SYNOPSYS 光学设计软件课程四十七：一个30倍的变焦镜头
(6gK4__}]
课程四十七：一个30倍的变焦镜头 o
l ({AYB
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。 N#z~
=o 7}]k7
设计要求如下： [\e@_vY@OH
1. 变焦30倍 =xN= #
2. 半视场角14° xge7r 3i
3. 最后一面的半孔径为3mm el PE%'
4. 使用11个镜片 ip:LcG t
5. 四组镜片，其中两组是用来变焦 ~mp0B9L%
6. 像高5mm 3Ofc\
7. 后焦距20mm !CY&{LEYn0
8. 总长600mm Gc,_v3\
9. 物距从无穷远到5m 范围内对焦清晰 KY9n2u&4
ZSEARCH 输入如下: ROb\Rx m
- LOG ! 以便日后追迹 obH; g*
ON 98 #f,y&\Xmf
TIME ! 来看看这次运行花了多长时间 h Z$t$3
CORE 14 ,<Kx{+ [h
ZSEARCH 3 QUIET ! 将结果保存在镜头库位置3 3iNkoBCg
SYSTEM Xyx"A(v^l
ID ZSEARCH TEST kU l
OBB 0 14 3 ! 无限远物距，14度半视场，2.85毫米半孔径 N_gD>6I
| A)\
:
UNI MM !cX[-}Q
WAVL CDF ~/#1G. H
END L,_.$ 1d
GOALS KOSM]c\H
ZOOMS 7 6"
B%)0
GROUPS 2 3 4 2 ! 镜头有四组，共11个元件 0\QR!*'$
ZGROUP 0 Z Z 0 ! 而第2组和第3组将可移动 =d`5f@'rl
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! 在5米范围内也能正确对焦 :!TI K1
FINAL ! 在最后的变焦位置声明所需的物方参数 45 >XKr.%
^s :y/Kd
OBB 0 0.4666 90 #1nJ(-D+
HL K@xKD<
ZSPACE NONLIN 1.7 !其他变焦参数将被非线性地间隔在第一和最后一个 =r.
>N\
APS 19 ! 把光阑放在最后一组的第一面 _GYMPq\%L#
DELAY OFF $iw%(H
GIHT 5 5 10 ! 所有变焦的图像高度为5毫米，权重为10 QO;4}r q
BACK 20 .1 ! 后焦是20毫米，会有变化。一个目标将被添上低权重的优化函数 z? ]G3$i(
COLOR M ! 校正所有定义的波长 ro~+j} *
ANNEAL 50 10 Q ! 退火，因为它在两种模式下都得到了优化 _.)eL3OF
QUICK 40 40 ! 快速模式下40次，真实模式下40次 Jf;?XP ]z
ASTART 22 ))h6~1`
TSTART 12
ZI>km?w
END N@T.T=r
SPECIAL PANT N_C;&hJN$w
CUL 1.75 @* ust>7
FUL 1.75 es:2M |#O
END RVw9Y*]b
`C E^2
SPECIAL AANT uZjC
c M
ACA 55 1 1 ! 监视器的光线要远离临界角. vb{i
AEC 2 1 1 \%jVg\4 '
ACM 4 1 1 :Ixx<9c.
ACC 35 1 1
#;KsJb)N.
LUL 600 .1 10 A TOTL W&Y"K)`
END +K",^6%1
GO ! 开始 ZSEARCH p JIv+
TIME ! 查看运行时间有多长.
Q COo
运行这个宏一段时间后，我们得到了一个有潜力的初始结构。[attachment=122604] +a@GHx 4-
i^`9syD
我们只校正了7个变焦位置，在完成设计之前，可能还需要更多的变焦位置，但是前期选择少量的变焦位置做参考，会使 ZSEARCH 运行得更快。 A#wEuX=[
打开工作表并将 APS 命令更改为APS -19。这将产生一个真实的光瞳。[attachment=122603] sN=6 gCau
F" +o@9]
运行 ZSEARCH 产生的宏。 L:nXW z
现在让我们增加变焦组的数量。输入以下命令：CAM 15 SET[attachment=122609] h f6f.Z
uzOYVN$t
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：CAM 100[attachment=122605] tA.`k;L T
:*514N
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。 ] ,etZ%z&
输入以下命令：CAM 100 APERT[attachment=122607] ~:4kU/]
c7 uG9
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 X@N$Z{
ZSPACE NONLIN 1.7 s54nF \3V
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。 F0J x(
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。 $m$;v<PSe
我们需要修改 ZSEARCH 的宏，原始的 ZSEARCH 宏如下：[attachment=122608] kh$_!BT
{2d_"lHBt
为了简化操作，我们将删除除第一个变焦组之外的所有内容，并将其更改为 zoom group 的设置。这将在所有变焦组中进行如下操作，在三个视场中创建光线像差指令。 1Nn@L2b 2
[attachment=122606] `(y(w-:W1
l~:v
(R5
该程序还向 AANT 文件中添加了 ZFOCUS 命令，然后是另一组变焦设置，我们再次用单个 ZGROUP ALL 命令替换它们。该部分更改物距参数，将第一组移动90毫米，并在所有已定义的变焦组中再次纠正像质。请注意，END 命令将会关闭 ZGROUP 文件，另一个 END 命令将会关闭文件 AANT 部分。[attachment=122615] ;Y9=!.Ak0y
Pn.bVV:
在我们运行这个宏之前，调整物距位置是个好主意。我们将数字从7增加到15，但是这个选项只是插入了之前的数据，这些数据很接近，但并不准确。在命令窗口输入 CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7 ~`8hwR1&z
现在运行这个优化宏。镜头是合理的，但需要进一步改进。点击运行，再退火（33，2，50）[attachment=122613] R9vT[{ !i
Pz_Oe,{.I
让我们尝试添加镜片来检验是否对像质有帮助。在 PANT 文件之前，添加如下命令行 f7urJ'!V
AEI 4 1 123 0 0 0 20 2 {BBw$m, o
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。[attachment=122610] , :n|
?7
\`.F\ Z
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?[attachment=122611] ^y.nDs%ZT7
IV 16d
) P&9A)8
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 ACC 50 1 1 `bI) <B
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，所以在优化宏中添加一个新的命令: ADT 7 .1 1 -!M,7 5nU
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。[attachment=122611] G` h+l<
[attachment=122616] Z [Xa%~5>5
[attachment=122614] +YY8h>hj
cc=gCE
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：ZFOCUS 5000 4 90 5
'1SG(0
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 9W7#u}Z
现在点击 PAD Scan 按钮，检查每个视场点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。 kfb/n)b '
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:[attachment=122617] kT IYD o
|f( ~@Q:
|[xi/Q^7
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! *V^ #ga#A
打开 MRG 菜单(Menu, 真实玻璃)，选择光明材料库，点击 OK。像质得到了改善。[attachment=122618] 7v}x?I
[attachment=122620] WKM)*@#,
[attachment=122619] V ~MiO.B
[attachment=122621] u^W2UE\
{QaNAR=)
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? -cF'2Sfr
这些玻璃材料，尤其是火石材料的玻璃，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： ?8@>6 IXn
XCOLOR .lG5=Th!
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透过率更差，如下图所示。[attachment=122622] Fy L_xu\e
M(q'%XL^
如果出现这种情况的黄色滤镜，则说明蓝光透过率低。 kY wb -;
我们现在有一个很好的变焦镜头。但我们能做得更好吗? Iry
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。 ^)yTBn,
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。 m`? MV\^
6R UrF
|