[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。 E u@TCw8@  
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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。 N( /PJJ~  
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无焦镜头的建模 Sd)D-S  
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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。 MAR;k?d  
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无焦镜头的像质分析 B@F1!8l  
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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。 "_(o% \"7  
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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。 0zEn`rq&  
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无焦 DSEARCH $EtZ5?qS  
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SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头，会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化。 !g}9xIL  
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无焦的像差控制 ")LF;e  
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无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示，可以用此控制像高或放大率。 j$Kubg(I5  
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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。 hwO]{)%  
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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。 $GYy[-.`  
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对于AFOCAL系统来说，BACK量是最后两个（虚拟）表面到之前的表面距离，这就方便控制目镜的接目距，在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 }q~A( u  
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对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： E-Mp|y/V  
\Q3m?)X=Gd  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 >#V8l@IH  
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PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 <( MBs$b  
PanyN3rC*  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 pZWp2hj{X  
iBc( @EJ  
PUB是主光线角度。 0.Iw/e   
}we"IqLb  
   |D^[]*cEH  
v=/V<3  
示例的DSEARCH宏 1dKLNE  
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>`lf1x
  
W58\V  
K&S~IFy  
~=c#Ff=Z  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： 9J1&g(?>-  
{)Gh~~57_W  
搜索宏 _o`'b80;  
请评论区留言联系工作人员获取代码 "PlM{ZI\  
W`;E-28Dg  
a#mdD:,cF  
GHoPv-#  
KRz\ct|  
aUJ&  
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。 yCQpqh  
)"q2DjfX*  
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。 ,;{m
H]"s  
   v|`)
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YA控制 1*=[% d7  
<x1(}x:u`  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11
j7i[z>:Y  
*ZY{^f  
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。 v_Jp9  
m(&ZNZK  
/ P{f#rV5  
()P?fed  
T$k) ^'  
6C  
YA+PYA控制 n2TvPt\  
fEM8/bhq  
在这个宏中，我们添加了指令M 3 10 A PYA 11，用PYA（近轴边缘光线高度）来控制光阑（表面11）的大小为3。 tFb49zbk  
*WOA",gZ  
通过运行CAP命令，我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6，大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度（红色的光线），但是通光孔径是由主光线（蓝色和绿色的光线）的真实光线高度决定的，如下图所示：
6g<JPc  
;}:"[B3$  
ku\_M  
E|ZY2&J`4  
*BSL=8G{  
9}5Q5OZ  
n /rQ*hr  
#opFUX-  
YA+CAO控制 \24neD4cM@  
JSO>rpO  
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。 kkqrlJO|  
uD<*g(R  
R`/nsou  
8 v&5)0u  
zQ7SiRt7*  
@aBZ|8
 
d<#Xqc  
4R^'+hy|?  
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。 Q:tW LVE#0  
C[wnor!  
X8Gw8^t  
Ei}B9 &O  
Ma_! 1Y  
RN!oflb  
优化宏 haB$W 4x  
Kx#G_N@  
请评论区留言联系工作人员获取代码 Km-lWreTH  
2W|j K  
基本参数 lOYwYMi  
_:=w6jCk  
P3(u+UI3  
~!Onz wmO  
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： 8qt|2%  
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