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小火龙果 2024-05-18 22:36

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
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Yf`.Cq_:  
[attachment=128670]
mnaD KeA  
V xs`w  
运行搜索宏可以得到10个初始结构: z(68^-V=:  
 Hu2g (!  
[attachment=128671]
X[Gk!d r#  
G QBN-Qv  
从中找出一个最佳结构,接下来进行下一步分析: p+D 6Z'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  
VjM uU"++@  
[attachment=128677]
PdBhX  
o^6j(~  
输入 MRG ,插入真实玻璃,选择成都光明玻璃库。 Mwk_S Cy  
#vwXxr  
[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<nO2GW  
: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  
it vdzPO  
[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
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3>6o=7/PU  
再进行优化退火,50,2,50 qQ_QF  
~T~v*'_h  
[attachment=128684]
ehq6.+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: rxARJ so  
~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  
I9 E@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$^m,;  
远心度都在1°以内 `&_qK~&/X  
变焦位置1: 4Qd g t*  
&[YG\8sxWa  
[attachment=128695]
H)S3/%.|  
k2=uP8  
变焦位置8: )oj`K,#  
c|7Pnx%gT  
[attachment=128696]
   HiC\U%We  
总结: ym KdRF  
U2aE:$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!  
hello2024 2024-05-18 23:34
变焦投影镜头设计
zyx110zyx 2024-10-03 22:38
学习一下
pls24 2025-02-26 14:08
谢谢楼主分享。。!
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