SYNOPSYS 光學設(shè)計第47課：一個30倍的變焦鏡頭

墨光科技

2020年8月5日 22:46

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以前展示了如何設(shè)計8X變焦鏡頭。現(xiàn)在我們做一個復雜的設(shè)計，以30X變焦為目標，來設(shè)計一款變焦鏡頭。

設(shè)計要求如下：

1. 變焦30倍 2. 半視場角14° 3. 最后一面的半孔徑為3mm 4. 使用11個鏡片 5. 四組鏡片，其中兩組是用來變焦 6. 像高5mm 7. 后焦距20mm 8. 總長600mm 9.物距從無窮遠到5m范圍內(nèi)對焦清晰

ZSEARCH輸入如下:

      LOG	! to keep track of things later ON 98
      TIME	! to see how long this run took CORE 14
      ZSEARCH 3 QUIET	! save results in library location 3

      SYSTEM
      ID ZSEARCH TEST
      OBB 0 14 3	! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi
      ! aperture.	This defines the wide-field object
      UNI MM WL CDF END

      GOALS ZOOMS 7
      GROUPS 2 3 4 2	! lens has four groups with 11 elements altogether
      ZGROUP 0 Z Z 0	! and groups 2 and 3 will zoom
      ZFOCUS 5000 4 90 5	! also correct range focus at 5 meters
      FINAL	! declare the desired object at the last zoom position,
      ! which is the narrow field zoom
      OBB 0 0.4666 90

      ZSPACE NONLIN 1.7 ! other zoom objects will be nonlinearly spaced between the
      ! first and last
      APS 19	! put the stop on the first side of the last group DELAY OFF
      GIHT 5 5 10 ! the image height is 5 mm for all zooms, with a weight of 10. BACK 20 .1
	! the back focus is 20 mm and will vary.	A target will be
      ! added to the merit function with a low weight.
      COLOR M	! correct all defined colors
      ANNEAL 50 10 Q	! anneal the lens as it is optimized in both modes QUICK 40 40	! 
 40 passes in quick mode, 40 in real-ray mode
      ASTART 22

      TSTART 12 END

      SPECIAL PANT CUL 1.75
      FUL 1.75 END

      SPECIAL AANT
      ACA 55 1 1	! monitor rays to keep away from the critical angle. AEC 2 1 1
      ACM 4 1 1
      ACC 35 1 1

      LUL 600 .1 10 A TOTL END
      GO	! start ZSEARCH
      TIME	! see how long the run took.

運行這個宏一段時間后，我們得到了一個有潛力的初始結(jié)構(gòu)。

SYNOPSYS 光學設(shè)計第47課：一個30倍的變焦鏡頭的圖1

我們只糾正了7個變焦位置，在完成設(shè)計之前，可能還需要更多的變焦位置，但是前期選擇少量的變焦位置做參考，會使ZSEARCH運行得更快。

打開工作表并將APS命令更改為APS -19。這將產(chǎn)生一個真實的光瞳。

運行ZSEARCH產(chǎn)生的宏。

現(xiàn)在讓我們增加變焦組的數(shù)量。輸入以下命令：

      CAM 15 SET

運行變焦滑塊，會顯示在變焦范圍內(nèi)設(shè)計得到了很好的糾正，但是在中間的位置會出現(xiàn)離焦。我們預設(shè)置為7個變焦位置。讓我們看看變焦組是如何分布的。輸入以下命令：

      CAM 100

SYNOPSYS 光學設(shè)計第47課：一個30倍的變焦鏡頭的圖2

在這張圖的左端數(shù)據(jù)變化最快，所以在這一區(qū)域，需要分配更多的變焦位置，來控制像差和焦點。輸入以下命令：

      CAM 100 APERT

SYNOPSYS 光學設(shè)計第47課：一個30倍的變焦鏡頭的圖3

現(xiàn)在這個圖與前面的圖片比例不再相同。我們可以看到左邊的變焦位置比右邊的變焦位置靠得更近。命令如下

      ZSPACE NONLIN 1.7

在ZSEARC文件中，更大的非線性值會將它們分布的更廣泛一些；而小于1.0的值會將它們聚集在圖片的左邊區(qū)域，這是我們不希望看到的情況。

現(xiàn)在鏡頭已經(jīng)定義了15個變焦組，同樣聚集在凸輪曲線的左邊，因為鏡頭還沒有被校正。變焦運動是從原來的凸輪曲線插值而來的，只有7個變焦組是準確的。

我們需要修改ZSEARCH的宏，原始的ZSEARCH宏如下：

    ZOOM		1
    M	0.500000E+01		0.100000E+02	A	GIHT
    GSR	0.000000		5.000000		4	M	0.000000
    GNR	0.000000		3.000000		4	M	0.750000
    GNR	0.000000		1.000000		4	M	1.000000
    LUL 600 .1 10 A TOTL
    ZOOM	2
    M	0.500000E+01	0.100000E+02	A	GIHT
    GSR	0.000000	5.000000		4	M	0.000000
    GNR	0.000000	3.000000		4	M	0.750000
    GNR	0.000000	1.000000		4	M	1.000000
    LUL 600 .1 10 A TOTL
    ZOOM	3
    M	0.500000E+01	0.100000E+02	A	GIHT
    GSR	0.000000	5.000000		4	M	0.000000
    GNR	0.000000	3.000000		4	M	0.750000
    GNR	0.000000	1.000000		4	M	1.000000
    LUL 600 .1 10 A TOTL
    ZOOM	4
    M	0.500000E+01	0.100000E+02	A	GIHT
    GSR	0.000000	5.000000		4	M	0.000000
    GNR	0.000000	3.000000		4	M	0.750000
    GNR	0.000000	1.000000		4	M	1.000000
    LUL 600 .1 10 A TOTL
    ZOOM	5
    M	0.500000E+01	0.100000E+02	A	GIHT
    GSR	0.000000	5.000000		4	M	0.000000
    GNR	0.000000	3.000000		4	M	0.750000
    GNR	0.000000	1.000000		4	M	1.000000
    LUL 600 .1 10 A TOTL
    ZOOM	6
    M	0.500000E+01	0.100000E+02	A	GIHT
    GSR	0.000000	5.000000		4	M	0.000000
    GNR	0.000000	3.000000		4	M	0.750000
    GNR	0.000000	1.000000		4	M	1.000000
    LUL 600 .1 10 A TOTL
    ZOOM	7
    M	0.500000E+01	0.100000E+02	A	GIHT
    GSR	0.000000	5.000000		4	M	0.000000
    GNR	0.000000	3.000000		4	M	0.750000
    GNR	0.000000	1.000000		4	M	1.000000
    LUL 600 .1 10 A TOTL

為了簡化操作，我們將刪除除第一個變焦組之外的所有內(nèi)容，并將其更改為zoom group的設(shè)置。這將在所有變焦組中進行如下操作，在三個視場中創(chuàng)建光線像差操作。

      ZGROUP ALL
      M	0.500000E+01	0.100000E+02	A	GIHT
      GSR	0.000000	5.000000		4	M	0.000000
      GNR	0.000000	3.000000		4	M	0.750000
      GNR	0.000000	1.000000		4	M	1.000000
      LUL 600 .1 10 A TOTL
      END

該程序還向AANT文件中添加了ZFOCUS命令，然后是另一組變焦設(shè)置，我們再次用單個ZGROUP ALL命令替換它們。該部分更改物距參數(shù)，將第一組移動90毫米，并在所有已定義的變焦組中再次糾正像質(zhì)。請注意，END命令將會關(guān)閉ZGROUP文件，另一個END命令將會關(guān)閉文件AANT部分。

    ZFOCUS	0.500000E+04	4	0.900000E+02	0.500000E+01
    ZGROUP	ALL
    GSR	0.000000	5.000000	4	M	0.000000
    GNR	0.000000	3.000000	4	M	0.750000
    GNR	0.000000	1.000000	4	M	1.000000
    END
    END

在我們運行這個宏之前，調(diào)整物距位置是個好主意。我們將數(shù)字從7增加到15，但是這個選項只是插入了之前的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)很接近，但并不準確。輸入命令

      CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7

現(xiàn)在運行這個優(yōu)化宏。鏡頭是合理的，但需要進一步改進。

SYNOPSYS 光學設(shè)計第47課：一個30倍的變焦鏡頭的圖4

讓我們嘗試添加鏡片來檢驗是否對像質(zhì)有幫助。在PANT文件之前，添加如下命令行

AEI 4 1 123 0 0 0 20 2

運行宏。程序建議在第4個鏡片組中添加了一個鏡片，像質(zhì)得到很大的提高。

SYNOPSYS 光學設(shè)計第47課：一個30倍的變焦鏡頭的圖5

我們想進一步改進像質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)第一個鏡片中心較厚，但它的邊緣很薄。現(xiàn)在的厚度是多少?

      SYNOPSYS AI>1 TH?

      The thickness or spacing of surface number	1	is	35.36316744

我們的評價函數(shù)里有一個監(jiān)視器，可以防止中心厚度變得太大，我們已經(jīng)指定了一個35毫米的默認控制。但這個透鏡是一個體積相當大，顯然我們需要增加允許的厚度。將ACC監(jiān)視器更改為

      ACC 50 1 1

注釋掉AEI命令行，再一次優(yōu)化，模擬退火(22，2，50)。評價函數(shù)下降了。但是鏡片2的厚度太薄，所以在MF中添加一個新的命令:

      ADT 7 .1 1

取消AEI命令行的注釋，并重新優(yōu)化。這將控制每個鏡片的直徑/厚度比，并添加一個鏡片。現(xiàn)在系統(tǒng)看起來很好。

SYNOPSYS 光學設(shè)計第47課：一個30倍的變焦鏡頭的圖6

把這個設(shè)計分配給下一個ACON，我們要用它來查看物距5米處的像質(zhì)。點擊按鈕 SYNOPSYS 光學設(shè)計第47課：一個30倍的變焦鏡頭的圖8 ;然后輸入如下命令：

      ZFOCUS 5000 4 90 5

您已經(jīng)設(shè)置物距為5米，并將第4個面的厚度調(diào)整為90毫米，調(diào)整物體高度，使高斯像高保持在5毫米。我們想看看它是如何工作的。運行變焦滑塊，在縮放范圍內(nèi)查看此ACON的性能。它和無窮遠處的性能很相似。在物距范圍內(nèi)聚焦不會有任何問題。最大的像差出現(xiàn)在zoom 15中，這是一種長焦設(shè)置，對于這種鏡頭來說是正常的

現(xiàn)在點擊PAD Scan按鈕 SYNOPSYS 光學設(shè)計第47課：一個30倍的變焦鏡頭的圖9 ，檢查每個field point的像差是否得到控制。在變焦范圍的兩端都這樣做，你會發(fā)現(xiàn)每個地方都得到了很好的控制。如果某個中間視場點出現(xiàn)較大的像差，我們將在出現(xiàn)問題的視場點向AANT文件添加另一個GNR命令，但在目前的結(jié)果下沒有必要這樣做。

變焦滑塊顯示了鏡頭在整個變焦范圍內(nèi)的焦點-但我們也需要進行調(diào)整打開工作表并單擊ZFILE按鈕 SYNOPSYS 光學設(shè)計第47課：一個30倍的變焦鏡頭的圖10 以顯示當前變焦參數(shù)。滾動到編輯窗格的頂部并添加兩個命令，如下面的紅色字體所示:

      …
      OBB  0.000000	14.00000	3.00000    -60.69895	0.00000	0.00000	3.000
      ZFILE  2
      CAM RANK  9
      CAM EXPONENT  0.800000
      5 10
      11 18 DFOCUS RSOLVES CUBIC
      …

現(xiàn)在該程序?qū)ν馆喦€使用分段三次擬合(而不是目前默認使用的冪級數(shù)多項式)，并將調(diào)整第二組的變焦位置，以保持在所有變焦時近軸離焦的平穩(wěn)過渡。再次運行變焦滑塊，焦點處在正確的位置上!

打開MRG菜單(Menu, Real Glass)，選擇Guangming材料庫，點擊OK。像質(zhì)得到了改善。

SYNOPSYS 光學設(shè)計第47課：一個30倍的變焦鏡頭的圖11

在本課中，我們需要多次調(diào)整參數(shù)運行，直到得到滿意的結(jié)果為止。例如，上面顯示的ZSEARCH輸入包含CUL和FUL命令，以限制玻璃模型變量允許的最高折射率。在這種情況下，我們限制它們?yōu)?.75。但也有其他玻璃品種的折射率高達1.9。為什么不用這些材料呢?

這些玻璃材料，尤其是燧石材料的玻璃，比折射率較低的玻璃更容易吸收藍光。如果這款鏡頭是用于空中偵察任務(wù)，經(jīng)常會添加一個黃色濾鏡來透過霧霾，那么高折射率的材料將是首選，因為這樣可以更好的校正像差，而藍光則不重要。輸入以下命令：

     XCOLOR

看看什么顏色的光線能通過鏡頭，你可以查看下面左邊的圖片。讓折射率上升到1.9，重復整個過程，我們得到了更好的分辨率鏡頭，但是藍色波長的光的傳輸更差，如右圖所示。

SYNOPSYS 光學設(shè)計第47課：一個30倍的變焦鏡頭的圖13

我們現(xiàn)在有一個很好的變焦鏡頭。但我們能做得更好嗎?

我們可能需要更好的分辨率鏡頭，這就需要在插入真正的玻璃材料之前，再次運行AEI命令。也許我們更喜歡短一點的鏡頭。這要求再次運行ZSEARCH，在TOTL上使用不同的設(shè)置。如果我們在快速模式下運行更多的循環(huán)會發(fā)生什么?很可能我們會得到一組不同的10個鏡頭。如果關(guān)閉98開關(guān)，我們再次運行相同的設(shè)置，結(jié)果可能會有所不同。

從一個簡單的方法開始，了解什么可行，什么不可行，根據(jù)需要增加復雜性，SYNOPSYS為此目的提供了許多強大工具。

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