变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 WZn"I& Z
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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。 Z<W f/
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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。 |'lNR)5
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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。 P^ht$)Y
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[由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 8QMMKO ui\
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设计要求 8#R%jjr%T
]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系： &> _aY #
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I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) ^Y !$WP
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 I %sw(uoE
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 ]<ay_w;
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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。 Zl>wWJ3 y
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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。 $m-C6xC/
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确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： YzJWS|]
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光学参数： Optical system parameters Values Spectral region/nm 420-650 Focus/mm 25-32 FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96 Image size/mm 15.4×9.6 F/# 2.4 Telecentricity/(°) ＜1 S|;} ]6p
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像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 w11L@t[5W8
xSO5?eR"u
因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 8Ht=B ,7T
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 <;@E
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zsj]WP6 j
[attachment=128669] [attachment=128673] :^qUr`)
?=1i:h
以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏： i+Mg[x$.
*=]U WM~]
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 &4%7 8K\
[attachment=128670] fh66Gn,
.Wi%V"
运行搜索宏可以得到10个初始结构： >L8 & 6aU
hD7vjg& Z
[attachment=128671] |Bv,*7i&
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从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: eYn/F~5-
XWX] /j2jA
[attachment=128672] HX,i{aWWy
DGw*BN%`
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。 +.rE|)BPy
]GsI|se
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）。 ^r O!-
] 0-uVmlk=/
[attachment=128675] '|*e4n
[attachment=128674] 变焦优化 V}~',o<m
sPl3JP&s
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。 x8C
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%Na` \`L{F
[attachment=128677] 91nB?8ZE6,
cXr_,>k
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 dB QCr{7
6\ v4#
[attachment=128682] bj_/
D'^%Q_;u
得到结果： FF7?|V !Q
??LE0i
[attachment=128679] [attachment=128681] k ! x`cp
<(xro/
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。 CL?=j| Ea
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： T[ g(S0 dz
h&!$ `)
[attachment=128676] !CY*SGO
Y:Jgr&*,z
像差分析 <^W5UU#Pg
查看畸变 A6E~GJa
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。 H|MAbx
7
o{l]n*
[attachment=128678] 8%a
^j\L
NSR][h_
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 ' z=d&K
M 0 8 A P YA 1 9%0^fhrJ
S GIHT V^><
=DNE
M 0 5 A P YA .7 _?K,Jc8j.
MUL CONST 2 1CJAFi>%D
S GIHT u?>8` ]r
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： dl`{:ZR S
N-Bw&hEZ
[attachment=128680] Sw? EF8}[
:2XX~|
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 !\OX}kHX5
ivt ~ S
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 i' 1 MZ%.
-3m!970
[attachment=128697] `_]Ul I_h
-[h|*G.J
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： '!`]Zc
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 : &~LPmJ
专门优化这一条MTF。 g; 7u-nP
lg{/5gQG
[attachment=128699] Y'#uZA3KA
a 6;5mx
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。 dOKe}?}==
"{2niBx
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 1?Tj
h2i1w^f
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 jw0wR\1
再进行优化退火，50，2，50 ft4hzmuzM
NK:! U
[attachment=128684] 9kbczL^Y
FchO
6O
得到最终结构： hf7[<I,jov
x,fL65 6t
[attachment=128683] b&AeIU}&
9w=[}<E
各个像质结果： 7" )~JBH
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm
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|=V~CQ]
变焦位置1： ToD_9i
}6
0F
2p4!@W
[attachment=128685] upZf&4 I8
基本参数 变焦位置1： 2@I0p\a
Nx
E=^
v
[attachment=128686] dyohs_
\l`{u)V
变焦位置8： o%0To{MAF-
>5D;uTy
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[attachment=128692] ,R-aO= %
畸变 K6|R ;r5e{
@Y}G,i
变焦位置1： /w2-Pgm-[\
JY~CMR5#.O
[attachment=128687] KleiX7
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变焦位置8： 8Dn~U :F/?
6qWWfm/6
[attachment=128689] 9` M7 -{
MTF g${k8.T V
b/
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变焦位置1： z<.?8bd
g}L>k}I?!W
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 ~qK/w0=j
QZ*gR#K]Sz
变焦位置8： MIb [}w=
| IS$Om
[attachment=128690] t+{vb S 0
;V?d;O4u
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。 ~@#a*="
7:<A_OLi
相对照度 ?/my G{E
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 ]b:>7_la
变焦位置1： 8DM! ]L
c]/S<w<
[attachment=128691] [attachment=128694] L |6I
\k^ojz J
变焦位置8： ?0?3yD-!9
A ~ _2"
[attachment=128693] [attachment=128698] M}Xf<:g)
主光线角度 i8 3[':
远心度都在1°以内 \ f)GW$`
变焦位置1： T Q5kM
$48 Z>ij?f
[attachment=128695] ,Q0H)// ~
&HtTh {
变焦位置8： 0%4OmLBT
u8M_2r
[attachment=128696] 0G0( g,3p
总结： p@[ fZj
"F6gV;{Bt
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 O1k t
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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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