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`[>Bk%b 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。
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。
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+[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。
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[,~;n@jz t I9p2! 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。
| -Gb Hfz 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+Fat@ 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$++T8" 4Xv."L PUB是主光线角度。
4!'4 l=jO [,z>msEB.
0? KvR``Aj &&96kg3 示例的DSEARCH宏
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pkPl
/zir$ `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
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gqum 请评论区留言联系工作人员获取代码
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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。
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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$! YA控制
XO/JnJ^B {w9GMqq 这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11
\!r,>P ^JB5-EtL( 改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0,再次运行搜索,近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。
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%h=cwT6 nrz2f7d$ 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:
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i'T= OjY#xO+'
t|k-Bh:x
tt]ZGn* YA+CAO控制
Q-$EBNz OQ by=} 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。
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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。
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PQ`~qM:3st v.e~m2u_F
D TSK*a ` xrCb29{ 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
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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:
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