快速设计一个30倍的变焦镜头：SYNOPSYS 光学设计软件
BnJpC<xm
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。 vJTdZ p
设计要求如下： hq[;Q F:B
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 SbS*z:
ZSEARCH输入如下: }EM v EA
LOG ! to keep track of things later ON 98 *9Eep~ 6
TIME ! to see how long this run took CORE 14 L[;U
Z)V@
ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3 gD`|N@W $5
ot Tv,T182
SYSTEM mAO$gHQ
ID ZSEARCH TEST KU:RS+,e;
OBB 0 14 3 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi ((OQs .
! aperture. This defines the wide-field object !7)` g i
UNI MM WAVL CDF END ;nS.t_UW.
v;_m1UpuW
GOALS ZOOMS 7 S~L;oX?(!
GROUPS 2 3 4 2 ! lens has four groups with 11 elements altogether o3C7JG
ZGROUP 0 Z Z 0 ! and groups 2 and 3 will zoom NL` }rj
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! also correct range focus at 5 meters vl1`s
^}R
FINAL ! declare the desired object at the last zoom position, {"f4oK{w
! which is the narrow field zoom S L I(;, s
OBB 0 0.4666 90 |7XPu
( @wgNA-P
ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the /qf(5Bm
! first and last n[ |*[II
APS 19 ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF ITpo:"X g
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 Y
1v9sMN,
! added to the merit function with a low weight. l= +hs
COLOR M ! correct all defined colors N>a. dYXr
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 {nQ?+o3
ASTART 22 OGA_3|[S
jTSN`R9@
TSTART 12 END mV~aZM0'
$qndG,([F
SPECIAL PANT CUL 1.75 M{(g"ha
FUL 1.75 END 'c]Fhe fb
4\?z ^^
SPECIAL AANT hD) 'bd
ACA 55 1 1 ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 {S l#z }@s
ACM 4 1 1 ,$4f#)
ACC 35 1 1 VK)vb.:
Hsdcv~Xr;l
LUL 600 .1 10 A TOTL END D5Z@6RVt
GO ! start ZSEARCH oh ^/)2W
TIME ! see how long the run took. v,}M n7:
8D]& wBR:
运行这个宏一段时间后，我们得到了一个有潜力的初始结构。 d2~*fHx_ !
我们只纠正了7个变焦位置，在完成设计之前，可能还需要更多的变焦位置，但是前期选择少量的变焦位置做参考，会使ZSEARCH运行得更快。 `eo$o!
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。 Jam&R j,
运行ZSEARCH产生的宏。 m[>pv1o
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令： %2q0lFdcM
CAM 15 SET NU N~T (
I-glf?F)
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： 6y0CEly>3#
CAM 100 *(+*tj cWa
.
.5s 2
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： #B$r|rqamq
CAM 100 APERT " z8iuF
FN+x<VXo(
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 &eA!h
ZSPACE NONLIN 1.7 f)_k_ <
Kb$6a'u7
在ZSEARCH文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。 uUIjntSF(
现在镜头已经定义了15个变焦组，同样聚集在凸轮曲线的左边，因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的，只有7个变焦组是准确的。 |XrGf2P9u
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下： )i^+=T Z q
ZOOM 1 {9c_T!c
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT r9
5hW
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 f,(@K%
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 C
CDO8
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 0F 5QAR
O
LUL 600 .1 10 A TOTL Efa3{
7>{
ZOOM 2 C#l9MxZE
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT NScUlR"nE
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 Z@ dS,M*
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 1m{c8Z.h/d
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 "KHe6otmi_
LUL 600 .1 10 A TOTL -s_=4U,
ZOOM 3 N5F+h94z]
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT e~1$x`DH
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 Ib}~Q@ ?2
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 Z~{0x#?4%
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 u gy: ^U
LUL 600 .1 10 A TOTL aYmN'
POi
ZOOM 4 9O{b8=\}
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT k:yrh:Jh B
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000
m1#,B<6
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 ba "_ !D1
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 Fo;.
LUL 600 .1 10 A TOTL +\ GuZ 5`
ZOOM 5 3d;w\#? L;
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT 3bK=Q3N
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 5uAUi=XA>S
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 1
F+$\fLr
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 X B[C&3I
LUL 600 .1 10 A TOTL 3FQXp
ZOOM 6 `]$H\gNI[8
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT btDP P k'
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 sOBuJx${m
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 [E:-$R
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 Sd?+j;/"
LUL 600 .1 10 A TOTL 5X}O Un8
ZOOM 7 Wg[ ThaZ
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT Bc1MKE5
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 V5up/ 6b,1
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 MngfXm
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 PESJ7/^E
LUL 600 .1 10 A TOTL e)Pm{:E
F m$;p6&j
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。 ,&aD
U
ZGROUP ALL 2`cVi"U
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT 'qlWDt/
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 jx-8%dxtZ
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 e =4k|8 G
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 1 g1gu=|Q
LUL 600 .1 10 A TOTL ?{KC@c*c
END BDc "0XH
nTH!_S>b(Y
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。 t OVYA\ ]
ZFOCUS 0.500000E+04 4 0.900000E+02 0.500000E+01 J%ue{PL7
ZGROUP ALL F^}n7h= qk
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 fS- 31<?
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 -^<`v{}Dn
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 mqv!"rk'w
END d
A' h7D
END *+>R^\uT
c[E>2P2-_
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 P(XNtQ= K
CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 ^
^R4%C
R WK##VHK
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。 oQ_n:<3 X
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 *l\v qgv.Z
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 GcA!I!j/
!e(ZEV g
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。 pgU4>tyD
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? Xn:ac^
SYNOPSYS AI>1 TH? a FrVP
C@q&0\HN
The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744 { 1j[RE
:fE*fU@
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 E a2&7
ACC 50 1 1 *|Fl&`2
`A o;xOJ
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: x1ID6kI[{*
ADT 7 .1 1 #p^r)+\3=
OJ\rT.{
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。 j])nkm7_
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： !WReThq
ZFOCUS 5000 4 90 5 4uU R2J
J "dp?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 BA+:}81&<q
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。 3kBpH7h4
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: rO`n S<G
… v^_<K4 N`
OBB 0.000000 14.00000 3.00000 -60.69895 0.00000 0.00000 3.000 *>XY' -;2e
ZFILE 2 3tTz$$-#
CAM RANK 9 X@ 7K#@5
CAM EXPONENT 0.800000 AFcA5: ja
5 10 , w/f :-y
11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC Y)L\*+
>"[
… 8E!I9z
T6ZJ SKM
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! y[!4M+jj
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。 B<Ynx_ 95
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? .iL_3:6f
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： !jDqRXi(
XCOLOR YMx
zj
|V|)cPQ
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。 ?JD\pYg [/
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? [+st? ;"GF
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。 |k4ZTr]?
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。 sE8.,\
D{,B[5
h;KI2k_^
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