变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 wAn}ic".b
)08mG_&atL
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。 pD )$O}
Y%"6
成像镜头在很多实际应用中通常也要求具备变焦的能力，如 CCTV 监控镜头，红外探测镜头，摄影镜头，双筒望远镜等等，镜头具备变焦的能力便可以应用于多种环境条件，放大缩小或局部特写，这是一个定焦镜头所无法完成的。 ImnN&[Cu
+2WvGRC
所谓变焦，即镜头的焦距在一定范围可调节，通过改变焦距从而改变系统视场大小，达到不同距离不同范围景物的成像。我们通常所说的变焦镜头一般指摄像镜头，即在不改变拍摄距离的情况下通过改变焦距来改变拍摄范围，因此非常利于画面构图。 oI/jGy Y;
t^ Hte^#S
[由于一个系统的焦距在某一范围可变，相当于由无数多个定焦系统组成的，在设计变焦镜头时也是使用类似定焦镜头的分析优化方法。 P*M$^p
nGvWlx
设计要求 O,>`#?
]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： ?~g X7{>
:fW\!o 8Z2
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) p=-:Z?EW1
I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 N4z(2.
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 vi : IO
265sNaX
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。 bF#1'W&
dDe ImSeV
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。 |`
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确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： TGe)%jZ
w)u6J ,
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 P{{pp<tX*&
,*Vt 53@E
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%。 m:{ws~
68pB*(i
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。 /!//i^
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 'I tsu~fza
$u`v
k|\R
[attachment=128669] [attachment=128673] 9sR?aW^$,/
N8s2v W
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： /%'>?8/
ML|O2e
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 'aFj yY?%
[attachment=128670] 'W>Z r}:
HRPNZ!B
运行搜索宏可以得到10个初始结构： f T&>L
^{vf|zZ _
[attachment=128671] f Cq
>We:g Kxr
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: >>'t 7 U##
%^r}$mfy:0
[attachment=128672] G31??L:<
e{8j(` (;#
设置光阑，优化之后，观察镜头结构，选择第3/4片为前变焦组，5/6/7片为后变焦组，光阑设置在表面15上。在 WS 中设置APS -15，然后注释掉 VY 再次进行优化退火。 ATdK)gG
~gjREl,+D#
设置 ZFILE 数组,运行 ZFILE 宏文件，按照角度分布的八个变焦位置分配给原镜头，使其变成一个变焦镜头（以下为 ZFILE 宏指令）。 f"8!uE*;
] :=I@<@82W
[attachment=128675] ]nEZ Q+F
[attachment=128674] 变焦优化 3*DwXH +
y].vll8R
修改优化宏，增加 ZDATA 的变量， AANT 里用 ZGROUP 到 END 覆盖原来的评价函数，增加 AZA 指令控制变焦间隔，然后进行多次优化退火。 quvdm68
RH=T u6i
[attachment=128677] ) ag8]
Bx>)i8P7i0
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 ~;pv &s5}
0^27grU>
[attachment=128682] le*1L8n$'
<}^W9 >u<
得到结果： \; b)qB
-]uN16\ F
[attachment=128679] [attachment=128681] S @EkrC\4n
]lKQ wp X3
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。 +:s]>R eDa
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： b0~AN #Es
E27N1J+1
[attachment=128676] I^5T9}>Q
gD[Fkq$]
像差分析 kg>Ymo.
查看畸变 g' xR$6t
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。 !_EaF`oh(
tPT\uD #t
[attachment=128678] @Gs*y1
ed,w-;(n~
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 gZ5E %']sT
M 0 8 A P YA 1 ]aqHk
S GIHT <By6%<JTn
M 0 5 A P YA .7 :?Xd&u0){
MUL CONST 2 &I Qp&
S GIHT + &W%]KEh
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： {|}tp<:2
_L6WbRu|
[attachment=128680] reyN5n~4U
8-N8v
*0
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 nt /+?Sj
`Z3Qx~f x
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 d2Z kchf
h\ (z!7t*
[attachment=128697] RP 2MtP"M
?G5JAG`
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： "d a%@Zy
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 ~zklrBn&
专门优化这一条MTF。 ; CU <\
4T- 9 F
[attachment=128699] KfU4#2}
$c-h 'o
优化后 MTF 变得比较平均，没有特别低的某条，但整体 MTF 有些下降。把 YMTF 的权重降为1，添加 GSO 和 GNO 的指令优化波像差，来提升总体 MTF。 RLypWjMx$
Xd _86q8o
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 )`RF2Y-A7
c2}?[\U]
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 {gE19J3
再进行优化退火，50，2，50 z$3 3NM
f\Bd lOJ>
[attachment=128684] U9D4bn D
`laaT5G\y
得到最终结构： q16RPqfT
uiO7sf6
[attachment=128683] pV#~$e
+Y!9)~f}7X
各个像质结果： ,x| 4nk_
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm v;S 7i>\
kL.JrbM"
变焦位置1： ]Dm'J%P0}
p @@TOS
[attachment=128685] D?w?0b Eu
基本参数 变焦位置1： '`q&UPg]
(F $V m
[attachment=128686] VGoD2,(b^
kji*7a?y
变焦位置8： UV%A l)3
k+>- ?S,
[attachment=128692] FbB>
Md;
畸变 4@PH5z
rn
l~i
变焦位置1： 8LP L4l
uBLI!N-G
[attachment=128687] :\x)`lu
w/r
wE
变焦位置8： <4z |"(
OWs K>egD
[attachment=128689] }EmNSs`$r
MTF UY*3b<F}
^)&d7cSc
变焦位置1： u8pJjn;
n?*Fr sZ
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 +Zu*9&Cx
ANEW ^\
变焦位置8： A-\OB
Nh
fu3/ n @L
[attachment=128690] *.wX9g9\
T] d9tX-
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。 `_C4L=q"
dEU +\NY
相对照度 EnXNTat})
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 C- /<5D
j
变焦位置1： z=>U>
bX%9'O [ -
[attachment=128691] [attachment=128694] ec/1 Z8}p
UD`bK a`E
变焦位置8： smQ<lwA
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[attachment=128693] [attachment=128698] Sw<@u+Z;%
主光线角度 6@?4z
Rkz
远心度都在1°以内 ;
F% 3b47
变焦位置1： ZI4[v>
p9k' .H^:_
[attachment=128695] ]6NpHDip1
v'(p."g
变焦位置8： [k-Q89
].=&^0cg
[attachment=128696] aMQfg51W:
总结： ?4Z`^uy
uc]]zI6
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。 r9<OB`)3+
[F4] pR(
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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