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ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）

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雍不言弃 发表于 2023-2-27 18:49:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
主要内容：当得到一个镜头的参数时，如何使用zemax进行设计。
无论是书籍还是老师讲解，设计的开始，普遍的做法是查找专利和镜头库，找到规格类似的镜头，然后对镜头进行修改达到参数标准。
这里提供另外一个设计思路，从玻璃平板开始，利用zemax中的全局优化来寻找初始结构。适合镜片数不多，结构简单的镜头。
本次设计不涉及加工方面的考虑！
随便给出一个设计要求，如下:
F数：2.8
视场角：70°
光学畸变畸变≤3%
相对照度≥33%
光学总长≤4mm
镜片≤3p
CRA≤32°
半像高：2.29mm（由像高和视场角算出焦距为3.27mm，由焦距和F数算出入瞳直径为1.168mm）
像素点尺寸：1.4um（算出截止频率为357lp/mm）
波长：为简单化直接取可见光，各权重为1。正常设计应考虑芯片的频率响应曲线来设置波长权重。
<hr/>第一步：输入各系统参数

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-1.jpg

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-2.jpg

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-3.jpg
第二步：添加4片平板并设置为变量（其中一片平板为模拟滤光片和保护玻璃的厚度）

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-4.jpg
前三片平板材料随意，全局优化时会替换。第四个平板玻璃为滤光片和保护玻璃的材质，一般为K9。
手机镜头的光阑放在最前方。

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-5.jpg
前三片平板的求解类型为替代，分类中为网上找的材料库，里面为常用的光学树脂。
第三步：添加评价函数

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-6.jpg
添加操作数，对焦距（EFFL）、畸变(DIMX)、总长(TOTR)、CRA(RAID)进行限制，并且限制光阑位置（MNEA）和后焦。

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-7.jpg
添加默认评价函数控制像质，刚开始可以使用点列图且环臂选最低，优化速度快。控制了总长后，单片玻璃的最大厚度可以不用控制。
第四步：进行全局优化

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-8.jpg
打开全局优化开始优化，优化十几二十分钟后得到比较好的结构。

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-9.jpg
以此作为初始结构即可。
注：在所有优化阶段，如若发现结构跑偏，可以手动输入结构参数（如某厚度或者半径过大或小），把跑偏的数据变量取消，优化一轮后，再把数据变为变量。
第五步：变为非球面进行优化

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-10.png
把三片镜片的圆锥系数设为变量。

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-11.jpg
使用操作数控制圆锥系数的范围为±100。  普通优化和锤型优化交替使用。
优化不动后，把面类型设置为偶次非球面

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-12.jpg

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-13.jpg
从4阶到12阶设置为变量（阶数取决于加工能力，一开始建议每次只优化一个镜片的非球面系数，不然容易跑崩。）普通优化和锤型优化交替使用。
优化不动后，睡觉前，把全部设为变量，开启锤型优化，睡觉。明天起床再看结果。

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-14.jpg
优化一晚后的结果。
第六步：改评价函数，优化细节。
视场加多，优化更细腻。

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-15.jpg
默认评价函数从原来的使用点列图，改为使用对比度，或者波前差，哪个好用用哪个。

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-16.jpg
环臂数也增加，优化更细腻，但速度会变慢。

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-17.jpg
系统孔径也改为F数，指标要求2.8。

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因为指标要求时像高而不是焦距，取消焦距控制，改为控制像高（REAY）。

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-19.jpg
若发现如上图，像面处光线分开较大不成点，可以使用tray进行控制.

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-20.jpg
普通优化和锤型优化交替使用。
优化不动时再自动锤型优化几个小时。
最终优化结果：

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-21.jpg

ZEMAX入门篇，手机镜头设计实操（入门）-22.jpg
内视场基本接近衍射极限，外视场稍差，基本满足设计要求，暂不考虑公差。
Phone Lens Design, Global Optimization, Glass Plate, F-number
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我爱霍启刚掖 发表于 2023-2-27 18:49:41 | 显示全部楼层
赞！
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尹以为荣 发表于 2023-2-27 18:49:52 | 显示全部楼层
想问一下这是哪个版本的zemax
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optkt 发表于 2023-2-27 18:50:51 | 显示全部楼层
19.4版本
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枣强公用号 发表于 2023-2-27 18:51:00 | 显示全部楼层
全局优化光线不对焦咋整
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天下无敌522 发表于 2023-2-27 18:51:54 | 显示全部楼层
不对焦是指在像面处光斑很大吗？
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芊芊551 发表于 2023-2-27 18:52:14 | 显示全部楼层
对  初步全局优化需要考虑光线对焦问题吗？
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poney 发表于 2023-2-27 18:52:24 | 显示全部楼层
不用怎么考虑，不是太离谱就行，只用球面，指标要求高的话，光斑确实不太好。你可以试着加上tray操作数，或者加长优化时间。还是不行的话只能说明在只用球面的情况下，只能这样了。
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也曾相识825 发表于 2023-2-27 18:53:13 | 显示全部楼层
好的
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醉于山水 发表于 2023-2-27 18:54:00 | 显示全部楼层
为什么刚开始用入瞳大小作为孔径，而不直接使用F数孔径，REAY操作数控制呢？这是由什么经验吗？
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