快速设计一个30倍的变焦镜头：SYNOPSYS 光学设计软件
b 0b9#9x
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。 $Je"z]cy-
设计要求如下： E`fss d~
1. 变焦30倍 2. 半视场角14° 3. 最后一面的半孔径为3mm 4. 使用11个镜片 5. 四组镜片，其中两组是用来变焦 6. 像高5mm 7. 后焦距20mm 8. 总长600mm 9.物距从无穷远到5m范围内对焦清晰 " ^baiN@ac
ZSEARCH输入如下: /: `
i%E
LOG ! to keep track of things later ON 98 SECQVA_y`
TIME ! to see how long this run took CORE 14 - 1
ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3 huJ q#5?
'$XHRS/q]
SYSTEM Bh,)5E^m
ID ZSEARCH TEST (?BgT i\
OBB 0 14 3 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi /i y*3P,`
! aperture. This defines the wide-field object I'9s=~VfY,
UNI MM WAVL CDF END 4)H WPX
;3|Lw<D5;
GOALS ZOOMS 7 6b]d|
GROUPS 2 3 4 2 ! lens has four groups with 11 elements altogether C 9U {^
ZGROUP 0 Z Z 0 ! and groups 2 and 3 will zoom (+LR u1z
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! also correct range focus at 5 meters '[ g)v
FINAL ! declare the desired object at the last zoom position, iW@Vw{|i I
! which is the narrow field zoom {!1n5a3" 1
OBB 0 0.4666 90 bo;pj$eR3R
i!W8Q$V
ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the ^i+ z_%V
! first and last Zng` oFD
APS 19 ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF Z4AAg
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 H='9zqYZ<W
! added to the merit function with a low weight. %HF$
COLOR M ! correct all defined colors aE\BAbD7
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 ,(0XsBL
ASTART 22 QHzX
5$IM
k,R~ oSA'n
TSTART 12 END *_<*bhR<
>?9 WeXG
SPECIAL PANT CUL 1.75 W
B*`zCM
FUL 1.75 END 8gtCY~m
"56?/ jF
SPECIAL AANT Cre0e$ a
ACA 55 1 1 ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 K-EI?6`xM
ACM 4 1 1 HCj n9
ACC 35 1 1 5d?!<(e6
_%Jl&0%q
LUL 600 .1 10 A TOTL END "26B4*
GO ! start ZSEARCH 2b4pOM7W
TIME ! see how long the run took. Ef`5fgp?
S
]tQDk4&i
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。 @b!R2 Yq
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。 :Q
r7:$S^
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。 o;VkoYV
运行ZSEARCH产生的宏。 {|5$1v
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令： Wt+y-ES
CAM 15 SET ;V"yMWjc
LD~Jbq
运行变焦滑块，会显示在变焦范围内设计得到了很好的纠正，但是在中间的位置会出现离焦。我们预设置为7个变焦位置。让我们看看变焦组是如何分布的。输入以下命令： _.OMjUBZT
CAM 100 eY 4`k
B)DC,+@$
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： EK8E
CAM 100 APERT Ie2w0Cs28
gl9pgY1ni
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 7z g)h
ZSPACE NONLIN 1.7 \ L9?69B~
Y*kh$E%<#
在ZSEARCH文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。
& 6\r
现在镜头已经定义了15个变焦组，同样聚集在凸轮曲线的左边，因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的，只有7个变焦组是准确的。 AY&9JSu 6
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下： 7TV>6i+7
ZOOM 1 Uin k
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT F8uRT&m B0
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 . QQ?w
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 Ko$ $dkSE
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 q'% [[<
LUL 600 .1 10 A TOTL s`Yu"s
8}4
ZOOM 2 5w,lw
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT NIGB[2V(
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 $ ] W[y=
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 d`?U!?Si
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 Sl. KLc@@
LUL 600 .1 10 A TOTL Gg=aK~q6
ZOOM 3 lBlSNDs
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT 4i_spF-3
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 _=|nOj39
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 V17>j0Ev$W
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 }b_R5U$@@
LUL 600 .1 10 A TOTL Bmx(q E
ZOOM 4 Y|%anTP
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT 22)0zY%\
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 :`+|'*b(A
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 3)6+1Yc
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 DAjG *K{
LUL 600 .1 10 A TOTL a 4A `cUt
ZOOM 5 bK ?1MiXb
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT =d go!k
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 ]LEoOdDN"C
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 ?!bd!:( N
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 p//T7r s
LUL 600 .1 10 A TOTL B3 y?.
ZOOM 6 jMN)?6$=
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT W3 De|V^
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 lbQ6
a
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 -h>Z,-DE6
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 3.Ji5~
LUL 600 .1 10 A TOTL nAIH`L"X
ZOOM 7 8{R&EijC
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT D W1@<X
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 vTpStoUM
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 tS?a){^:c
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 zn t)]>f#
LUL 600 .1 10 A TOTL fZ[kh{|
*3;UAfHv
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。 9Hu
d|n
ZGROUP ALL E [S?
b=^
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT a* D,*C5}
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 \,2gTi,=
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 :d.1 ;st
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 Ne Hx2m+
LUL 600 .1 10 A TOTL x5oOF7#5
END Q8;#_HE
xPt*CB
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。 m d?b*
ZFOCUS 0.500000E+04 4 0.900000E+02 0.500000E+01 cA<<& C
ZGROUP ALL _ m Xs4
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 W@^J6sH
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 $ADPV,*gG
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 \]I
END #: #Dz.$L
END #,&8&
L? 8^a G
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 }S */b1
CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 I+|uU g5
KnJx{8@z
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。 it)ZP H
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
:=9<
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 0oSQY[ht/
7(C x!Yb
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。 Q.A \U>AgV
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? hU" F;4p
SYNOPSYS AI>1 TH? )t%h[0{{
o xfF`L"
The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744 \lEkfcc
=We2^W-{
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 qfYG.~`5
ACC 50 1 1 <
bFy(+
NEV p8) w
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: \GL*0NJ
ADT 7 .1 1 'wvMH;}u
j;\[pg MR/
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?F`:{
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： ?#BV+#(
ZFOCUS 5000 4 90 5 {<K=*r rZ
3 v1 7"
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 BpH%STEN
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。 yMx TfR
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: =6\LIbO
… %>zjGF<
OBB 0.000000 14.00000 3.00000 -60.69895 0.00000 0.00000 3.000 CU$#0f >
ZFILE 2 ^DB{ qU
CAM RANK 9 opp!0:jS*
CAM EXPONENT 0.800000 4 1t)(+r
5 10 e2w&&B-
11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC }x :f%Z5h
… gU;&$
7\Fs=\2l+'
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! )`+YCCa6F
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。 x({C(Q'O
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? ~h)&&' a
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： 0* F}o)n/m
XCOLOR ;Ii1B{W
73F5d/n
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。 z|N3G E(.@
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? (sTuG }
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。 1m@^E:w
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。 N#ioJ^}n:
:iUF7P1 I
s' \$t
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