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optics1210 2019-01-24 14:57

快速设计一个30倍的变焦镜头：SYNOPSYS 光学设计软件

uoHqL IpQ  
第38课展示了如何设计8X变焦镜头。现在我们做一个复杂的设计，以30X变焦为目标，来设计一款变焦镜头。 gKWzFnW  
设计要求如下： jn^fgH ?  
1.    变焦30倍 2.    半视场角14° 3.    最后一面的半孔径为3mm 4.    使用11个镜片 5.    四组镜片，其中两组是用来变焦 6.    像高5mm 7.    后焦距20mm 8. 总长600mm 9.物距从无穷远到5m范围内对焦清晰 KSc~GP _  
ZSEARCH输入如下:

q[P~L`h S  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 80}4/8  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 a%E8(ms37y  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 F$h'p4$T  
088C|  
      SYSTEM )pS8{c)E  
      ID ZSEARCH TEST <1 S+ '  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi j7}lF?cJ2  
      ! aperture.    This defines the wide-field object T`?n,'!(  
      UNI MM WAVL CDF END .fEw k  
#EG?9T  
      GOALS ZOOMS 7 &hI>L  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether f*<ps o  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom &dRjqn^&X  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters )Oievu_"|  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, 5mavcle{4r  
      ! which is the narrow field zoom $6!i BX@  
      OBB 0 0.4666 90 b =b :  
ufP Cx|x~  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the @+&'%1  
      ! first and last ]RD5Ex!K?  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF BC({ EE~R)  
      GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1    ! the back focus is 20 mm and will vary.    A target will be >S'>!w  
      ! added to the merit function with a low weight. +_~,86  
      COLOR M    ! correct all defined colors o@3B(j;J`  
      ANNEAL 50 10 Q    ! anneal the lens as it is optimized in both modes QUICK 40 40    ! 40 passes in quick mode, 40 in real-ray mode &Mj1CvCv  
      ASTART 22 u s`}  
\f"1}f  
      TSTART 12 END -NzTqLBn  
fK_~lGY(  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 f=m/ -mAA  
      FUL 1.75 END lR@& Z6lw  
h$Tr sO  
      SPECIAL AANT Pq?*C;D  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 A"4@L*QV  
      ACM 4 1 1 S?4KC^Y5  
      ACC 35 1 1 ~<,Sh~Ana.  
-~O/NX  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END W-XpJ\_  
      GO    ! start ZSEARCH oLS7`+b$  
      TIME    ! see how long the run took.
<d"Gg/@a  
XWtiwf'K  
运行这个宏一段时间后，我们得到了一个有潜力的初始结构。
TQJF+;%  
我们只纠正了7个变焦位置，在完成设计之前，可能还需要更多的变焦位置，但是前期选择少量的变焦位置做参考，会使ZSEARCH运行得更快。 Z`s!dV]e9  
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 )%VCzye*{  
运行ZSEARCH产生的宏。 t$ZkdF  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：
<*Ub2B[m  
      CAM 15 SET
k[9A,N^lZB  
)0-o%- e  
运行变焦滑块，会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正，但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令：
c'0 5{C  
      CAM 100
?3jdg]&  
T3z(k la  
在这张图的左端数据变化最快，所以在这一区域，需要分配更多的变焦位置，来控制像差和焦点。输入以下命令：
J8;Okzb!L  
      CAM 100 APERT
tU:FX[&?R  
^ ulps**e  
现在这个图与前面的图片比例不再相同。我们可以看到左边的变焦位置比右边的变焦位置靠得更近。命令如下
85z;Zt0{  
      ZSPACE NONLIN 1.7
jBpVxv  
h8 =h >W-  
在ZSEARCH文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。 D|Si)_ Iz  
现在镜头已经定义了15个变焦组，同样聚集在凸轮曲线的左边，因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的，只有7个变焦组是准确的。 "={L+di:M  
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：
bulboyA&#  
    ZOOM        1 U$'y_}V  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT "}zda*z8  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 }bMWTT  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 Mr* |9h  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 $]*d#`Sy{%  
    LUL 600 .1 10 A TOTL A5XR3$5P  
    ZOOM    2 ({M?Q>s  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT [5Y<7DS  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 D{C:d\ e)$  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 maDz W_3  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 2-v\3voN  
    LUL 600 .1 10 A TOTL ?/d!R]3  
    ZOOM    3 ]k*1KP  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT W-D[z#)/Y  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 e<5Y94YE  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 o.^y1mH'  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ` X}85  
    LUL 600 .1 10 A TOTL <*Y'lV  
    ZOOM    4 p4wr`" Zz  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT /2@["*^$  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 %-j&e44  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000  (M`|'o!  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 6[?}6gQ  
    LUL 600 .1 10 A TOTL ~>%DKJe  
    ZOOM    5 3k' .(P|F  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT 5f{|"LG&  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 & iSD/W  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 -_~)f{KN@  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 l2&hBacT  
    LUL 600 .1 10 A TOTL Dg2uE8k  
    ZOOM    6 }.{}A(^YR  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT jO)&KEh  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 - DL"-%X.  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 @2e2^8X7f  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 l`gTU?<xd  
    LUL 600 .1 10 A TOTL 5I,$EGG  
    ZOOM    7 /cY^]VLe  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT @2' %o<lF  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 E _iO@  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 <k]qH-v4  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 TnE+[.Qu  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
uD)-V;}P@;  
/#t&~E_|  
为了简化操作，我们将删除除第一个变焦组之外的所有内容，并将其更改为zoom group的设置。这将在所有变焦组中进行如下操作，在三个视场中创建光线像差操作。
T:!MBWYe|  
      ZGROUP ALL Sz0+ <F#5  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT wUp)JI  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 _;e\:7<m  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 -<W2PY<  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 'IQsve7cI  
      LUL 600 .1 10 A TOTL 1^{`lK~2  
      END
SRz&Nb  
kh?. K#  
该程序还向AANT文件中添加了ZFOCUS命令，然后是另一组变焦设置，我们再次用单个ZGROUP ALL命令替换它们。该部分更改物距参数，将第一组移动90毫米，并在所有已定义的变焦组中再次纠正像质。请注意，END命令将会关闭ZGROUP文件，另一个END命令将会关闭文件AANT部分。
fk3kbdI  
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 )U(u>SV(\  
    ZGROUP    ALL h~miP7,c<u  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 Dip*}8$o(w  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 AcC8)xRpk4  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 d6.}.*7Whc  
    END GLh]G(  
    END
vA-PR&  
kRot7-7I|  
在我们运行这个宏之前，调整物距位置是个好主意。我们将数字从7增加到15，但是这个选项只是插入了之前的数据，这些数据很接近，但并不准确。输入命令
R^8B3-aA`  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
nl@E[yA9[  
kuS/S\Z5K  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。
P s#>y&  
让我们尝试添加镜片来检验是否对像质有帮助。在PANT文件之前，添加如下命令行
c8ZCs?   
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
Do;#NLrWb  
a %K}j\M  
运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片，像质得到很大的提高。
Tbh'_ F6  
我们想进一步改进像质。我们发现第一个镜片中心较厚，但它的边缘很薄。现在的厚度是多少?
mm,lhIh  
      SYNOPSYS AI>1 TH? pm]fQ uq  
9<cOYY  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
#T% zfcUj  
0.DQO;  
我们的评价函数里有一个监视器，可以防止中心厚度变得太大，我们已经指定了一个35毫米的默认控制。但这个透镜是一个体积相当大，显然我们需要增加允许的厚度。将ACC监视器更改为
A1_ J sS  
      ACC 50 1 1
$D_HZ"ytu  
}lfn0 %(@  
注释掉AEI命令行，再一次优化，模拟退火(22，2，50)。评价函数下降了。但是镜片2的厚度太薄，所以在MF中添加一个新的命令:
-JTG?JOd]  
      ADT 7 .1 1
XxOn3i  
)Au&kd-W@(  
取消AEI命令行的注释，并重新优化。这将控制每个镜片的直径/厚度比，并添加一个镜片。现在系统看起来很好。
GqUSVQ  
把这个设计分配给下一个ACON，我们要用它来查看物距5米处的像质。点击按钮;然后输入如下命令：
Lt>7hBe"  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
|I1+"Mp  
! F7:i  
您已经设置物距为5米，并将第4个面的厚度调整为90毫米，调整物体高度，使高斯像高保持在5毫米。我们想看看它是如何工作的。运行变焦滑块，在缩放范围内查看此ACON的性能。它和无穷远处的性能很相似。在物距范围内聚焦不会有任何问题。最大的像差出现在zoom 15中，这是一种长焦设置，对于这种镜头来说是正常的 r/AHJU3&eY  
现在点击PAD Scan按钮，检查每个field point的像差是否得到控制。在变焦范围的两端都这样做，你会发现每个地方都得到了很好的控制。如果某个中间视场点出现较大的像差，我们将在出现问题的视场点向AANT文件添加另一个GNR命令，但在目前的结果下没有必要这样做。 Yx1 D)  
变焦滑块显示了镜头在整个变焦范围内的焦点-但我们也需要进行调整 打开工作表并单击ZFILE按钮以显示当前变焦参数。滚动到编辑窗格的顶部并添加两个命令，如下面的红色字体所示:
MY F#A  
      … \ X$)vK  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 yNva1I  
      ZFILE  2 \dV Too  
      CAM RANK  9 \"d?=uFe  
      CAM EXPONENT  0.800000 8"M<{72U]  
      5 10 ma]? )1<{  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC SE!L :  
      …
'h}7YP, w  
OCW+?B;  
现在该程序将对凸轮曲线使用分段三次拟合(而不是目前默认使用的幂级数多项式)，并将调整第二组的变焦位置，以保持在所有变焦时近轴离焦的平稳过渡。再次运行变焦滑块，焦点处在正确的位置上! B||c(ue  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。
V2<i/6~  
在本课中，我们需要多次调整参数运行，直到得到满意的结果为止。例如，上面显示的ZSEARCH输入包含CUL和FUL命令，以限制玻璃模型变量允许的最高折射率。在这种情况下，我们限制它们为1.75。但也有其他玻璃品种的折射率高达1.9。为什么不用这些材料呢? ;0j*>fb\q7  
这些玻璃材料，尤其是燧石材料的玻璃，比折射率较低的玻璃更容易吸收蓝光。如果这款镜头是用于空中侦察任务，经常会添加一个黄色滤镜来透过雾霾，那么高折射率的材料将是首选，因为这样可以更好的校正像差，而蓝光则不重要。输入以下命令：
<SQ(~xYi  
     XCOLOR
=|0/Ynfe  
d@>\E/zA  
看看什么颜色的光线能通过镜头，你可以查看下面左边的图片。让折射率上升到1.9，重复整个过程，我们得到了更好的分辨率镜头，但是蓝色波长的光的传输更差，如右图所示。
H8i+'5x,?  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? G (\Ckf:  
我们可能需要更好的分辨率镜头，这就需要在插入真正的玻璃材料之前，再次运行AEI命令。也许我们更喜欢短一点的镜头。这要求再次运行ZSEARCH，在TOTL上使用不同的设置。如果我们在快速模式下运行更多的循环会发生什么?很可能我们会得到一组不同的10个镜头。如果关闭98开关，我们再次运行相同的设置，结果可能会有所不同。 %fpsc _  
从一个简单的方法开始，了解什么可行，什么不可行，根据需要增加复杂性，SYNOPSYS为此目的提供了许多强大工具。 Cef7+fa  
7) 0q--B  
F5IZ"Itu(  
asdoptics 2019-03-03 21:50
优秀文章，支持！
是波妞啊 2019-03-20 15:25
感谢楼主分享 ,}<RrUfD  
可以自己试一试啦 T.@sq  
/f&By p  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 yDuq6`R*  
可以自己试一试啦 _'lmCj8L  
 (2019-03-20 15:25)  gi 5XP]z  
Of&"U/^  
有什么问题可以随时联系我们
jessen 2019-04-26 19:09
不需要初始结构，可以试试。
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