变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 [YT"UVI
XVi?- /2
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。 u</21fz'
dMsX}=EI<
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。 6:i(<7
^s25z=^t
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。 M%f96XUM
48]1"h%*qB
[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。 [` P+{ R
a; AvY O
设计要求 brN:Ypf-e
]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： &?(r# T
\AOVdnM:
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) Qcu1&t\ C
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 d$<HMs:o@
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 >JVZ@
PV
H
^{8 r(1,
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。 T78`~-D4<
3O<:eS~
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。 k<uC [)_
x$9UHEb kM
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： xW*L^97 ;
'+B cPB?E
光学参数： Optical system parameters Values Spectral region/nm 420-650 Focus/mm 25-32 FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96 Image size/mm 15.4×9.6 F/# 2.4 Telecentricity/(°) ＜1 |`9POl=
#5)E4"m
像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 qp>O#tj[
Le"$k su>
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。 HT/zcd)}#
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 d^X;XVAvP
<!^wGN$f
[attachment=128669] [attachment=128673] vj<HthC.k
i'|rx2]e
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： <Yfk7Un
+DS_'Tmr
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 ny17(Y =
[attachment=128670] +_uT1Ps BY
!+& "y K@J
运行搜索宏可以得到10个初始结构： uWR\# D'
zN JK+_O=
[attachment=128671] {:c*- +?
$x]'6
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: ~}|)@,N'bm
YC4S,f Y`
[attachment=128672] ZLe@ O~f;%
aS?A3h4WM_
设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 R[5*]$( b
qsXK4`
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）。 'mj0+c$
] LhC%`w
[attachment=128675] o~H4<ayy
[attachment=128674] 变焦优化 JnH>L|G{;%
8 C4DOz|
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。 }R* [7V9"
x/47e8/
[attachment=128677] :
'M$:ZJ
D1t@Y.vl
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 E[HX bj"
O=8:K'
[attachment=128682] T(K~ be
_7? o/Q?F%
得到结果： a) GL z
m5 r65=E
[attachment=128679] [attachment=128681] i ]gF
6:&
qQ[& FjTO`
插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。
)]L:OE
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： w;}pebL:
,TaaX I
[attachment=128676] !VU [=~
A~ &Tp
像差分析 ae( o:G
查看畸变 i>i@r ;:|
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。 lDd+.44V:
fgYdKv8
[attachment=128678] ~|kre:j9
!q;EC`i#
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 c*$&M Ch
M 0 8 A P YA 1 +xMK.*H]W
S GIHT 6f/>o$
M 0 5 A P YA .7 Q9=vgOW+
MUL CONST 2 >Du5B&41
S GIHT T :IKyb
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： _P.+[RS@
>u#c\s
[attachment=128680] O0Y/y2d
w?]k $
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 _svY.p s*
n Bv|5$w:
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 z( L\I
Y,z15i3j?
[attachment=128697] /H& :
0@z=0}0Z
优化后，发现只有1视场的 YMTF 这一条没有满足要求。在优化宏中添加指令： 9MA/nybI
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 #R v&b@K
专门优化这一条MTF。 *#{[9d
91|=D
\8aE
[attachment=128699] #!0le :_
rld4uy}m
优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。 |uVhfD=NG
FC+K2Yf1=0
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 ' p,QI>
=o]V!MW
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 MB; < F
再进行优化退火，50，2，50 Z'p7I}-qr
hyv*+FV;
[attachment=128684] JVE]Qb_
pv8"E?9,k
得到最终结构： Ag
QR"Nu6
~]8bTw @
[attachment=128683] A7SBm`XJ)p
}3
NGMGu$
各个像质结果： 6O2 r5F$T
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm e#]= -^
uS p=,2)
变焦位置1： %cJ]Ds %V
<_&tP=h
[attachment=128685] wZN<Og +;
基本参数 变焦位置1： U WYLT-^x
k @'85A`
[attachment=128686] K~8;wDN`b
R r+Y::E
变焦位置8： q5J6d+
Ga0=
G&/
[attachment=128692] ?r C^@)
畸变 YO o?.[}@
GPnd7}Tn
变焦位置1： P<y d
.n]P6t
[attachment=128687] qg?O+-+
8_WFSF^
变焦位置8： zn|~{9>y
QHnk@ R!
[attachment=128689] Uv'.]#H<
MTF u1 d{|fF
PW)XDo7
变焦位置1： sxcpWSGA^
aW$( lf2;
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 qYLOq `<f
bj^YB,iSM
变焦位置8： 7KU/ 1l9$9
:FOMRrf7.
[attachment=128690] ;i|V++$_
p \5DW'
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。 _KVge)j
)u~LzE]{_
相对照度 * Zb-YA
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 Zn&S7a >7
变焦位置1： H: q(T
>/w
zM?JLNs]<{
[attachment=128691] [attachment=128694] Qe<D X"
fnV^&`B B
变焦位置8： /=co/}i
v7"' ^sZ?
[attachment=128693] [attachment=128698] j<w";I&Diz
主光线角度 e - vL!&;2
远心度都在1°以内 `Cy- * $$
变焦位置1： ]h8[b9$<")
$r} )j~c
[attachment=128695] A9^t$Ii
><9E^ k0.
变焦位置8： %|md0
dX|(n.}
[attachment=128696] L ;5uB2
总结： `PK1z S r
w7}m
T3p,)
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。 =w='qjh
cSy{*K{B
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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