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optics1210 2019-01-24 14:43

SYNOPSYS 光学设计软件课程三十八：从零开始设计变焦镜头

"NgoaG~!YO  
在某个周五的中午。 你的老板跑了进来：“客户希望在星期一早上8点前收到8倍变焦镜头”。 你从未设计过变焦镜头。 你的工作不知如何开始？他给你一份设计清单，然后就出去了。 现在怎么办？ A AHt218  
如果您有一个设计变焦镜头的任务， 您可以访问专利数据库并尝试找到类似的镜头。 这可能需要很长的时间。 .VTy[|o   
但是，如果您选择SYNOPSYS™光学设计软件。 你有一位很好的助手来帮助你快速的完成这项工作。以下是你需要做的。 Ou{v/'9z,  
1.启动程序。 \rVQQ|l   
2.在命令窗口中输入HELP ZSEARCH。 打开10.7.3节。 DGevE~  
3.阅读整章。但如果您已经知道如何在SYNOPSYS上执行其他任务，那么您就能很好的完成工作。 J9K3s_SN  
4.设置您对ZSEARCH的输入。 镜头F / 3.5，半视场角为14度，GIHT为5毫米。 AfG/JWSo}  
jy]JiQ B  
以下是你的MACro：（L38M1）

PjN =k;  
    LOG                 ! to keep track of things later FQ>`{%>  
    PROJ                ! to see how long this run took C7H/N<VAq  
    CORE 16             ! on our 8-core hyperthreaded PC, it runs 8 times faster }(egMx;"3J  
    ZSEARCH 3 QUIET     ! save results in library location 3 }K8/-d6  
      SYSTEM ID ZSEARCH TEST ljK rj  
    OBB 0 14 2.85      ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi aperture. ' B  
    ! This defines the wide-field object )5|I_PXB  
    UNI MM WAVL CDF NOVIG END C/(M"j M  
Q5%#^ZdsTd  
    GOALS ZOOMS 5 8foJI^3  
    GROUPS 3 3 3 3      ! lens has four groups with 12 elements altogether OgF+O S  
    ZGROUP 0 Z Z 0      ! and groups 2 and 3 will zoom Ela-,(Glk  
SZJ$w-<z  
    FINAL               ! declare the desired object at the last zoom position, %lg=YGLQB  
    ! which is the narrow field zoom O@?k T;B  
    OBB 0 1.7545 22.8   ! object is 1.7545 degrees semi field and 22.8 mm semi aperture.   ! That implies an 8X zoom. q5>v'ZSo  
z5W@`=D  
    ZSPACE LIN          ! other zoom objects will be linearly spaced between the first and last APS 19              ! put the stop on the first side of the last group RT 0.5 #GJ dZ  
    DELAY OFF          ! don’t ask to abort other cores \6;=$f/?t  
    GIHT 5 5 10         ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .02          ! the back focus is 20 mm and will vary.  A target will be added to the W cC?8X2  
    ! merit function with a low weight. `b c;]@"  
    FOV 0 .4 .6 .85 1    ! correct five field points FWT 5 4 3 3 3 K(XN-D/c  
    COLOR M             ! correct all defined colors %T7nO%p  
    ANNEAL 50 10  Q      ! anneal the lens as it is optimized in real-ray mode l3nrEk  
    QUICK 50 100         ! 30 passes in quick mode, 40 in real-ray mode "bDs2E+W  
    END uUKcB:  
O$IjN x  
    SPECIAL AANT vSonkJ_  
    AAC 30 1 5           ! request a maximum semi aperture on all elements of 30 mm ACA 50 1 1           ! monitor rays to keep away from the critical angle. y^7}oH _  
    END GO                   ! start ZSEARCH PROJ
t<n"-Tqu  
rpw.]vnn  
变焦镜头由四组透镜组组成，每组有三个透镜。 在最终的设计中，第一组将被用于变焦，最后一组将被固定，以满足镜头的F/number。 我们可能需要超过12个镜片，我们可以向ZSEARCH提出更多要求 - 但如果我们从上述结构开始它会运行得更快，然后在需要的时候添加元件。 它可能还需要五个以上的变焦位置 - 但我们从一个简单的系统开始，后面可根据需要添加镜片。 @-OnHE  
我们运行这个 MACro ，并在16个窗口中查看每个内核的进度。
QMEcQV>  
当快速模式完成后，程序会对10个最佳模式进行优化。大约44分钟后，我们看到了如下结果:
w,Ee>cV]a  
只要浏览一下评价函数值，就会发现其中大多数结构都是有潜力的。程序已经将最好的一个结构加载到PAD显示中。 QM?#{%31  
这将是我们的初始结构的镜头。
c$wsH25KH8  
该程序为我们创建了一个优化MACro，已经加载了起始评价函数和一组变量。 我们运行这个宏，评价函数几乎不动。 然后我们单击模拟退火按钮，将起始温度更改为50，请求100次通过，然后单击“确定”。 （当镜头处在局部最小值时，通常需要更高的温度，但是当你开始新的设计时，这可能只会减慢速度。）评价函数现在已降至0.493
5XLs} :  
通常人们想知道为什么评价函数不会再降低。 通过输入FINAL 5来检查。 这显示了评价函数中的五个最大项。
Gn;@{x6  
    SYNOPSYS AI>FF 8BvonY t=8  
Jjl`_X$CB  
    FINAL 5 97)/"i e  
    ABERRATION LIST Zs<KZGn-B  
    NAME            TARGET         WEIGHT            RAW VAL.      FINAL ERROR   R. EFFECT Py{ <bd  
    5                  20.0000000      0.0200000          24.2573   0.851455E-01   0.014629 7mm1P9Z  
    A   BACK |a{Q0:  
1,5E `J  
    6 AAC           30.0000000      1.0000000          ------    0.157788       0.050240 sZ?mP;Q  
eSW{Cb  
    342                0.0000000      15.4402596 SR        0.0040   0.624556E-01   0.007871 K!,<7[MBg  
    A    1  YC    0.85000   0.12500  -0.12500   0.00000 W-/}q0h  
;\MW$/[JCy  
    498                 0.0000000     15.4402596 SR        0.0044   0.674752E-01   0.009187 S(:l+JP  
    A    1  YC    1.00000   0.12500  -0.12500   0.00000 2S' {!A  
US  
    3046                     0.0000000     15.4402596 SR       -0.0042  -0.646104E-01   0.008424 <'G~8tA%v  
    A     1  YC    1.00000   0.12500  -0.12500   0.00000                ZOOM 5 ,.gQ^^+=  
    SYNOPSYS AI>
_e9:me5d"$  
qF iLh9=D  
我们注意到AAC想要一个大于30毫米的孔径。 这种像差比其他像差大得多，所以我们应该增加控制目标。 <LRey%{q  
当我们到达某个阶段时，我们可能希望稍后再回到这个阶段(如果我们的一些想法没有像我们希望的那样成功)，我们单击顶部工具栏中的ACON copy按钮。如果我们开始时的镜头是多重结构1，因为它是默认的，这将会在备用多重结构2或ACON 2中放置一个副本。然后我们在那个ACON中创建一个检查点并进行更深层次的设计，还可以通过“1”按钮 返回到我们想要ACON 1。 我们经常以这种方式使用所有六种多重结构。 P9T5L<5  
在AANT文件中，将命令行AAC 30 1 1 更改为AAC 35 1 1 !a$ D4(`v  
此外，我们希望真正的主光线准确地到达表面19的中心，即光阑处，因此我们在CHG文件中将定义更改为APS -19 或使用WorkSheet™。 这需要一个真正的光瞳，这意味着每一个真正的主光线都是通过叠加找到的。 ^T~gEv  
制作一个新的检查点并运行MACro然后再次模拟退火。 评价函数降至0.386。光扇图看起来很棒，但很多元件都太薄了。 我们必须再次改变评价函数。 当我们这样做的时候，我们删除了定义像差的zoom组选项，这些zoom组较zoom1高。
^}f -!nf[  
    ZOOM            1 9_sA&2P{uV  
    M   0.500000E+01  0.100000E+02 A GIHT _20#2i&  
    GSR     0.500000     5.000000      4  M     0.000000 #Km:}=  
    GNR     0.500000     4.000000      4  M     0.400000 P=1I<Pew  
    GNR     0.500000     3.000000      4  M     0.600000 y< C<_2  
    GNR     0.500000     3.000000      4  M     0.850000 lg pW@g  
    GNR     0.500000     3.000000      4  M     1.000000 bqQq=SO  
    ZOOM            2 M   0.500000E+01  0.100000E+02 A GIHT -)vEWn$3<  
    GSR     0.500000     5.000000      4  M     0.000000 GNR jgS%1/&  
    0.500000     4.000000      4  M     0.400000 GNR 0P>OJYFr'  
    0.500000     3.000000      4  M     0.600000 GNR nADX0KI  
    0.500000     3.000000      4  M     0.850000 GNR lO:. OZu  
    0.500000     3.000000      4  M     1.000000
8QK5z;E2~  
?|e'Gbb_  
然后我们修改zoom 1的要求，所以它们应用于所有的变焦组。现在，如果我们想改变某个地方的权重，它将应用于所有变焦组。
rxO2QQ%V  
    ZGROUP ALL #yI.nzA*  
    M   0.500000E+01  0.100000E+02 A GIHT #.[AK_S5&  
    GSR     0.500000     5.000000      4  M     0.000000 ASPy  
    GNR     0.500000     4.000000      4  M     0.400000 |y20Hi':  
    GNR     0.500000     3.000000      4  M     0.600000 q.2(OP>(  
    GNR     0.500000     3.000000      4  M     0.850000 ~XeFOM q  
    GNR     0.500000     3.000000      4  M     1.000000 END )bx_;9Y{  
    END
4 g. bR  
W(RF n`g\  
除了终止AANT文件的END之外，ZGROUP指令还需要自己的END来终止组。 最后，我们在ZGROUP命令行之前添加一个新的探测器ADT 8 1 1，以控制元件厚度，并重新优化和模拟退火。
3sCFHn#c  
现在我们拥有一个相当不错的镜头，有12个镜片。 20rkKFk*  
我们猜测镜片1和3处的元件可以合并为一个元件。我们可以进行如下尝试。
0b91y3R+  
    AED 9 QUIET 1 24 ^TB>.c@`*  
1y^K/.5-  
     VLIST GLM ALL
{A|TowBN  
/m _kn  
在PANT命令之前创建一个检查点，然后添加如下命令
0ult7s}  
AED 9 QUIET 1 24
pdd/D  
$(Ugtimdv  
再次运行MACro，该程序想要删除表面7处的元件！让我们更改PANT文件，注释掉AED行，删除所有GLM变量并用如下命令行替换它们
*Ywpz^2?:  
VLIST GLM ALL
1+`l7'F  
4lKVY<  
然后重新优化并模拟退火，评价函数现在更大，为0.585。让我们看看添加AEI命令行是否会改善它。 -yDs< Xl  
AEI遵从CORE指令，如果CORE指令被激活，您将能调用电脑里所有的内核。 您可以在PAD显示器中观察它们的进度，但由于我们已经激活了16核，因此您只能看到1/16的状态（除了显示的状态窗口外，其他核不会更新显示）。
#GaxZ  
    AEI 9 1 123 0 0 0 50 10
N)% ;jh:T  
NrDi   
在PANT指令之前添加AEI 9 1 123 0 0 0 50 10并再次运行它。 xyr+_k-x&q  
该程序在表面19添加了一个元件。注释掉AEI命令行并继续优化。评价函数降至0.408。 现在我们的镜头如下：
p1c3Q$>i  
ACM 3 1 1 FZiW|G  
我们注意到有些镜片边缘很薄; 我们将AEC命令行更改为AEC 2 1 1。 ENh!N4vbO  
这将对任何厚度小于2毫米的边缘进行优化。 Cc?TSZ8[  
此外，由于某些元件相当薄，因此在AANT文件中添加一个命令行：ACM 3 1 1 *]JdHO  
这将对任何厚度小于3毫米的厚度进行优化。 再次优化和模拟退火，评价函数现在为0.434。 （向评价函数添加任何新内容通常会使值上升。）我们仍然怀疑元件1可以被删除，所以我们再次运行AED。 结果显示为表面5。所以我们让它删除该元件并再次优化。 现在评价函数为0.451，我们再次运行AEI。 程序在曲面7处添加元件，评价函数降至0.35。 这是一个非常好的镜头。
PN+G:Qv  
是时候检查一下了。 我们点击每个Zoombar 右边的按钮来检查我们5个变焦镜头的图像质量......
VE2tq k%  
变焦镜头变焦时，镜片不会发生重叠，并且没有羽状边缘。 ZSEARCH添加到MACro的AZA监视器会自动处理这些问题。 (yo;NKq,@  
CAM OPT 7 1W5.!  
这是一个有五个变焦位置的好变焦镜头。 变焦时候会发生什么？ 我们必须找出答案。 镜头很可能在某处得不到很好的修正，我们将不得不添加更多的变焦镜片组。 首先，我们需要一个凸轮曲线，它可以让我们在两个点之间插入定义的变焦镜头。 输入 CAM OPT 程序找到变焦镜头数据的幂级数展开的最佳指数，该镜头数据在定义的变焦镜头之间平滑地插值。 但是曲线只在五个定义的变焦处产生一个对焦图像，因为它还没有接收到其他的设置。 1p`+  
要查看此信息，请运行镜头滑块（单击ZoomBar™底部的按钮 ）。你会看到图像在几个地方离焦。 我们需要更多的变焦组。 键入 CAM 10 SET。 9]$8MY   
我们定义10个变焦组，我们的MACro将自动改变并控制它们。 （这就是为什么我们改为ZGROUP的原因：现在我们不必在新的变焦组中声明光线的定义。） -VDo[Zy  
制作一个新的检查点，然后再次运行MACro并模拟退火。 （请务必先注释掉AEI命令行。）变焦组1看起来大致相同。
JFL>nH0mk.  
CAM 15 SET =rPrPb  
再次运行CAM OPT，然后运行镜头滑块。 除了在变焦10之前，焦点突然改变，结果看起来不错。我们需要更多的变焦组。 请键入CAM 15 SET  t4Z  
并重新优化。 然后再次运行CAM OPT。 程序将再次找到所有变焦参数的最佳拟合多项式并展开，用于在运行变焦滑块时生成中间位置。 通常，这可以在范围内进行平滑变焦。 我们可以通过设置三次多项式来获得更好的结果。 4(?G6y)  
打开WS并单击ZFILE按钮 。这会将变焦镜头加载到编辑窗格中。 在显示的位置键入CUBIC，然后单击“Update”按钮。 现在再次尝试滑块。
/\mKY%kyh  
也可以将给定的变焦镜头组声明为多项式展开的聚焦组，两者同时使用也是明智的。 （这是变焦镜头制造商在实践中所做的事情：移动一组并重新聚焦另一组，然后标记位置并相应地切割凸轮曲线。）有关详细信息，请参阅ZFILE下的帮助文件。 c':ezEaC  
性能在变焦范围内非常平滑。结果如下:
BcA31%  
K7I&sS^x  
我们可以使用MSF对话框检查光点大小。
&$`hQgi  
将比例更改为50 um，然后单击“确定”。 图像非常好。 （如果你需要更好的像质，你可以再次运行AEI。）但是你很快就会发现添加另一个元件的好处会随着元件数量的增加而下降。 这是有道理的：向双片式透镜添加元件会使变量数增加50％。 在10个镜片的镜头中添加一个镜片会使变量数增加10％，依此类推。
6)\dBOz  
我们必须用真正的玻璃替换模型玻璃。 输入HELP ARGLASS您可以了解更多功能。 wxLXh6|6%_  
保存这个镜头，以便我们可以在必要时再次打开。 单击顶部工具栏中的按钮 ，将保存镜头，其名称取自当前记录编号。 ZSEARCH已经为您的MACro添加了一个记录命令，因此每次运行都会增加这个数字。 这样，只要您想获得以往的版本，只需单击该按钮即可保存。 1gO2C $  
您可以从对话框MRG运行ARGLASS功能。（如果您更改了ACONs，请确保在当前ACON中再次运行优化; ARGLASS使用相同的设置。）键入该命令并填写如下数据：
IGX:H)&*  
选择Ohara目录，QUIET，PREFERRED，SORT，单击OK， 插入玻璃时，评价函数下降了！重复优化具有类似于模拟退火的效果。我们的镜头如下：
M^rM-{?<  
我们还需进行如下操作: nD" ~?*Lt  
1.运行CAM ZMAG 0.125。 当您更改变焦组数量时，程序会根据之前的曲线重新调整所有数据，这只是一个近似值;重新命名的对象定义可能不完全符合原始的镜头比例规范。这会把以前的数据清理干净。 64Gi8|P  
2再次优化。 V's:>;  
现在镜头只发生了轻微的变化，滑块显示了整个范围内的良好图像。
3HyhEVR-#~  
    M 141 .01 A SECTION FOCL 1 6.
[-*F"}D,  
e2$]g>  
如果这是一个真实的镜头，我们就必须确保调整元件1和2的位置对于范围聚焦是有效的。首先，估计你需要的那个变焦组的焦距。例如，通过移动一个物体，比如20毫米，使其聚焦在1米上，这个物体的焦距必须是141毫米。如何得到这个图像?利用透镜的牛顿公式，S1S2= F2 插入1000和20，F计算出为141.42mm。因此，在ZSEARCH SPECIAL AANT部分添加一项要求。
r^$~>!kZ|  
    M 141 .01 A SECTION FOCL 1 6.
f<y& \'3  
c.H?4j7ga  
然后设置一个最佳匹配的多重结构，物距在1000毫米，厚度6可以自由变化，同时对两者进行优化。请详细阅读手册中的ACON。 :&'{mJW*{t  
保存这个镜头，然后更改为10个变焦组(通过CAM 10 SET)，这样我们可以在一个图片里看到10个变焦组的情况。 %>Xr5<$:&  
输入ZDWG .25来查看10个变焦组的图片。
VS?@y/\In  
这对于本课来说结果已经足够好了。如果镜头仍然不够好，那么多次运行AEI将对结果有所帮助。
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