快速设计一个30倍的变焦镜头：SYNOPSYS 光学设计软件
p`}'-A|@
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。 3r]N\c
设计要求如下： b%"Lwqd r7
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 Nv U~? WN
ZSEARCH输入如下: ^oT!% "\
LOG ! to keep track of things later ON 98 5\\a49k.p
TIME ! to see how long this run took CORE 14 U f <hzP
ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3 +8~C&K:
e SlZAdK
SYSTEM Uth H
ID ZSEARCH TEST <C6*-j1oz
OBB 0 14 3 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi L] ce13K
! aperture. This defines the wide-field object hA!kkNqV
UNI MM WAVL CDF END S FQYrY
F,'rW:{HMt
GOALS ZOOMS 7 =vc8u&L2
GROUPS 2 3 4 2 ! lens has four groups with 11 elements altogether ~qj09
ZGROUP 0 Z Z 0 ! and groups 2 and 3 will zoom qT D^Vz
V
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! also correct range focus at 5 meters xhmrep6+<
FINAL ! declare the desired object at the last zoom position, TE !+G\@
! which is the narrow field zoom b w2KD7
OBB 0 0.4666 90 Fy 8$'o c
Q>[Xm)jr:
ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the jt? . g'
! first and last i9 Tq h
APS 19 ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF <4 m@W G
GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1 ! the back focus is 20 mm and will vary. A target will be eK=<a<tx
! added to the merit function with a low weight. fu]mxGPc
COLOR M ! correct all defined colors jJO s`'~Q\
ANNEAL 50 10 Q ! anneal the lens as it is optimized in both modes QUICK 40 40 ! 40 passes in quick mode, 40 in real-ray mode BJ, 9C.|
ASTART 22 a/v!W@Zz}
SV}C]<
TSTART 12 END U81--'@y
;"N4Yflz
SPECIAL PANT CUL 1.75 q+}KAk|]V
FUL 1.75 END ;ZVT[gi*
+dgHl_,i
SPECIAL AANT ]`, ja D
ACA 55 1 1 ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 0`D`
Je<t
ACM 4 1 1 pi|P &?yw
ACC 35 1 1 ?!Bf# "TY
xq<3*Bcw
LUL 600 .1 10 A TOTL END M 1
5_
GO ! start ZSEARCH
iE8
TIME ! see how long the run took. Jv+N/+M47
1q7Y,whp
运行这个宏一段时间后，我们得到了一个有潜力的初始结构。 `\vqDWh8-
我们只纠正了7个变焦位置，在完成设计之前，可能还需要更多的变焦位置，但是前期选择少量的变焦位置做参考，会使ZSEARCH运行得更快。 2/ES.>K!.
打开工作表并将APS命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。 h]{V /
运行ZSEARCH产生的宏。 &ap&dM0@%a
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令： l1 ?$quM^V
CAM 15 SET T1YCld
a?dUJt
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： 2b i:Q9
CAM 100 d)yu`U
N9}27T+4
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： E@(nKe&6T_
CAM 100 APERT ?Xq"Q^o4#e
4[VW~x07
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 -\dcs?
ZSPACE NONLIN 1.7 g;n6hXq4
BD.>aAi!
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。 vi1
D<
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。 ^_rBEyz@
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下： "z6 xS;
ZOOM 1 9z9\pXFQ
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT aB*'DDlx"r
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 Ua 2wa A
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 P1u( 0t
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 LjEG1$F>
LUL 600 .1 10 A TOTL BJNZH# "
ZOOM 2 A6Vb'Gqv{
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT FBP'AL|
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 4A { 6)<e
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 y:Ne}S*ncE
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 =euMOs
LUL 600 .1 10 A TOTL b CL/"OB
ZOOM 3 Svl; Ul
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT Zb4+zps^-
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 nQar yL
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 >.o<}!FW
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 epm ~
LUL 600 .1 10 A TOTL r >;( \_@
ZOOM 4 5 !Ho[
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT pt_]&3\e
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 /:. p{y
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 8quH#IhB
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 N eC]MW
LUL 600 .1 10 A TOTL 8c3/n
ZOOM 5 Tf{lH9ca$
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT X@pc L{T!
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 k((kx:
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 f!K{f[aDa
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 m8,jV R
LUL 600 .1 10 A TOTL "%rzL.</
ZOOM 6 [R(d Cq>
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT %$6?em_
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 me
YSW
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 K
+l-A>Ic
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 8Joj KH
LUL 600 .1 10 A TOTL 044Q>Qz,
ZOOM 7 Ie7S'.Lmq
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT ;;} }uW=
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 Y;1s= B9
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 A)8 0qx:
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 AvZO R
LUL 600 .1 10 A TOTL J;S Z"I'
XE S$V15
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。 R
q .2
ZGROUP ALL 9|l6.$Me/
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT kIJ =]wU|v
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 <~hx ~"c
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 Z \S'HNU
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 x }.&?m
LUL 600 .1 10 A TOTL RV>n Op}R
END PnJA'@x
*],= !
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。 9/PX~ j9O?
ZFOCUS 0.500000E+04 4 0.900000E+02 0.500000E+01 Bp/ k{7
ZGROUP ALL xA>3]<O
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 {`+:!X
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 ?8ady%
.ls
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 )&[Z w{6P
END +HF*X~},i
END $AF,4Ir-b+
V;(Rg=5
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 I3A xK A
CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 7,3 g{8
hY/i)T{
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。 RPZ
-
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 98I m/v
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 b8h6fB:2
v
M $Tn
运行宏。程序建议在第4个镜片组中添加了一个镜片，像质得到很大的提高。 b4CXif
我们想进一步改进像质。我们发现第一个镜片中心较厚，但它的边缘很薄。现在的厚度是多少? = /kT|
SYNOPSYS AI>1 TH? LDbo=w
P ,bis7X.
The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744 ?jn";:
s@K #M
我们的评价函数里有一个监视器，可以防止中心厚度变得太大，我们已经指定了一个35毫米的默认控制。但这个透镜是一个体积相当大，显然我们需要增加允许的厚度。将ACC监视器更改为 =`t%p1
ACC 50 1 1 &t@|/~%[
6BObV/S Jg
注释掉AEI命令行，再一次优化，模拟退火(22，2，50)。评价函数下降了。但是镜片2的厚度太薄，所以在MF中添加一个新的命令: ~-BIU Z;
ADT 7 .1 1 v;:. k,E0
vq RW^>~-B
取消AEI命令行的注释，并重新优化。这将控制每个镜片的直径/厚度比，并添加一个镜片。现在系统看起来很好。 6D29s]h2
把这个设计分配给下一个ACON，我们要用它来查看物距5米处的像质。点击按钮 ;然后输入如下命令： ee*E:Ltz\
ZFOCUS 5000 4 90 5 `_E@cZ4
1 8JAca8Zs
您已经设置物距为5米，并将第4个面的厚度调整为90毫米，调整物体高度，使高斯像高保持在5毫米。我们想看看它是如何工作的。运行变焦滑块，在缩放范围内查看此ACON的性能。它和无穷远处的性能很相似。在物距范围内聚焦不会有任何问题。最大的像差出现在zoom 15中，这是一种长焦设置，对于这种镜头来说是正常的 x<>I n"QV
现在点击PAD Scan按钮 ，检查每个field point的像差是否得到控制。在变焦范围的两端都这样做，你会发现每个地方都得到了很好的控制。如果某个中间视场点出现较大的像差，我们将在出现问题的视场点向AANT文件添加另一个GNR命令，但在目前的结果下没有必要这样做。 E|ZLz~
变焦滑块显示了镜头在整个变焦范围内的焦点-但我们也需要进行调整 打开工作表并单击ZFILE按钮 以显示当前变焦参数。滚动到编辑窗格的顶部并添加两个命令，如下面的红色字体所示: rlSflcK\\(
… 9m}c2:p
OBB 0.000000 14.00000 3.00000 -60.69895 0.00000 0.00000 3.000 qViolmDz
ZFILE 2 fHacVj J
CAM RANK 9 =aRE
CAM EXPONENT 0.800000 /;9 ]LC.g
5 10 3k* U/*
11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC }tPI#[cfK
… gro@+^DmT
IfpFsq:
现在该程序将对凸轮曲线使用分段三次拟合(而不是目前默认使用的幂级数多项式)，并将调整第二组的变焦位置，以保持在所有变焦时近轴离焦的平稳过渡。再次运行变焦滑块，焦点处在正确的位置上! ZJ}|t
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。 ^vr`t9EE
在本课中，我们需要多次调整参数运行，直到得到满意的结果为止。例如，上面显示的ZSEARCH输入包含CUL和FUL命令，以限制玻璃模型变量允许的最高折射率。在这种情况下，我们限制它们为1.75。但也有其他玻璃品种的折射率高达1.9。为什么不用这些材料呢? qW t 9Tr
这些玻璃材料，尤其是燧石材料的玻璃，比折射率较低的玻璃更容易吸收蓝光。如果这款镜头是用于空中侦察任务，经常会添加一个黄色滤镜来透过雾霾，那么高折射率的材料将是首选，因为这样可以更好的校正像差，而蓝光则不重要。输入以下命令： /Avl&Rd
XCOLOR v DVE#Nm_
c{cJ>d 0
看看什么颜色的光线能通过镜头，你可以查看下面左边的图片。让折射率上升到1.9，重复整个过程，我们得到了更好的分辨率镜头，但是蓝色波长的光的传输更差，如右图所示。 J@Qw6J
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? ]`}R,'P
我们可能需要更好的分辨率镜头，这就需要在插入真正的玻璃材料之前，再次运行AEI命令。也许我们更喜欢短一点的镜头。这要求再次运行ZSEARCH，在TOTL上使用不同的设置。如果我们在快速模式下运行更多的循环会发生什么?很可能我们会得到一组不同的10个镜头。如果关闭98开关，我们再次运行相同的设置，结果可能会有所不同。 &&($LnyA]
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。 Cs8e("w
q /^&si
<rFKJ^ B
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