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

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-05-17
    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。 gwg~4:W  
    k`[>B k%b  
    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。 F>[^m Xw  
     myOW^  
    无焦镜头的建模 =*+f2  
    ErsJWp  
    在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 tId,Q>zH  
    D0S^Msk9L  
    SnvT !ca  
    " ~6&rt  
    无焦镜头的像质分析 ix?Z:pIS0  
    &lzCRRnvt  
    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。 ?aTC+\=  
    VRY@}>W'  
    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。 hmb=_W  
    km lb,P  
    +[S<"}ls7  
    z?`7g%Z?{  
    无焦 DSEARCH KiC,O7&<  
    L-q)48+^k  
    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 6BQq|:U  
    Dp} $q`F[  
    [,~;n@jz  
    tI9p2!  
    无焦的像差控制 yC|odX#  
    =ty{ugM<  
    无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示,可以用此控制像高或放大率。 |-GbHfz  
    o(3OChH  
    设置AFOCAL之后,DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度,就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 v Oo^H  
    MfFmJ7>Bg  
    所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 d] E.F64{  
    2U+Fa t@  
    对于AFOCAL系统来说,BACK量是最后两个(虚拟)表面到之前的表面距离,这就方便控制目镜的接目距,在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 y=SpIbn{  
    }ri7@HCY4  
    对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的参数 NcSi%]  
    6Ol)SQE,  
    PYA为边缘光线高度,可控制像高。 %5Elj<eHZ  
    n4+ ^f~Y  
    PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。 =1O;,8`  
    +tYskx/  
    PYB是主光线的高度,可以控制光阑。 Di$++T8"  
    4Xv."L  
    PUB是主光线角度。 4!'4 l=jO  
    [,z>msEB.  
       0? KvR``Aj  
    &&96kg3  
    示例的DSEARCH宏 }72+i  
    7~D5Gy  
    MP Q?Q]'  
    k)9 pkPl  
     /zir$  
    `n e9&+  
    运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构: Y#U0g|UDn  
    kH62#[J)yM  
    搜索宏 7V~ gqum  
    请评论区留言联系工作人员获取代码 \ERHnh  
    f2Tz5slE  
    >+ Im:fD  
    Jy]}'eE?pr  
    9\6ZdnEKu,  
    ;|Rrtf9  
    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。 DpL|aRdbK  
    <a D}Ko(  
    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。 [;7$ 'lr%D  
       r$!  
    YA控制 XO/JnJ^B  
    {w9GMqq  
    这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 \!r,>P   
    ^JB5-EtL(  
    改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0,再次运行搜索,近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。 ?NUDHUn_  
    nqib`U@"  
    lhFv2.qR  
    j sw0"d(  
    %h=cwT6  
    nrz2f7d$  
    YA+PYA控制 sYyya:ykxT  
    >=L<3W1  
    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。 H3BMN}K~  
    t^<ki?*  
    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: ]y/!GFQ  
    tWI4x3 &2  
    #)<WQZ)  
    Sh o] ~)XX  
    >iWw i'T=  
    OjY#xO+'  
    t|k-Bh:x  
    tt]ZGn*  
    YA+CAO控制 Q-$EBNz  
    OQby=}A  
    在这个宏中,我们用CAO操作数来控制光阑的大小为3。我们可以看到,现在来自不同视场的光线很好地填充了光阑。通过运行CAP命令,光阑孔径大小与我们的目标非常接近。然而,在这个系统中,BACK(从最后一个镜头表面(表面10)到STOP表面(表面11)的距离)要比之前的小。为了保持理想的BACK目标,我们需要在DSEARCH中增加该控制的权重,或者在搜索后的优化中尝试优化它。 ZfWF2%]<  
    rp,PhS  
    ?C|b>wM/  
    +"SYG  
    w 8oIq*  
    3 *[YM7y  
    xw83dQ]}^  
    +Zi@+|"BCN  
    使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心,在不同视场的入射主光线是相互平行的。 G\o *j |  
    w!/se;_H+w  
    PQ`~qM:3st  
    v.e~m2u_F  
    DTSK*a`  
    xrC b29{  
    优化宏 D7(kkr:r  
    dfA4OZ&  
    请评论区留言联系工作人员获取代码 8>~\R=SC  
    '?v-o)X  
    基本参数 >KnXj7  
    *D$Hd">X  
    a?X{k|;!7u  
    ;kiL`K  
    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: %oN5jt  
    "ll TVB  
     
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