課程四十七：一個30倍的變焦鏡頭

第 38課展示了如何設(shè)計8X 變焦鏡頭。現(xiàn)在我們做一個復(fù)雜的設(shè)計，以30X 變焦為目標(biāo)，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(yuǎn)到5m 范圍內(nèi)對焦清晰

ZSEARCH 輸入如下:

LOG                ! 以便日后追跡
ON 98 
TIME               ! 來看看這次運(yùn)行花了多長時間
CORE 14 
ZSEARCH 3 QUIET    ! 將結(jié)果保存在鏡頭庫位置3
SYSTEM 
ID ZSEARCH TEST 
OBB 0 14 3         ! 無限遠(yuǎn)物距，14度半視場，2.85毫米半孔徑
                   
UNI MM 
WAVL CDF 
END  
GOALS 
ZOOMS 7 
GROUPS 2 3 4 2     ! 鏡頭有四組，共11個元件
ZGROUP 0 Z Z 0     ! 而第2組和第3組將可移動
ZFOCUS 5000 4 90 5 ! 在5米范圍內(nèi)也能正確對焦
FINAL              ! 在最后的變焦位置聲明所需的物方參數(shù) 
                   
OBB 0 0.4666 90 
 
ZSPACE NONLIN 1.7  !其他變焦參數(shù)將被非線性地間隔在第一和最后一個
APS 19             ! 把光闌放在最后一組的第一面
DELAY OFF 
GIHT 5 5 10        ! 所有變焦的圖像高度為5毫米，權(quán)重為10
BACK 20 .1         ! 后焦是20毫米，會有變化。一個目標(biāo)將被添上低權(quán)重的優(yōu)化函數(shù)
COLOR M            !  校正所有定義的波長
ANNEAL 50 10 Q     ! 退火，因為它在兩種模式下都得到了優(yōu)化
QUICK 40 40        ! 快速模式下40次，真實模式下40次
ASTART 22 
TSTART 12 
END 
SPECIAL PANT 
CUL 1.75 
FUL 1.75 
END 
 
SPECIAL AANT 
ACA 55 1 1         ! 監(jiān)視器的光線要遠(yuǎn)離臨界角.
AEC 2 1 1 
ACM 4 1 1 
ACC 35 1 1 
LUL 600 .1 10 A TOTL 
END 
GO                 ! 開始 ZSEARCH
TIME               ! 查看運(yùn)行時間有多長.

運(yùn)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)。

我們只校正了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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yù)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

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(diǎn)。

輸入以下命令： CAM 100 APERT

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 ZSEARCH 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(yùn)動是從原來的凸輪曲線插值而來的，只有7個變焦組是準(zhǔn)確的。

我們需要修改 ZSEARCH 的宏，原始的 ZSEARCH 宏如下：

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(jìn)行如下操作，在三個視場中創(chuàng)建光線像差指令。

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。

在我們運(yùn)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(zhǔn)確。在命令窗口輸入  CAM ZMAG 0.0333333 NONLIN 1.7

現(xiàn)在運(yùn)行這個優(yōu)化宏。鏡頭是合理的，但需要進(jìn)一步改進(jìn)。點(diǎn)擊運(yùn)行，再退火（33，2，50）

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(yùn)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。

我們想進(jìn)一步改進(jìn)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?

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(rèn)控制。但這個透鏡是一個體積相當(dāng)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，所以在優(yōu)化宏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。

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(diǎn)擊按鈕 ;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(yùn)行變焦滑塊，在縮放范圍內(nèi)查看此 ACON 的性能。它和無窮遠(yuǎn)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(diǎn)擊 PAD Scan 按鈕 ，檢查每個視場點(diǎn)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(diǎn)出現(xiàn)較大的像差，我們將在出現(xiàn)問題的視場點(diǎn)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(diǎn)-但我們也需要進(jìn)行調(diào)整打開工作表并單擊 ZFILE 按鈕 以顯示當(dāng)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:

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(rèn)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(yùn)行變焦滑塊，焦點(diǎn)處在正確的位置上!

打開 MRG 菜單(Menu, 真實玻璃)，選擇光明材料庫，點(diǎn)擊 OK。像質(zhì)得到了改善。

在本課中，我們需要多次調(diào)整參數(shù)運(yùn)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(dá)1.9。為什么不用這些材料呢?

這些玻璃材料，尤其是火石材料的玻璃，比折射率較低的玻璃更容易吸收藍(lán)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(lán)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(fù)整個過程，我們得到了更好的分辨率鏡頭，但是藍(lán)色波長的光的透過率更差，如下圖所示。

如果出現(xiàn)這種情況的黃色濾鏡，則說明藍(lán)光透過率低。

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(yùn)行 AEI 命令。也許我們更喜歡短一點(diǎn)的鏡頭。這要求再次運(yùn)行 ZSEARCH，在 TOTL 上使用不同的設(shè)置。如果我們在快速模式下運(yùn)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(yùn)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(fù)雜性，SYNOPSYS 為此目的提供了許多強(qiáng)大工具。