变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 |6Z M xY
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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。 TRok4uc
XFe7qt;%
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。 6EWB3.x1 9
L=FvLii.
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。 Y-{BY5E.
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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。 A :J{
Y- -8v#t
设计要求 ?0%TE\I8
]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： ay|{!MkQ
cTTE] ix]
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) Y"%o\ DS*
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 W>nb9Isp
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 iRtDZoiD'
qE:DJy <
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。 dw!E ao47
HwuPjc#
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。 =Q />g 6
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确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： B '/ >Ax&
hyoZh Y
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,Ds B'
ZHasDZ8
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%。 ~=ys~em e
~m U_ `o
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。 gXJ^o;R>M
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 Z?mg1 ;Q
~]M"
[attachment=128669] [attachment=128673] r/2:O92E
@/FX7O{n:
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： @NE#P&f
Zx 1z
hc
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 - S-1<xR
[attachment=128670] Th^ #H
dhkpkt<G8
运行搜索宏可以得到10个初始结构： V5 r7eC
\TlUC<urP
[attachment=128671] gV kI=J
vD vGT <d
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: 1?\ Y,+
0&@ pX~h:
[attachment=128672] ;~1JbP
H/Q)zDP
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。 v{ Ve sf
qT @IY)e
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）。 V}-o): dI|
] $t}1|q|
[attachment=128675] 1 }*;
[attachment=128674] 变焦优化 Q$j48,e
tvRy8u;
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。 xltu
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B,,d~\
[attachment=128677] A o$z )<d'
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输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 6QQ oHYtZ
2 s% M,Nb
[attachment=128682] &
jvG]>CS'
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得到结果： IOl"Xgn5
U$uO%:4 %
[attachment=128679] [attachment=128681] D[M ?27
/
u6$M/Cf>
插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。 0B/a$NC
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： 4V8wB}y7e
|'_<(z
[attachment=128676] |"v{RC0
S
'+"+%^tj
像差分析 @un
}&URp
查看畸变 f@L{*Upj+
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。 qCN7i&k,
"s9gQAoaO
[attachment=128678] (=V[tI+Ngt
vW3Z u B
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 wkA! Jv%
M 0 8 A P YA 1 B)8Hj).@B
S GIHT K9'*q3z
M 0 5 A P YA .7 I3Xh[% -!
MUL CONST 2 "\?G
S GIHT *wcoDQ b;
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变：
k Z%W?#
Qe.kN dT+_
[attachment=128680] 5T#D5Z<m
>irT|VTf
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 MiM=fIuw@s
+Q0-jS#d
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 { ][7N p!y
$VIq)s2az|
[attachment=128697] e/jM+%
|9Ks13?Ck
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： :9#{p^:o
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 gi@ji-10
专门优化这一条MTF。 ?I#hrv@
Hd`p_?3]
[attachment=128699] {
BL 1j
n3j h\
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。 ? 4 Juw?
Q.dy
$`\
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 >I~z7 JS
u@u.N2H.%
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 W+C_=7_
再进行优化退火，50，2，50 v} ;qMceJ
[=3tAPpzK
[attachment=128684] fO!O" D5
]GKx[F{)
得到最终结构： q%Jy>IXt
4,ynt&
[attachment=128683] Al=? j#J6p
~U6YN_W
各个像质结果： v/.h %6n?
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm \+Ln~\Sv
(ul-J4 E\O
变焦位置1： 7qK0!fk5
& ntP~!w
[attachment=128685] n Yt\e]3
基本参数 变焦位置1： -7z y
0W%}z}/ N
[attachment=128686] w[o Q}5?9'
5=h'!|iY
变焦位置8： fB,1s}3H n
]O=S2Q
[attachment=128692] $"{3yLg
畸变 *@n3>$
|QNLO#$ -
变焦位置1： \"`>- v"h
f"<@6Axq
[attachment=128687] D6)Cjc>a
jl-Aos"/
变焦位置8： J$9xC{L4
@))}\:
[attachment=128689] ])j|<W/
MTF ^!p< zZ
6 # x)W
变焦位置1： jvc?hUcLKT
C6V&R1" s
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 Q}?N4kg
={E! 8 "
变焦位置8： [q+e]kD
y(3c{y@~X
[attachment=128690] . 4C[D{4
:&0yf;>v
不太能满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，但继续优化加高权重会导致其他像差质量变差。 `KJYm|@ i
+fP/|A8P
相对照度 VXc+Wm*W
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。
&QOWW}
变焦位置1： i
B!h Ebz
H (NT|
[attachment=128691] [attachment=128694] 9oz (=R
m,gy9$
变焦位置8： _{c|o{2sj
0 gOrW=
[attachment=128693] [attachment=128698]
&<w [4z\
主光线角度 !(]dz~sM
远心度都在1°以内 h- b5
变焦位置1： 5h|m4)$
Z '}(t,
[attachment=128695] L;-- d`[
aq0iNbv@
变焦位置8： ,bVS. A'o
~6-"i0k
[attachment=128696] :e&n.i^
总结： lsB9;I^+x
O\4+_y
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。 (,J a
lLkmcHu
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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