变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 r3bvuq,6$ e^fKatI1 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。 Q9'p3"yoE }T*xT>p^3 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。 YNQ6(HA y.]]V"'2 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。 z{M,2 Bc@r*zb [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。 1R~WY'Ed
7~9f rW<K
设计要求 \rnG 1o ]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: 50hh0!1 ob5nk^y I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) Ol5xyj I为像高,f为焦距,θ为视场角度。 dGW7,B~ 这个关系也很容易理解,一个三角形即可。 g[+Q~/yq f?I *`~k 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。 U4I` xw' R3!vS+5rR 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。 HaN_}UMP
\B ^sJ[n 确定设计目标参数,以下为本次设计的目标: 5Cyjq0+ S7>gNE;%]u
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 iBW6<2@oZF J0W).mD_H 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%。 "@?kxRn! cTx/Y&\9 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。 [cAg'R6 DSEARCH 输入:参数为短焦处的投影镜头 b1^Yxe#L 29DWRJU
[attachment=128669] [attachment=128673] X',0MBQ0 U jzz`!mz 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: yQ&%* ?J xVX||rrh
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 Yf`.Cq_:
[attachment=128670] mnaD KeA Vxs`w 运行搜索宏可以得到10个初始结构: z(68^-V=: Hu2g (!
[attachment=128671] X[Gk!dr# GQBN-Qv 从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: p+D6Z'B _VJwC|
[attachment=128672] ?t P/VL = }lA|S 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@UY$z X_@@v|UF 设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件,按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头,使其变成一个变焦镜头(以下为 ZFILE 宏指令)。 Hxi=\2- ] &bK$!8Z
[attachment=128675] 2/N*Uk 0
[attachment=128674] 变焦优化 jn Y3G ^{bEq\5& 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。 *uM*)6O 3 VjMuU"++@
[attachment=128677] PdBhX o^6 j(~ 输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 Mwk_SCy #vwXx r
[attachment=128682] ^ w1R"qE"m ?{")Wt 得到结果: Wy )g449 gP%!
[attachment=128679] [attachment=128681] MX\-)e# DK%eFCo<~ 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。 zD-8#H35X" 再设置光阑,在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ,得到结构: 1e} 3L2rC =(\!,S'
[attachment=128676] dig76D_[e EBLoRW=8ld
像差分析 z59J=?|
查看畸变 h!GixN?
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。 6s2g +[ #ySx$WT;
[attachment=128678] 6<nO2 GW :h~!#;w_ 因此在优化宏中添加控制畸变的指令 4gENV{L M 0 8 A P YA 1 1X.1t^HH: S GIHT gv-k}2u_ M 0 5 A P YA .7 Ts6X:D4, MUL CONST 2 )>p6h]]a S GIHT ;d40:q< 从0.7视场到1视场,用实际像高减理想像高控制畸变: &N ;6G`3 itvdzPO
[attachment=128680] KZNyp%q &0`7_g7G 优化之后的畸变控制得非常好,但是查看 MTF 有些下降。 wv-8\)oA
!o!04_ 在优化宏中减少控制畸变的权重到3,进行优化退火。 `_`,XkpzCJ ;Vt
u8f
[attachment=128697] N/VIP0Kb 1[]cMyV 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: rOT8!" M 0.5 2 A M YMTF 1 72 =T]OYk 专门优化这一条MTF。 <
.!3yy 'h6RZKG T
[attachment=128699] _3S{n=9 V
"" 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。 _I!&w!3oM Ls{fCi/2F 最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 6 -}gqkR H_FhHX.2(
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 3>6o=7/PU 再进行优化退火,50,2,50 qQ_QF ~T~v*'_h
[attachment=128684] e hq6.+l W]OT=6u8o 得到最终结构: L')zuI Y')+/<Q2E
[attachment=128683] ,+&j/0U t/g}cR^Q 各个像质结果: W%ud nJ RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm SH.'E Hd Y<v55m- 变焦位置1: ;+U9;
|sh U
[attachment=128685] %Y TIS*+0
基本参数 变焦位置1: 9D,&)6 `upNP/,
[attachment=128686] b}:Z(L,\ |=POV]K 变焦位置8: PR+!CFi& >. Y~F(
[attachment=128692] V_* ^2c)
畸变 kokkZd7! -)@.D>HsOt 变焦位置1: rxARJso ~CA+'e%~~
[attachment=128687] P7b2I=t fVM%.` 变焦位置8: d\v _!7 ect?9S[!y
[attachment=128689] N5\<w>
MTF 5IMH G%W7 "{k3~epYaN 变焦位置1: hk
I$ow ( <T wq{kt
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 zP9!fA P(`IY+ 变焦位置8: llzl-2`/ oZ}e
w!V
[attachment=128690] }5k"aCno I9E@2[=! 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。 CbZ1<r" / fp7Qb $-A
相对照度 xn"g_2Hi
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 sCUPa-cHF 变焦位置1: uMI2Wnnc:/ 2B4c:jJ
[attachment=128691] [attachment=128694] so7;h$h!H aqB^ %e 变焦位置8: Y'-Lt5SCS CqoL5qt
[attachment=128693] [attachment=128698] k=@Q#=;*[W
主光线角度 ?]t8$^m,;
远心度都在1°以内 `&_qK~&/X 变焦位置1: 4Qdg t* &[YG\8sxWa
[attachment=128695] H)S3/%.| k2=uP8 变焦位置8: )oj`K,# c|7Pnx%gT
[attachment=128696] HiC\U%We 总结: ymKdRF U2aE:$oeYi 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。 & zG= <fw[7=_)^ 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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