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 6-)7:9y
[attachment=128670] !%SdTaC{T yg]suU<z] 运行搜索宏可以得到10个初始结构: yBpW#1= |#Yu.c*
[attachment=128671] tI/mE[W 2U-#0,ll] 从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: Zm"!E6`69 GN"M:L^k`
[attachment=128672] 2+c>O%L 'w>uFg1. 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。 @2x0V]AI s!8J.hD'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)。
T4%i`<i ] }qgqb
[attachment=128675] 1puEP*P
[attachment=128674] 变焦优化 {hW
+^ xiOv$.@q 修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 8:3oH!n TFiuz;*|
[attachment=128677] w>H%[\Qs =)"NE> 输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 &0;{lS[N:L 23B^g
[attachment=128682] >/*?4 l<0[ K( 得到结果: rw}5nv v*C+U$_3\1
[attachment=128679] [attachment=128681] SK2J`* ~pX(w!^ 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。 (hRgYwUa< 再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: Z9;nC zHm |k['wqn"
[attachment=128676] } kh/mq (Fbm9(q$d
像差分析 D7gX,e
查看畸变 886 ('
注释掉优化光阑的 VY 指令,继续优化。然后查看成像质量,发现其他所有参数都已经满足,但是畸变有6%左右,没有达到要求。 Q G=-LXv:@ e4>L@7
[attachment=128678] Pq[0vZ_}dN *pS7/Qe 因此在优化宏中添加控制畸变的指令 zd6Qw-D7x M 0 8 A P YA 1 1?e>x91 S GIHT c'TiWZP~ M 0 5 A P YA .7 %%-U. MUL CONST 2 M<M#<kD S GIHT HwVgT" 从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: :?&WKW 4$q)e<-
[attachment=128680] ^J#*n;OQ3A *`S)@'@:( 优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 x|,aV=$o r[UyI3(i^ 在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 "Dmw- *$4A|EA V
[attachment=128697] mER8>
< 98b9%Z'2f 优化后,发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令: 5 vu_D^Q M 0.5 2 A M YMTF 1 72 z6L>!= 专门优化这一条MTF。 sBuq Jegx[*O>b
[attachment=128699] K,L> 5.C[)`_ 优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。 vhE}{ED t7*H8 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 '7O{*=`oj ;+TF3av0zq
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 @6i8RmOu} 再进行优化退火,50,2,50 tmY-m,U )kY_"= d
[attachment=128684] Fl 'xmz^ dx?njR 得到最终结构: b/n8UxA [WO%rO^p
[attachment=128683] 8H%I|fm W_f"Gk 各个像质结果: :zn ?<(sQ RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm "e7$q&R
| ttAVB{kdo 变焦位置1: 8)q]^
L9unhx
[attachment=128685] n%MYX'0
基本参数 变焦位置1: 3Ld ;zW YL&b9e4
[attachment=128686] _G}CD|Kx ,TfI 变焦位置8: Y4~wNs6 [nPzhXs
[attachment=128692] ,d [b"]Zy
畸变 +O!M> g%q?2Nv 变焦位置1: :'=~/GR GFc
[attachment=128687] UN
.[,%<s "TH-A6v1 变焦位置8: XdIVMXLL\ v YmtpKNj%
[attachment=128689] GT\s!D;<
MTF m|cWX"#g .jGsO0 变焦位置1: hZ\W ?r #NQz&4W
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 .L(j@I t #+ lq7HJ1 变焦位置8: i>if93mpj ,,H$>r_;
[attachment=128690] #ZnX6=;X vhquHy.qi# 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 7Ae,|k uA/.4 b
相对照度 Sp$x%p0
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 1PTu3o&3 变焦位置1: ~ew**@N r dG2| Tp
[attachment=128691] [attachment=128694] 7pI\`*7b WoWM 变焦位置8: 0qd;'r< gjN!_^_
[attachment=128693] [attachment=128698] O\8|niW|
主光线角度 Lvj5<4h;
远心度都在1°以内
IOSoc 7+" 变焦位置1: H{A| ~V) 't%%hw-m}
[attachment=128695] -S3+
h$Y8 <%#y^_ 变焦位置8: v7OV;ea$ QKaj4?p$|S
[attachment=128696] I7z]%Z 总结: JO^
[@ nh&<fnh 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。 }:D~yEP |tJ%:`DGw 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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