快速设计一个30倍的变焦镜头：SYNOPSYS 光学设计软件
3s88#_eT
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。 >DSNKU+j
设计要求如下： Dwm@E\^ihm
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 5<'n
ZSEARCH输入如下: U[K0{PbY
LOG ! to keep track of things later ON 98 +!mNm?H[!
TIME ! to see how long this run took CORE 14 qk"oFP6
ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3 ?,A}E|jZ
HV#?6,U}
SYSTEM k ~'?" '
ID ZSEARCH TEST ~(w=U *
OBB 0 14 3 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi Hsd|ka$x>
! aperture. This defines the wide-field object k)<~nc -
UNI MM WAVL CDF END
6E)u u; 8
?N L&x
GOALS ZOOMS 7 [Gh%nsH
GROUPS 2 3 4 2 ! lens has four groups with 11 elements altogether x= vE&9_u
ZGROUP 0 Z Z 0 ! and groups 2 and 3 will zoom t?3{s\z 8+
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! also correct range focus at 5 meters ~Q.8 U3"
FINAL ! declare the desired object at the last zoom position, 0ECO/EuCg
! which is the narrow field zoom M]%!n3Fb
OBB 0 0.4666 90 1FXz Ac(c!
s>9z+;~ !
ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the dQWA"6 ?i
! first and last KxgR5#:i"
APS 19 ! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF :N+K^gI)
GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1 ! the back focus is 20 mm and will vary. A target will be '&_y*"/c
! added to the merit function with a low weight. `uaD.m$EJ
COLOR M ! correct all defined colors "63zc 1
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 ?%8})^Dd>4
ASTART 22 q;Ar&VrlNq
(e bBH
TSTART 12 END )Rm
'YmO
K~fDv i
SPECIAL PANT CUL 1.75 p;c_<>ws-Y
FUL 1.75 END h0S y'] 3m
zBr Wm_R5T
SPECIAL AANT 2F*Dkv
ACA 55 1 1 ! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1 ZmR[5 mv@
ACM 4 1 1 &t9XK 8S
ACC 35 1 1 s[{:>~{iq
sJjl)Qs)T
LUL 600 .1 10 A TOTL END N('S2yfDR
GO ! start ZSEARCH [][:/~q!
TIME ! see how long the run took. "0!eb3n
Ztpm _P6
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。 uP% ;QBb
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。 dl3LD B
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。 J _[e9
运行ZSEARCH产生的宏。 aQym=
6 %e
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令： ;nAg4ll8Q
CAM 15 SET .9[8H:Fe
c} I8!*\
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： M~g~LhsF
CAM 100 y9re17{
X
0x9 F*i_
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： .$ P2W0G
CAM 100 APERT 2A18hP`^
bTo@gJk n
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 ,P; a/{U
ZSPACE NONLIN 1.7 sgb+@&}9n
Z%HEn$t
在ZSEARCH文件中，更大的非线性值会将它们分布的更广泛一些；而小于1.0的值会将它们聚集在图片的左边区域，这是我们不希望看到的情况。 ^&Rx ui
现在镜头已经定义了15个变焦组，同样聚集在凸轮曲线的左边，因为镜头还没有被校正。变焦运动是从原来的凸轮曲线插值而来的，只有7个变焦组是准确的。 Fh!!T%5>C
我们需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下： * F%ol;|Q
ZOOM 1 9'/ |?I
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT /PB3^d>Q2
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 >Wr
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 r* /XB0
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 @qr3v>3X<
LUL 600 .1 10 A TOTL PE6u8ZAb"
ZOOM 2 <DlanczziF
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT
+<9q]V
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 'i h
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 >!v,` O1
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 |@Idf`N$
LUL 600 .1 10 A TOTL uB#B\i
ZOOM 3 >. nt'BQ
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT Rp%\`'+Xz
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 Qig!NgOM
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 C[<\ufclD
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 ~bWWu`h
LUL 600 .1 10 A TOTL c:,{ O 0 #
ZOOM 4 c7T WAG_+
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT h
C`p<jp/
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 (+Nmio
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 __zu- !v
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 e#eO`bT
LUL 600 .1 10 A TOTL Kg0\Pvg8?T
ZOOM 5
rgvc5p
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT q$2ta G}
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 u b>K^
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 vJj j+:
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 RKJWLofX&
LUL 600 .1 10 A TOTL 2T2#H P
ZOOM 6 -_f0AfU/a
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT fjZveH0
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 4.kkxQR7r
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 K| J#/
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 !=Vh2UbC3
LUL 600 .1 10 A TOTL }d*sWSPu(
ZOOM 7 ~x^+OXf!^g
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT G C#95
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 Ko1?jPE
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 "BNmpP
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 Yw1q 2jT
LUL 600 .1 10 A TOTL {ZYCnS&?CL
{Ll8 @'5
为了简化操作，我们将删除除第一个变焦组之外的所有内容，并将其更改为zoom group的设置。这将在所有变焦组中进行如下操作，在三个视场中创建光线像差操作。 ]~<T` )Hi
ZGROUP ALL ( L
M 0.500000E+01 0.100000E+02 A GIHT *oJ>4S
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 owVUL~
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 ]{, =mOk
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 ez9M]! 8Lt
LUL 600 .1 10 A TOTL J-{E`ibGN
END =&G|} M
|2]WA'q
该程序还向AANT文件中添加了ZFOCUS命令，然后是另一组变焦设置，我们再次用单个ZGROUP ALL命令替换它们。该部分更改物距参数，将第一组移动90毫米，并在所有已定义的变焦组中再次纠正像质。请注意，END命令将会关闭ZGROUP文件，另一个END命令将会关闭文件AANT部分。 op{(mn
ZFOCUS 0.500000E+04 4 0.900000E+02 0.500000E+01 J0) WRn"h
ZGROUP ALL ~#x!N=q
GSR 0.000000 5.000000 4 M 0.000000 R =c
GNR 0.000000 3.000000 4 M 0.750000 X
Ot S+p
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000 r
($t.iS
END iQj{J1V
END N P(?[W
lz5j~t5>Q
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 lxJ.h& "P
CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 w [x+2
NOr*+N\
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。 F(n))`(
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 5DBd
[u3
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 AhZ
(Q} ijwj
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。 ,
&f20o
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? I8>1RXz
SYNOPSYS AI>1 TH? o)
?1`7^BA
XD>@EYN<X
The thickness or spacing of surface number 1 is 35.36316744 Jg6[/7*m
Z- Ae'ym
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 jJnBwH p
ACC 50 1 1 i-W2!; G
{v'Fg
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: 'V{k$ }P2
ADT 7 .1 1 4f~ZY]|nM
j[eEyCW[)
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。 7Zn Q] ?
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： a2FIFWvW
ZFOCUS 5000 4 90 5 ~ +$><qj
iR =aYT~
您已经设置物距为5米，并将第4个面的厚度调整为90毫米，调整物体高度，使高斯像高保持在5毫米。我们想看看它是如何工作的。运行变焦滑块，在缩放范围内查看此ACON的性能。它和无穷远处的性能很相似。在物距范围内聚焦不会有任何问题。最大的像差出现在zoom 15中，这是一种长焦设置，对于这种镜头来说是正常的 PKG
,4v =
现在点击PAD Scan按钮 ，检查每个field point的像差是否得到控制。在变焦范围的两端都这样做，你会发现每个地方都得到了很好的控制。如果某个中间视场点出现较大的像差，我们将在出现问题的视场点向AANT文件添加另一个GNR命令，但在目前的结果下没有必要这样做。 c$z_Zi!g#
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: W5;sps
… WS wmX 3rn
OBB 0.000000 14.00000 3.00000 -60.69895 0.00000 0.00000 3.000 (3 *Hl
ZFILE 2 1 niTkop
CAM RANK 9 ) O^08]Y g
CAM EXPONENT 0.800000 b =l}|)a
5 10 fX|,s2-FW
11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC 0g)mf6}o
… Q;M\P/f
<K'gvMG[
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! zvj >KF|y
打开MRG菜单(Menu, Real Glass)，选择Guangming材料库，点击OK。像质得到了改善。 DF =. G1
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? S5!2%-;<k
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： y70gNPuTOD
XCOLOR Cu7i Hh Y5
)HE yTHLtJ
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。 ITiw) M
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? +w5?{J
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。 R [t[M}q
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|6yz[N
*k$&Hcr$
Q+dI,5YF
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