变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 1b `G2?%
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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。 >q &L/N5
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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。 gDh l-
fMB4xbpD
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。 kv%)K'fU4
s=\7)n=,M
[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。 u<q)SQ1
drX4$Kdf]
设计要求 2))t*9;h
]设计好的一组镜头如果变化镜片与镜片之间的空气厚度，镜头的焦距会随之变化，通常来说一个系统的接收面尺寸大小是固定不变的(像面：CCD 或COMS 或其它探测面)，在基础光学理论中像面大小、视场和焦距三者有如下关系： B'/Icg.T
P6E1^$e
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) J=L` ]XE
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 \I
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这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 ct.Bg )E
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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。 7 FIF St
j@V $Mbv
通过改变镜片与镜片之间的间隔达到设计的焦距要求，当系统的入瞳直径 D 固定时，即系统接受的光束大小一定时，根据 F/#=f/D 可知，f变化将引起F/#的变化，也就是我们调焦距也就是调光圈大小 (F/#也称为光圈)，此时光阑大小随焦距变化而变化（非固定值）。这里也有人把调光阑大小称为调光圈。 wL'C1Vr
Deog4Ol"/
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： Q^ q=! /qQ
9T]va]w?#
光学参数： Optical system parameters Values Spectral region/nm 420-650 Focus/mm 25-32 FOV/(°) 30.11×19.08-23.73×14.96 Image size/mm 15.4×9.6 F/# 2.4 Telecentricity/(°) ＜1 9 H8=eJd
7rPLnB]
像质要求：该投影镜头在连续变焦过程中各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4，各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm，畸变小于 2%，短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 intvlki]be
_3zU,q m+
因为变焦投影镜头的变倍比比较小（25-33），可以先用 DSEARCH 搜符合变焦位置1的定焦镜头，然后设置 ZFILE 修改为变焦镜头，再进行优化，会比直接搜14片 ZSEARCH 变焦镜头更加快捷简便。 o 5V`'[c
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 iGyVG41U
Z#@6#S`
[attachment=128669] [attachment=128673] AYYR xhv_,
Cd9t{pQD4
以上为 DSEARCH 直接搜出的结果，中间的空气间隔太小，没有留给变焦的空间，总长才120，远没有到240的限制。因此在 AANT 中限制总长最小值 LLL 200，元件厚度 ACC 711，进行优化，留出足够的变焦空间。以下为新的初始宏： _AAx
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)PHl>0i!
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 L<"k 7)k
[attachment=128670] 7~lB}$L
H WOek"}Z[
运行搜索宏可以得到10个初始结构： }RH lYN
&8juS ,b
[attachment=128671] !
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_=)!x nYf
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: AtuZF
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[attachment=128672] d[yrNB6|
"{m t?
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。 ltP
Bac?'yp m
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）。 jf2y0W>6s
] M'b:B*>6
[attachment=128675] O&F< oM
[attachment=128674] 变焦优化 E ]1\iV
iczs8g j*
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。 a_xQ~:H
|F3vRt@
[attachment=128677] 'wegipK~R
uFMs ^^#
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 Q1 K"%
D1"1MUSod
[attachment=128682] a\.//?
BllDWKb
得到结果： 5X0_+DdeL
u;$I{b@M]
[attachment=128679] [attachment=128681] I4A ;
zkuv\kY/ Z
插入真实玻璃后的结构有些太薄了，加工非常困难且昂贵，需要再进行优化，增加边缘厚度的限制 AEC 311，ACM 311。 @F>[DW]O
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： ;CLR{t(N#V
&f$a1#O}dx
[attachment=128676] R
%Rv
iJ5e1R8tN
像差分析 U$MWsDn
查看畸变 C+ }CU}
注释掉优化光阑的 VY 指令，继续优化。然后查看成像质量，发现其他所有参数都已经满足，但是畸变有6%左右，没有达到要求。 f|;HS!$
kOo>Iy
[attachment=128678] :Fw *r|
e-&L\M
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 B/kcb(5v
M 0 8 A P YA 1 f p`U?S6
S GIHT Vj?*= UL
M 0 5 A P YA .7 -Pv P
MUL CONST 2 rGQ86L<
S GIHT 4Sd+"3M
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： o}5'v^"6 ,
6nM
rO$i0k
[attachment=128680] 8 ))I$+
Ubn
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 M80}3mgP~
OJh+[bf"
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 W66}\&5
n=lggBRx
[attachment=128697] yQ72v'
,C5@ P+A
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： wWp?HDl"M
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 i4 y(H
专门优化这一条MTF。 S(q4OQ B{
~hxeD" w
[attachment=128699] 3<V.6'*k
LR
8e|H0
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。 TXY
?S;et2f
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 $Qx(aWE0
BV_a-\Sa=
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 B8P@D"u
再进行优化退火，50，2，50 $D0)j(v
^hGZVGSv
[attachment=128684] * <#]&2I
>d 1aE)?
得到最终结构： ^MF=,U'8
+'{:zN5m
[attachment=128683] S 1 R #]
_.s\qQ
各个像质结果： ,cl"1>lp
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm VH$\ a~|
{Hrr :h C
变焦位置1： E!O(:/*
m -&a~l
[attachment=128685] 0|f _ C3
基本参数 变焦位置1： G5X|JTzpu<
P^o"PKA
[attachment=128686] *o2_EqXL*
kG~ivB}x
变焦位置8： Rwi5 +;N
n^I|}u\
[attachment=128692] b W` )CWd
畸变 '< U[;H9\
123-i,epg
变焦位置1： LT
y@6*
Y
}g6IK}
[attachment=128687] eN7yjd'Y6
Jq=>H@il
变焦位置8： 07E" .T%Ts
iI /'! 85
[attachment=128689] QRn:=J%W W
MTF ))we\I__8
! a 8h
变焦位置1： +O %a:d %
q0xE&[C [M
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 xf3/<x!B
[e Tck73
变焦位置8： [s&
y_[S
x,@O:e
[attachment=128690] :EmMia-)J
!15@M|,OL
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。 1tK6lrhj
#0$eTdx #
相对照度 {pi 67"mYp
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 FnU{C= P
变焦位置1： u9[w~ U#
w2m lqy2L
[attachment=128691] [attachment=128694] IcNI uv
9dhFQWz"
变焦位置8： #)c;i<Q3S
E t[QcB3
[attachment=128693] [attachment=128698] e?'k[ES^
主光线角度 d+wNGN
远心度都在1°以内 OAQ O J'
变焦位置1： " kJWWR
>0G}, S
[attachment=128695] ?}>B4Z)
"NI>HO.U
变焦位置8： 6T
aT_29
`J;/=tf09
[attachment=128696] XVK[p=cIL
总结： X+G*Q}5
4pHPf<6
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。 KARQKFp!C>
?VHwYD.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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