变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 o7&4G$FX~
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成像镜头包括定焦镜头和变焦镜头，我们在日常生活中使用的光学系统大多是可以变焦的，比如手机镜头、专业相机的镜头、显微镜等。 ]6tkEyuq
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成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力，如 CCTV 监控镜头，红外探测镜头，摄影镜头，双筒望远镜等等，镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件，放大缩小或局部特写，这是一个定焦镜头所无法完成的。 ?3sT" r_d@
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所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。 F>|9 52
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[由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 Kn+=lCk
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设计要求 Mj0Cat=
]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系： (U.**9b;
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I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) )&W|QH=AI
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 @kngI7=E
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 `0BdMKjA
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变焦镜头的变焦倍数为长焦距和短焦距比值，也称为“倍率”。理论定义下，在变焦过程中镜头的相对孔径保持不变，但对于实际的高变倍比系统，由于外形尺寸不希望过大或二级光谱校正等问题，通常在变焦时采取相对孔径（即F/#） 也跟随变化的方案。 @%i>XAe#0
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通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 5{ >0eFzG
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确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： J;~|p h
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光学参数： Optical system parameters Values Spectral region/nm 420-650 Focus/mm 25-32 FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96 Image size/mm 15.4×9.6 F/# 2.4 Telecentricity/(°) ＜1 4 9w=kzo
GCE!$W
像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 qc!xW ,I
#!!AbuhzK{
因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 *)VAaGUX>
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 ;?6>mh( `
O Ol TrLL
[attachment=128669] [attachment=128673] fDuwgY0
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以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏： }X1.Wt=?
*M!kA65'
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 <GW R7rUH
[attachment=128670] iV)ac\
AF#_nK) @
运行搜索宏可以得到10个初始结构： i^% -aBZ
, p0KLU\-
[attachment=128671] y/4ny,s"
OCx5/ 88X
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: ;e;\q;GP
<Ry $7t,
[attachment=128672] wkT;a&_
' Js?N
设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 GAU!_M5 N
\y*j4 0
设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。 :::>ro*R
] R`He^
[attachment=128675] 9 y+[o
[attachment=128674] 变焦优化 ZO7bSxAN-
('WY5Yps
修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。 Goe IjuELR
yisLypM*
[attachment=128677] E/"SU*Co
G.ud1,S#
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 t-lv|%+8
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[attachment=128682] >ITEd
$xcv >
得到结果： "
Z;uu)NE
WD;)VsP
[attachment=128679] [attachment=128681] *aG"+c6|
{&`VGXG
插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。 FQ## 3 97
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： )OUU ]MUH
.Cfp'u%\;
[attachment=128676] T&4fBMBp,%
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像差分析 a>(~ C'(<
查看畸变 JX&~y.F
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。 `$Kes;[X
".M:`BoW4
[attachment=128678] \>; %Ji
paYz[Xq
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 EP0a1 .C
M 0 8 A P YA 1 \P?--AI q<
S GIHT Fo LDMx(
M 0 5 A P YA .7 h&$P y
MUL CONST 2 "s;ci ~$
S GIHT 9F)W19i .
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： }+JLn%H)
hG~ Uz
[attachment=128680] 7yUvL 8p-
ax]9QrA
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 YR8QO-7
.)
/=- h:0{M
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 (l2<+ R %1
Q6|@N~UeZ
[attachment=128697] X_!$Pk7ma
Hq-v@@0 *
优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令： bx] 1 4}6
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 'Dq"e$JM<
专门优化这一条MTF。 yW:AVqE)t
T#/ 11M$uQ
[attachment=128699] X J
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@M9_j{A
优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。 WSSaZ9
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^:U;rHY
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 pdy+h{]3
Y& m<lnB
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 qWkx:-g]
再进行优化退火，50，2，50 Upu%.[7
zM)M_L
[attachment=128684] W >Kp\tD
;wp W2%&
得到最终结构： +
p'\(Z(
|B,dEx/uU
[attachment=128683] '2j~WUEmg
Zq9>VqGe
各个像质结果： KM E XT $p
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm }el,^~
cx<h_
变焦位置1： `dP? 2-Z
QZz&1n
[attachment=128685] 3!1&DII4
基本参数 变焦位置1： &KLvr|
`yy%<&
[attachment=128686] .!9Vt#
P%ye$SASd
变焦位置8： ))$ CEh"X
_%XbxP6rH
[attachment=128692] Xk;Uk[
畸变 5BZ+b_A>VV
^9n}-Cqeq
变焦位置1： |:{g?4Mi
#V,LNX)
[attachment=128687] {P,>Q4N
g52 1Wdtnn
变焦位置8： Al)lWD}j2g
^"PfDTyA
[attachment=128689] T<! \B]
MTF c,+iU R<
4,o
%e,z
变焦位置1： 1*TXDo_T
;B,nzx(L
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 I=Gr^\x=
,M| QN*
变焦位置8： D:+)uX}MOf
x zuPie\
[attachment=128690] # w
i&n
>|y>e{P
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 dw @TbJ
= E##},N"
相对照度 6tDg3`w>
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 }; 4pZceV
变焦位置1： ]t8 {)r
m 4wPuW
[attachment=128691] [attachment=128694] @2)t#~Wc4h
r _{)?B
变焦位置8：
zZ S>+O
&\CJg'D:m
[attachment=128693] [attachment=128698] ^p{A !I!
主光线角度 0[_O +u
远心度都在1°以内 k^L#,:\&V
变焦位置1： Q"x`+?!
-6.i\
B
[attachment=128695] U ^vUdM"
6{Krw \0
变焦位置8： P ]~N- xdV
Z1XUYe62
[attachment=128696] [,.[gWA
总结： KqT#zj
s{x*~M$vt
该变焦投影镜头所有指标已经基本满足要求，使用了13 片球面透镜加保护玻璃。对于片数比较多但变倍比比较小的变焦镜头，直接用 ZSEARCH 搜索花的时间太长或者搜不出好的结果，可以先用 DSEARCH 搜索一个变焦位置的结构，然后用 ZFILE 把它变为变焦镜头再优化。 3:l: ~Vn
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好了，本节课到此完毕，期待与您的再次相遇，下周见！
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