[原创]无焦镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第70课 [复制链接]

本文将展示使用 SYNOPSYS 软件进行无焦镜头的设计。“无焦”是相对有焦来说的。无焦系统（afocal system）也称为远焦系统或焦外系统，是指对光束没有净发散或净聚焦的光学系统，系统中共轭物和共轭像都在无穷远处，也就是说光学系统的等效焦距为无限大。 t6"%u3W8M  
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在激光光学中会用到无焦系统，例如扩束器、红外线及前视红外线系统、相机变焦镜头、像 teleside 转换器等望远镜头配件以及结合相机及望远镜的无焦摄影。 Qu|CXUk  
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无焦镜头的建模 @j|E"VYY  
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在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 D?n6h\h\$%  
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无焦镜头的像质分析 IR-n:z  
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有焦镜头评价成像质量，一般会在距离空间，比如用RMS光斑尺寸评价。 }a;xs};X;  
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无焦的光线分析输出是在角度空间（即光线角度）中，而不是在像面的光线截距。OPD 输出表示波前与平面波的偏离。所以在 SYNOPSYS 建模无焦镜头时，像面要用两个平面虚拟表面来描述。MTF 的空间频率单位也从线对/毫米转换成线对/毫弧度。 5m1J&T
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无焦 DSEARCH t\,Y<9{w  
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SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头，会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化。 JX&
U?Z  
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无焦的像差控制 BA h'H&;V  
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无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示，可以用此控制像高或放大率。 +(*HDa
|  
=+iY<~8  
设置AFOCAL之后，DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度，就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 IAO5li3  
W9?* ~!  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 B
<d=;V  
AlQhKL}|s  
对于AFOCAL系统来说，BACK量是最后两个（虚拟）表面到之前的表面距离，这就方便控制目镜的接目距，在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 %Y&48''"  
0x<ASfka  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： TsFhrtnx&X  
9"P+K.%  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 1ui)Hv=h*  
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PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 w;,34qbf  
i)x0]XF  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 ):K
%  
<D|&)/#  
PUB是主光线角度。 cy^=!EfA  
k-ZO/yPo  

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   33~MP;  
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示例的DSEARCH宏 ) ^En  
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3H,x4L5j  

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运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： 5le
n}){  
d`/8Q9tQ  
搜索宏 Ll KO(Q{"  
请评论区留言联系工作人员获取代码 ?;l@yx  
*J4!+GD  

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nVs@DH  

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Z'i@;^=A  
这里，STOP LAST和STOP FIX在DSERACH宏中被用来设置光阑在最后一个表面。 <6(0ZO%,C!  
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o*@  
但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示，在近轴光线追迹的结果中，光阑确实是在最后一个表面，但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。 :aOR@])>o  
   >*EZZ\eU!  
YA控制 DQ8/]Z{H  
d}O\:\}y  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 ovp/DM  
uUjjAGZ  
改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0，再次运行搜索，近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。 `dm*vd  
at?I @By  

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O\Huj=  
'u.Dt*.Uq  

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{|oWU8.l  
YA+PYA控制 u4hn9**a1  
suQTi'K1  
在这个宏中，我们添加了指令M 3 10 A PYA 11，用PYA（近轴边缘光线高度）来控制光阑（表面11）的大小为3。 D
Cp8rvUI  
_S) K+C|@  
通过运行CAP命令，我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6，大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度（红色的光线），但是通光孔径是由主光线（蓝色和绿色的光线）的真实光线高度决定的，如下图所示： N5K(yY_T  
N'y<<tTA
 

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-Y524   

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o%o  
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YA+CAO控制 =bh: U90y  
62ru%<x=  
在这个宏中，我们用CAO操作数来控制光阑的大小为3。我们可以看到，现在来自不同视场的光线很好地填充了光阑。通过运行CAP命令，光阑孔径大小与我们的目标非常接近。然而，在这个系统中，BACK（从最后一个镜头表面（表面10）到STOP表面（表面11）的距离）要比之前的小。为了保持理想的BACK目标，我们需要在DSEARCH中增加该控制的权重，或者在搜索后的优化中尝试优化它。 v9 \n=Z  
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图片:15.png

z*T41;b  
m%.4OXX"&  

图片:18.png

>8/Otg+h  
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fDDpR=  
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使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心，在不同视场的入射主光线是相互平行的。 d21thV ,S  
|"K%Tvxe  

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oU)(/  
G$a@}9V  

图片:18.png

_1?uAQ3,  
Pt85q?->  
优化宏 IiniaVuQ  
W^09tx/I  
请评论区留言联系工作人员获取代码 /{l_tiE7  
>h%>s4W  
基本参数 z$1|D{  
#jBmWaP.  

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Mo@{1K/9  
Vsi:O7|+ }  
无焦的变焦镜头也可以用ZSEARCH功能进行初始结构搜索，不同于有焦镜头用理想像高作为前后变焦位置的目标，而是和DSEARCH一样用PYA和PUB确定最前和最后变焦位置的像方参数，由此确定变焦的搜索目标： 3F"vK  
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