变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 dmR3Y.\jd N_C_O$j 成像镜头包括定焦镜头和变焦镜头,我们在日常生活中使用的光学系统大多是可以变焦的,比如手机镜头、专业相机的镜头、显微镜等。 1a9w(X n_$yV:MuT! 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。 Ohl} X 1 )-&nxOP 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。 FsCwF&/q /aUFc '5 [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。 2/tb6' = Jm![W8L
设计要求 \_oy$>; ]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: \Tq"mw9P $cK^23H/Fj I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) 0->/`/xm I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 Bt>}LLBS2 这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 =aow
d4t TC-f%1( 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。 E_[ONm=, r#xk`a 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 xQz#i-v Kp_jy.e7& 确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: ' yNPhI xbC~C~#
光学参数: Optical system parameters Values Spectral region/nm 420-650 Focus/mm 25-32 FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96 Image size/mm 15.4×9.6 F/# 2.4 Telecentricity/(°) <1 Js}tZ\+P75 4]UT+'RubX 像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 /!bx`cKG L_*L`!vQA" 因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 !b%,'f y) DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 11*"d# ~t9$IB
[attachment=128669] [attachment=128673] Tcs3>lJ} P$h;SK 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏: C
MqM;1 y@9Y,ZR*
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 7l}~4dm2J
[attachment=128670]
d]k=' SY6r 8RK 运行搜索宏可以得到10个初始结构: r"]Oe$[# \|!gPc%s
[attachment=128671] /:6Q.onmLn s<{GpWT8 从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: gY\mXM*^ &V;x 4
[attachment=128672] 7Jc<.Z"/Gd ^4hc+sh0D 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。 )b (X `Y\QUj 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)。 !@yQK<0 ] ,$i<@2/=m
[attachment=128675] QAXYrRu
[attachment=128674] 变焦优化 9<qx!-s2rr -CElk[u 修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 ./!KE"! Ko-QR(
[attachment=128677] *C/KM;& g!5#,kJM 输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 ULbP_y>(Y %f#\i#G<k
[attachment=128682] 7`+UB>8 |bvGYsn_#= 得到结果: %((cFQ9 P59uALi
[attachment=128679] [attachment=128681] M[vCpa >!G5]?taa 插入真实玻璃后的结构有些太薄了,加工非常困难且昂贵,需要再进行优化,增加边缘厚度的限制 AEC 311,ACM 311。 /]l f>\x1 再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: `NoCH[$!+ (T2<!&0 @
[attachment=128676] xx}'l:}2] " V/k<HRw
像差分析 tQ6| PV
查看畸变 hf[IEK
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。 bF7`] 83 wISzT^RS
[attachment=128678] 6<Be#Y]b ?bCTLt7k 因此在优化宏中添加控制畸变的指令 '&{(:,!B M 0 8 A P YA 1 9Iy[E,j S GIHT l85CJ+rg M 0 5 A P YA .7 p?KCVvx$ MUL CONST 2 *ig5Q(b*N S GIHT X[Y#+z4 从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: o+R. u}| {vCU^BN,k
[attachment=128680] np&HEh 6 rcpvH}N: 优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 ar=hx+ OC`QD5 在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 dfXV1B5 ],!pp3U
[attachment=128697] w`"W3( <,#rtVO$ 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: lTd+{TF. M 0.5 2 A M YMTF 1 72 &8.z$}m 专门优化这一条MTF。 N_|YOw6 ~ 6TfW~V
[attachment=128699] o(BYT9|.kw M~#5/eRX 优化后 MTF 变得比较平均,没有特别低的某条,但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1,添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差,来提升总体 MTF。 F'fM?!( Rf&^th}TH 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 >hh"IfIZ4 C3^X1F0
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 sCuQB Z h 再进行优化退火,50,2,50 30e(4@!4vW Ynv 9v\n|
[attachment=128684] '[0
3L9 (d1V1t2r6 得到最终结构: p3i
qW,[@ (}~ 1{C@
[attachment=128683] `,<>){c| ,2Sv1v$ 各个像质结果: xy2eJJq RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm ke mr@_ tVK?VNW 变焦位置1: 9L UP{(uq
Yf%[6Y{
[attachment=128685] axt6u)4%7:
基本参数 变焦位置1: ?d,acm 0`zm>fh}
[attachment=128686] zhD`\&G. a'(lVZA; 变焦位置8: e/ppZ> %DHP
[attachment=128692] hwG||;&/H
畸变 .l" _K LKoM\g( 变焦位置1: Xb8:*Y1' t2`X!`
[attachment=128687] P<g|y4h R;N>#_9HU 变焦位置8: j.e`ip S<)RVm,!e
[attachment=128689] X,Q6
MTF (W{ rv6cq +$Ddd`J' 变焦位置1: GNj/jU<o! :$u{
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 9^=t@ FeincZ!M 变焦位置8: ?`BED6$`G9 d60Fi#3d
[attachment=128690] '8((;N|I^ 2t~7eI%d 不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 "J0Oa? MWp\D#H
相对照度 Ve')LY<
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 )PanJHtU 变焦位置1: 5Rt0h$_J K{7S
[attachment=128691] [attachment=128694] OQX{<pQ6 UC<[z#]\; 变焦位置8: g~WNL^GGS }rb ]d'|
[attachment=128693] [attachment=128698] yQQDGFTb!=
主光线角度 FcbA)7dD
远心度都在1°以内 ~,3v<A[5Vi 变焦位置1: WhVmycdv R*c0NJF
[attachment=128695] _tR.RAaa" lpX p)r+ 变焦位置8: `U?H^,FVA &t=>:C$1Y
[attachment=128696] >?uH#%C5 总结: iTtAj~dfZ `'tw5} 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。 Qe=Q8cT BIB>U W 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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