变焦投影镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第71课
概论 plWNuEW
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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。 4@0 aN6Os
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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。 *LB-V%{|'
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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。 ,"`20.Lv
[}4z qY{
[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。 : g|.x
6- wpR
设计要求 8`*5[ L~~/
]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： 1- p#}V X
#a}w&O";
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ) lu{
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I为像高，f为焦距，θ为视场角度。 :5~Dca_iU4
这个关系也很容易理解，一个三角形即可。 aE 07#
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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。 vX }iA|`#
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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。 >k"O3Pc@
i\IpS@/{-v
确定设计目标参数，以下为本次设计的目标： AJ/Hw>>$?m
rd->@s|4mT
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 mHMsK}=~
uN<=v&]q
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%。 GhfhR^P
U= D;Cj Ah
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。 @TALZk'%
DSEARCH 输入：参数为短焦处的投影镜头 la{?&75]
J8~h Iy6]
[attachment=128669] [attachment=128673] w~B1TfqNo
F4\:9ws
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： 'Q E8
p_Xfj2E4c
搜索宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 LkJq Bg
[attachment=128670] ZiR }S
_(f@b1O~
运行搜索宏可以得到10个初始结构： z\tY A
IA0 vSF:
[attachment=128671] Byj fPb#
A/=cGE
从中找出一个最佳结构，接下来进行下一步分析: (Yj6 |`
i%133 in
[attachment=128672] qE2<vjRg
S<] k0bC
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。 yam'LF
$Z &6
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）。 <IR@/b!,
] Le N }Q
[attachment=128675] &H # l*
[attachment=128674] 变焦优化 Ds]
. Ae
mL1ZSX
o!
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。 D 7pQWlN\
eW.qMx#:od
[attachment=128677] wOL%otEf
5L6.7}B
输入 MRG ，插入真实玻璃，选择成都光明玻璃库。 aEdMZ+P.
MDa[bQ NM
[attachment=128682] }%wP^6G*x\
P :6K
得到结果： %tkqWK:
#p=+RTZ<
[attachment=128679] [attachment=128681] # d"M(nt
rMG[,:V
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。 WuVsW3@
再设置光阑，在 WS 里设置 CSTOP 和 WAP ，得到结构： C|H`.|Q
GX19GI@k
[attachment=128676] 3 a(SmM:
t# M[w|5?
像差分析 !pe[H*Cy
查看畸变 |qpm
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。 P ` <TO
8u[.s`^
[attachment=128678] ,^4"e
(
dT1UYG}>j
因此在优化宏中添加控制畸变的指令 )`k+Oyvi<
M 0 8 A P YA 1 T:Q+ Z }v+
S GIHT Fc=F2M o?
M 0 5 A P YA .7 iU0jv7}n
MUL CONST 2 LU*mR{B
S GIHT $m>( kd1
从0.7视场到1视场，用实际像高减理想像高控制畸变： 7 HL
Uk3
^38k xwh
[attachment=128680] !U5Cwq
s!09cS
优化之后的畸变控制得非常好，但是查看 MTF 有些下降。 r_ 9"^Er
aG"
在优化宏中减少控制畸变的权重到3，进行优化退火。 M AqETjB
p ^{yA"MQ
[attachment=128697] +7"UF)
~k
B$ =1@
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： LUx'Dm"
M 0.5 2 A M YMTF 1 72 $m.'d*e5
专门优化这一条MTF。 j}h%,
7
HE4S%#bH>
[attachment=128699] |<]wM(GxE
t- //.
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。 wc6#C>=F
M(^IRI-
最终经过多轮优化退火调整后的镜头结构和优化宏。 qyE*?73W
5U_ar
优化宏 请评论区留言联系工作人员获取代码 M;-FW5O't
再进行优化退火，50，2，50 H6#SP~V
^ y &2N
[attachment=128684] {dl@ #T u
R8% u9 o
得到最终结构： BhyLcUBuB
,({% t
[attachment=128683] _}`y3"CD7
dZJU>o'BG
各个像质结果： i[U=-4 J
RMS 各视场 RMS 弥散斑直径小于 8.5 μm R;/LB^X]
9 mv6
变焦位置1： gcM(K.n
o5z&sRZ
[attachment=128685] s;[64ca]Q
基本参数 变焦位置1： :d~&Dt<c
h=cA]^:=
[attachment=128686] /X\:3P
Z!?T &:
变焦位置8： K!88 Nox(
FZ%
WD@=
[attachment=128692] l~`JFWur]
畸变 Bm^8"SSN
Gm\jboef]
变焦位置1： No/D"S#
n{F&GE="
[attachment=128687] SMm$4h R
`? f sU
变焦位置8： $)O\i^T
DV bY
[attachment=128689] wlX
K2D
MTF H:
; S1D
|SsmVW$B|
变焦位置1： 6<Z k%[7t
Eid~4a
[attachment=128688] 已满足各视场 MTF 值在 72 lp/mm 处不低于 0.4。 "8yD qm
52Q~` t7F
变焦位置8： s[/) v:
]n|lHZR
[attachment=128690] zU>bT20x/
EO.}{1m=hx
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。 N EM C
]FO)U
相对照度 g>Kh? (
短焦边缘视场照度均匀性大于 85%。 Il s ^t
变焦位置1： _k5-Wd5Ypw
oth=#hfU^
[attachment=128691] [attachment=128694] Ru`7Xd.
U[l{cRT
变焦位置8： &
Mf nH
|G>Lud
[attachment=128693] [attachment=128698] Nxt z1
主光线角度 y
+c 3#
远心度都在1°以内 fxX4 !r
变焦位置1： `l q[6[n
t.m C q 4{
[attachment=128695] _;5N @2?
c :G0=5
变焦位置8： 8U&93$
|/p2DU2
[attachment=128696] _S#3!Wx
总结： V\><6v
ID v|i .q3
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。 fxk6 q$'
,!g%`@u
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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