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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

wF IegC(  
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。 HKU~UTRnZ  
设计要求如下： ujDd1Bxf?  
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 ~k\fhx  
ZSEARCH输入如下:

q4R5<LW"  
      LOG    ! to keep track of things later ON 98 [=E  
      TIME    ! to see how long this run took CORE 14 x*![fK  
      ZSEARCH 3 QUIET    ! save results in library location 3 b=g8eMm  
_g+JA3sIJ  
      SYSTEM ta35 K"  
      ID ZSEARCH TEST >z/#_z@LV  
      OBB 0 14 3    ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi q+Lr"&'Q  
      ! aperture.    This defines the wide-field object X>d"]GD  
      UNI MM WAVL CDF END =+/eLKG  
9*2[B"5  
      GOALS ZOOMS 7 VeGL)  
      GROUPS 2 3 4 2    ! lens has four groups with 11 elements altogether /,89p&h  
      ZGROUP 0 Z Z 0    ! and groups 2 and 3 will zoom &qMPq->  
      ZFOCUS 5000 4 90 5    ! also correct range focus at 5 meters )jU)_To  
      FINAL    ! declare the desired object at the last zoom position, nc~F_i=  
      ! which is the narrow field zoom M=%l}FSTw(  
      OBB 0 0.4666 90 '[U8}z3  
jK!Au  
      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the VbJiZw(aR  
      ! first and last I, -hf=-  
      APS 19    ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF ||T2~Q*:y  
      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 sc|_Q/`\.  
      ! added to the merit function with a low weight. ?{\nf7Y  
      COLOR M    ! correct all defined colors | h`0u'#  
      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 )hd@S9Z.Y  
      ASTART 22 `NnUyQ;T  
;o^eC!:/%  
      TSTART 12 END c]$i\i#  
P<PJ)>  
      SPECIAL PANT CUL 1.75 m`IC6*  
      FUL 1.75 END @PN#p"KaT  
R? ,an2  
      SPECIAL AANT IM:=@a{  
      ACA 55 1 1    ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 Q~814P8]  
      ACM 4 1 1 +!k&Yje  
      ACC 35 1 1 kd=GCO  
;KOLNi-B&  
      LUL 600 .1 10 A TOTL END !$DIc  
      GO    ! start ZSEARCH 2{]`W57_=  
      TIME    ! see how long the run took.
J c g,#@  
pwO>h>ik  
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。
K)-U1JE7  
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。 /,1D)0  
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。 dI*pDDq#  
运行ZSEARCH产生的宏。 \[BK1JP  
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：
4FEk5D  
      CAM 15 SET
IN4=YrM^  
9!f/aI  
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：
Q Btnx[  
      CAM 100
3j,Q`+l/6d  
[r3!\HI7x  
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：
P.6nA^hXB  
      CAM 100 APERT
 u*e.yN  
7x#Ckep:I  
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
@*}D$}aR'V  
      ZSPACE NONLIN 1.7
{xwm^p(f  
k xP-,MD  
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。 HqI t74+  
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。 EM]s/LD@%  
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：
|w_7_J2  
    ZOOM        1 =2[7 E  
    M    0.500000E+01        0.100000E+02    A    GIHT GRGzP&}@  
    GSR    0.000000        5.000000        4    M    0.000000 tDSJpW'd  
    GNR    0.000000        3.000000        4    M    0.750000 '=[?~0(B  
    GNR    0.000000        1.000000        4    M    1.000000 M54j@_81pX  
    LUL 600 .1 10 A TOTL Ks=>K(V6  
    ZOOM    2 .9R [ *<  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT zEs>b(5u  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 |\QgX%  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 Tg!i%v(-t  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ([ jF4/  
    LUL 600 .1 10 A TOTL 0zo?eI  
    ZOOM    3 F_Z- 8>P  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT `^bgUmJ~  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 PH`9MXh  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 @[5xq  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 .}'qUPNR  
    LUL 600 .1 10 A TOTL b}0,\B%  
    ZOOM    4 VGtC)mG8)  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT }tsYJlh5  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 szsk;a  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 >"gf3rioW  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 W.z;B<  
    LUL 600 .1 10 A TOTL i%ZW3MrY~  
    ZOOM    5 ZaeqOVp/j  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT *&?c(JU;<  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 Ae69>bkE0  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 W- i&sUgy  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 "5;;)\o ~  
    LUL 600 .1 10 A TOTL SfgU`eF%B  
    ZOOM    6 M(jgd  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT #Xhdn\7  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 rrQQZ5fhb  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 , FhekaA  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 !lEY=1nHOJ  
    LUL 600 .1 10 A TOTL G:<`moKgL  
    ZOOM    7 u`y><w4i  
    M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT Of{/t1o?  
    GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 K) qF+Vb^j  
    GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 + ` s@  
    GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 O<96/a'  
    LUL 600 .1 10 A TOTL
fQ/ 0R  
 -QOw8vm  
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。
,S'p %g  
      ZGROUP ALL j{Hao\F8  
      M    0.500000E+01    0.100000E+02    A    GIHT zXv3:uRp.  
      GSR    0.000000    5.000000        4    M    0.000000 +|bmT  
      GNR    0.000000    3.000000        4    M    0.750000 bA\<.d  
      GNR    0.000000    1.000000        4    M    1.000000 ?"zY" *>4  
      LUL 600 .1 10 A TOTL [ j3&/  
      END
%6L^2 X  
fQL"O}Z  
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。
43={Xy   
    ZFOCUS    0.500000E+04    4    0.900000E+02    0.500000E+01 M@4UGM`J  
    ZGROUP    ALL 'rMN=1:iu"  
    GSR    0.000000    5.000000    4    M    0.000000 /I)yU>o  
    GNR    0.000000    3.000000    4    M    0.750000 *.\  
    GNR    0.000000    1.000000    4    M    1.000000 p!sWYui  
    END pX&pLaF  
    END
v-yde >(  
o&`<+4 i  
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
.q[SI$qO/  
      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7
X>NhZ5\  
c6nflk.l  
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。
 emK$`9  
让我们尝试添加镜片来检验是否对像质有帮助。在PANT文件之前，添加如下命令行
 `)GrwfC  
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2
 PZ{Dv'C  
0{dz5gUde  
运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片，像质得到很大的提高。
6&bY}i^K  
我们想进一步改进像质。我们发现第一个镜片中心较厚，但它的边缘很薄。现在的厚度是多少?
.pfP7weQ  
      SYNOPSYS AI>1 TH? ZKQG:M~|  
S}$r>[t  
      The thickness or spacing of surface number    1    is    35.36316744
M9y <t'  
?T>'j mmV=  
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
q4}PM[K?=\  
      ACC 50 1 1
{?J/c{=/P  
.A-]_98Z  
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:
+n<k)E@>J  
      ADT 7 .1 1
Ga#:P F0  
qZ}P*+`Q  
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。
{e+-vl  
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：
*uo'VJI7_,  
      ZFOCUS 5000 4 90 5
= M]iIWQ@`  
yY[<0|o u  
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 UW9?p}F  
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。 ZO4*sIw%  
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:
p98~&\QT  
      … a@\D$#2r  
      OBB  0.000000    14.00000    3.00000    -60.69895    0.00000    0.00000    3.000 <Q ?a=4  
      ZFILE  2 &^}6 9  
      CAM RANK  9 vG;zJ#c  
      CAM EXPONENT  0.800000 &Y 4F!Rb  
      5 10 _)]+hUw Y  
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC \MjJ9u `8  
      …
1Wm)rXW[x  
;5tazBy&:C  
现在该程序将对凸轮曲线使用分段三次拟合(而不是目前默认使用的幂级数多项式)，并将调整第二组的变焦位置，以保持在所有变焦时近轴离焦的平稳过渡。再次运行变焦滑块，焦点处在正确的位置上! cs1l~bl  
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。
?0YCpn  
在本课中，我们需要多次调整参数运行，直到得到满意的结果为止。例如，上面显示的ZSEARCH输入包含CUL和FUL命令，以限制玻璃模型变量允许的最高折射率。在这种情况下，我们限制它们为1.75。但也有其他玻璃品种的折射率高达1.9。为什么不用这些材料呢? }~"hC3w  
这些玻璃材料，尤其是燧石材料的玻璃，比折射率较低的玻璃更容易吸收蓝光。如果这款镜头是用于空中侦察任务，经常会添加一个黄色滤镜来透过雾霾，那么高折射率的材料将是首选，因为这样可以更好的校正像差，而蓝光则不重要。输入以下命令：
{dL?rQ>5L  
     XCOLOR
lW(px^&IN  
QHWBAGA  
看看什么颜色的光线能通过镜头，你可以查看下面左边的图片。让折射率上升到1.9，重复整个过程，我们得到了更好的分辨率镜头，但是蓝色波长的光的传输更差，如右图所示。
[8Qro8  
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? 7zHh@ B:]  
我们可能需要更好的分辨率镜头，这就需要在插入真正的玻璃材料之前，再次运行AEI命令。也许我们更喜欢短一点的镜头。这要求再次运行ZSEARCH，在TOTL上使用不同的设置。如果我们在快速模式下运行更多的循环会发生什么?很可能我们会得到一组不同的10个镜头。如果关闭98开关，我们再次运行相同的设置，结果可能会有所不同。 ]S(%[|  
从一个简单的方法开始，了解什么可行，什么不可行，根据需要增加复杂性，SYNOPSYS为此目的提供了许多强大工具。 `.T}=j|  
em\ 9'L^  
 ~BDu$  
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 /Nr*`l  
可以自己试一试啦 >~`r:0',  
 1~l I8  
optics1210 2019-03-21 11:12
是波妞啊:感谢楼主分享 TRZRYm"  
可以自己试一试啦 ?88`fJ@tk?  
 (2019-03-20 15:25)  pA;-v MpMj  
~+<olss_  
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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