概论
2y;vX|lX] =RRv&
"2r 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。
,(K-;Id4 <,n:w[+!`P 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。
#G F.M,O/h &?H$-r1/?V 所谓变焦,即镜头的焦距在一定范围可调节,通过改变焦距从而改变系统视场大小,达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头,即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围,因此非常利于画面构图。
k_wcol,W Xo~q}(ze^ [由于一个系统的焦距在某一范围可变,相当于由无数多个定焦系统组成的,在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析
优化方法。
1 Ga3[g }8aqSD<: 设计要求
zb!1o0, J ]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度,镜头的焦距会随之变化,通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面:CCD 或COMS 或其它探测面),在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系:
_0'X!1" 6fo"k+S I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
ln=fq: I为像高,f为焦距,θ为视场角度。
2 (l0Lq* 这个关系也很容易理解,一个三角形即可。
E7? n'!= B;e<.M)e 变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值,也称为“倍率”。理论定义下,在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变,但对于实际的高变倍比系统,由于外形尺寸不希望过大或二级
光谱校正等问题,通常在变焦时采取相对孔径(即F/#) 也跟随变化的方案。
js <Up/1 >Jx=k"Kv+ 通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求,当系统的入瞳直径 D 固定时,即系统接受的光束大小一定时,根据 F/#=f/D 可知,f变化将引起F/#的变化,也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈),此时光阑大小随焦距变化而变化(非固定值)。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。
6LGl]jHf M57<e`m 确定设计目标
参数,以下为本次设计的目标:
sRT H_]c _",(!( 光学参数:
Optical system parameters Values
Spectral region/nm 420-650
Focus/mm 25-32
FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96
Image size/mm 15.4×9.6
F/# 2.4
Telecentricity/(°) <1
q6C`hVMl YARL/V 像质要求:该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4,各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm,畸变小于 2%,短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
"49dsKIOH *P`wuXn}
因为变焦投影镜头的变倍比比较小(25-33),可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头,然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头,再进行优化,会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。
#\Rxqh7 DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头
l:UKU ! 1@t.J> ?yq=c HB5-B XBU 以上为 DSEARCH 直接搜出的结果,中间的空气间隔太小,没有留给变焦的空间,总长才120,远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200,元件厚度 ACC 711,进行优化,留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏:
.Hqq!& g1[BrT, 搜索宏
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,;w~ VZ4
T:{r*zLSN #.HnO_sK_ 运行搜索宏可以得到10个初始结构:
59l9_yFJ tR'RB@kJ nTr]NBR _1G/qHf^S 从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析:
Ul]7IUzsu /Z^a,%1 L@AFt)U l_:P| 设置光阑,优化之后,观察镜头结构,选择第3/4片为前变焦组,5/6/7片为后变焦组,光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15,然后注释掉 VY 再次进行优化退火。
bRm;d_9zC r.#r!.6 q 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件,按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头,使其变成一个变焦镜头(以下为 ZFILE 宏指令)。
<Y}m/-sD5 ]
<af#
C2`B -sJD:G,%
变焦优化
sa o & mL`8COA 修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。
{X(nn.GpC w$f_z*/ 6X h7Bx1 ?|W3RK; 输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。
W)Y`8&, 1%B9xLq 4uoZw3O `I wZVz 得到结果:
]YhQQH1>] EDgtn)1 kGAgXtE :K2
X~Ty 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。
+CBN[/Z^i 再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构:
:h34mNU `Pj7:[."[ a}NB6E)- n8;L_43U 像差分析
qfJ2iE|o2.
查看畸变
V9"R8*@-
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。
eUNaq&M dNt^lx uVU)LOx &M?b08 因此在优化宏中添加控制畸变的指令
LZ_VLW9wE M 0 8 A P YA 1
61kSCu S GIHT
-9{N7H M 0 5 A P YA .7
@Drl5C}+ MUL CONST 2
%4!^AA% S GIHT
:~8@fEKb{ 从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变:
06AgY0\ BE@(| U COHBjufmR A8mc+ Bf( 优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。
]m 3cm Y2l;NSWU 在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。
0g:q%P0 nn:'<6"oV ya~;Of5 v4|TQ8!wR 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:
I[K4/91 M 0.5 2 A M YMTF 1 72
au50%sA~
专门优化这一条MTF。
Gy):hGgN &K'*67h `W)?d I?#M FNLS=4 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。
z-gMk@l }W 5ks-L6 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。
oc,I,v LBD],Ba! 优化宏
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hE=xS:6 再进行优化退火,50,2,50
T:{&eWH gkxHfm P/ 6$TgQ "0PsCr}! 得到最终结构:
NYHK>u/5c Rf`_q7fm 1gBLJ0q N}n3 +F 各个像质结果:
J7",fb RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
%eofG]VM< (S W6?5 变焦位置1:
&D{!zF *Lz'<=DLoW
%"(HjanH
基本参数
变焦位置1:
*8,W$pe3 P]^OSPRg GNM>hQ)h: |k}L=oWE 变焦位置8:
D
ON.)F :X}SuM?c 3]kM&lK5\ 畸变
5%9Uh'y# UVlB= 变焦位置1:
gd#R7[AVi /77cjesZ9 @:CM<+ #Swc>jYc 变焦位置8:
^cPVnl en{p<]H |(Wwh$ MTF
Ag\RLJ.KD !4+Die X 变焦位置1:
"Ua-7Q&A xa'U_]m 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。
vzfMME17 H?;+C/-K`_ 变焦位置8:
L`<#vi q['D?)sy 7Dssr [ ;0kAm
Vy 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。
T'7>4MT( +~G:z|k 相对照度
(Q||5
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
%fS1gSfh 变焦位置1:
<7ANXHuSW ] H;E(1iU qk'&:A N
e{=KdzT 变焦位置8:
dL4VcUS. gh[q*%# 'q;MhnU+ 主光线角度
vgtAJp+p*
远心度都在1°以内
i03S9J 变焦位置1:
|*J;X<Vm N9d^;6;i y_[VhZ% <