切换到宽版
  • 广告投放
  • 稿件投递
  • 繁體中文
    • 2034阅读
    • 3回复

    [原创]变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课 [复制链接]

    上一主题 下一主题
    离线小火龙果
     
    发帖
    943
    光币
    2176
    光券
    0
    只看楼主 正序阅读 楼主  发表于: 2024-05-18
    概论 >c@jl  
    O~OM.:al&  
    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。 WkMB  
    L2Fi/UWM  
    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。 *5KDu$'(e  
    "rnVPHnQR  
    所谓变焦,即镜头的焦距在一定范围可调节,通过改变焦距从而改变系统视场大小,达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头,即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围,因此非常利于画面构图。 |/X+2K}3  
    "=Cjm`9~j  
    [由于一个系统的焦距在某一范围可变,相当于由无数多个定焦系统组成的,在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 v05$"Ig  
    NydF'N_1  
    设计要求
    O %1uBc  
    ]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: `sLD>@m  
    7S{yKS  
    I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) C/!7E:  
    I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 c=f;3N  
    这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 >x*ef]aS  
    `hDH7u!U.  
    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。 cS%;JV>C  
    @Yw>s9X  
    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。 ,R}9n@JI^Y  
    Aj*|r  
    确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: gn:&akg  
    U E-1p  
    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
    0V+v)\4FE  
    C ~Doj  
    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%。 b"y4-KV  
    *&~(>gNF,  
    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。 wln"g,ct  
    DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 EvptGM  
    r<[G~n  
    39bw,lRPV  
    TR9dpt+T  
    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: 'F^1)Ga$  
    r8>Qs RnU%  
    搜索宏
    请评论区留言联系工作人员获取代码
    1Q7]1fRu  
    P@0J!  
    z:;yx  
    运行搜索宏可以得到10个初始结构: :pLaxWus!  
    ,rX|_4 n*  
    <q`|,mc  
    s;#,c(   
    从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: 4t 0p!IxG  
    GO3KKuQ=  
    $lg{J$ h8  
    )  D5JA`  
    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。 \s6 VOR/  
    SM4'3d&mf  
    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$9XHubu  
    ] L|p+;ex  
    ),lE8A{ H  
    变焦优化
    IM_SZs  
    i)(-Ad_  
    修改优化宏,增加 ZDATA 的变量, AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数,增加 AZA 指令控制变焦间隔,然后进行多次优化退火。 %GGSd0 g  
    jd.w7.8  
    Zd]ua_)I%[  
    ~ E n'X4  
    输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 PY#_$ C  
     63VgQ  
    ;P^}2i[q>[  
    0 *]ZC'pm  
    得到结果: N7!(4|14  
    A#gy[.Bb  
    l)f 2T@bHl  
    h7PIF*7m e  
    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。 q! WiX|P  
    再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: cvC 7#i[G  
    4MoxP  
    C_&ZQlgQ  
    QO %;%p*  
    像差分析
    cRWYS[O?-  
    查看畸变
    s0'6r$xj  
    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。 -HRa6  
    4JL]?75  
    u17 9!  
    eC_i]q&o|  
    因此在优化宏中添加控制畸变的指令 .SDE6nvbW  
    M 0 8 A P YA 1 &X,6v  
    S GIHT :Aj[#4-=   
    M 0 5 A P YA .7 ~BgNM O;|  
    MUL CONST 2 n`D-?]*  
    S GIHT $\L=RU!c}  
    从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: > 0c g  
    rnC<(f22  
    7!~)a  
    1cV0TUrz  
    优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 b@B\2BT  
    zANsv9R~  
    在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 W(EN01d\  
    ZeH=]G4Zv7  
    >fp_$bjd  
    ufN`=IJ%  
    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: L(}/W~En  
    M 0.5 2 A M YMTF 1 72 eIbz`|%3  
    专门优化这一条MTF。 SKo*8r   
    @eP(j@(^  
    ]3 76F7  
    OKnpG*)u=g  
    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。 9 xFX"_J  
    HFX,EE  
    最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 ;oOv~ YB7H  
    "sed{?  
    优化宏
    请评论区留言联系工作人员获取代码
    ~sTn?~  
    再进行优化退火,50,2,50 ]:Pkh./  
    8< "lEL|  
    6>[J^k%~w)  
    <<&SyP  
    得到最终结构: {<Xl57w-Q  
    c#a>> V  
    )jMk ~;'r  
    r|3<UR%  
    各个像质结果: twp~#s:\z  
    RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm RA}Y$}^#'  
    k"+/DK,:  
    变焦位置1: Nk?L<'  
    wpOM~!9R  
    |al'_s}I  
    基本参数
    变焦位置1: ! ~+mf^D  
    FB O_B  
    j:0< tj E  
    T5aeO^x  
    变焦位置8: VW:Voc  
    Se [>z(  
       MaP-   
    畸变
    C+0BV~7J<<  
    #^w8Y'{?  
    变焦位置1: UM. Se(kS  
    Pk:b:(4  
    D\  P-|}  
    Xliw(B'\a4  
    变焦位置8: N._^\FRyn  
    W1[C/dDc  
       avd`7eH2  
    MTF
    @Dd3mWKq  
    Gk)6ljL  
    变焦位置1: U)SQ3*j2D  
    &izk$~  
    已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 XZxzw*Y1J  
    z*WQ=l2  
    变焦位置8: xS_tB)C  
    <4*)J9V^s=  
    Xnxb.{C  
    |q 0iX2W  
    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。 1fV\84m^  
    8%;]]{(B  
    相对照度
    &IFXU2t}  
    短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 >x${I`2w  
    变焦位置1: )>!y7/3  
    sl*&.F,v=  
    2~@Cj@P]  
    |w.5*]?H  
    变焦位置8: 8-)@q|  
    y9 K'(/  
       lv& y<d;  
    主光线角度
    @Cl1G  
    远心度都在1°以内 qhNYQ/uS  
    变焦位置1: ?8$h%Ov-  
    K}Lu1:~  
    :BUr8%l  
    u@kr;^m  
    变焦位置8: 9<"l!noy  
    Edl .R}&1  
       gm}zF%B"  
    总结: +  $/mh  
    <2fvEW/#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。 7@ mP;K0  
    yu=(m~KX   
    好了,本节课到此完毕,期待与您的再次相遇,下周见!  
    本主题包含附件,请 登录 后查看, 或者 注册 成为会员
     
    分享到
    离线pls24
    发帖
    691
    光币
    145
    光券
    0
    只看该作者 3楼 发表于: 2025-02-26
    谢谢楼主分享。。!
    离线zyx110zyx
    发帖
    60
    光币
    1
    光券
    0
    只看该作者 2楼 发表于: 2024-10-03
    学习一下
    离线hello2024
    发帖
    391
    光币
    690
    光券
    0
    只看该作者 1楼 发表于: 2024-05-18
    变焦投影镜头设计