[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。 vkt)!hl `  
S8]g'!  
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。 5|>jz `  
"arbUX~d  
无焦镜头的建模 ](a<b@p  
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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。 _C*}14 "3  
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Fe/*U4xU  

YE^|G,]  
无焦镜头的像质分析 ]0O pd9  
ZM)a4h,kcm  
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。 /#Xz+#SqY  
rsc8lSjH  
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。 a]ftE\99  
YHAy+S  
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无焦 DSEARCH ey Cg *  
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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。 "1l d4/  
g!K(xhEO  
4~Z\tP|Q.  
c5t?S@b  
无焦的像差控制 0&w.QoZY(  
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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。 #nu?b?X'  
r<~1:/F|  
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。 ,ur_n7+LH  
mk0rAN  
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。 G_X'd  
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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。 ,I)/ V>u  
0mCrA|A.  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： fwOvlD&e  
8WaVs6  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 paiF ah  
m+V'*[O{  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 lJ}lO,g  
& }}o9  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 @y}1%{,%  
WF:i}+g
+^  
PUB是主光线角度。 v_oNM5w  
P/0n) Q  
   L.erP* w  
v+Oo
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示例的DSEARCH宏 ^OYar(  
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fpzC#  
M3x%D)*  
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RELLQpz3  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： r6j 3A  
!R4`ihi1  
搜索宏 +Pn+&o;D  
请评论区留言联系工作人员获取代码 +]Ydf^rF  

Au:Q4x.  
A<AZs~f  
?mrG^TV^+r  
O~w&4F;{  
d
Rt]9gIsx  
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。 +MXI;k
_  
#=+d;RdlW  
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。 RV7l=G9tq  
   `2UzJ~  
YA控制 gNN{WFHQX:  
P b2exS(  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 Ean@GDLz8  
C:zK{+  
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。 "M1[@xog  
!SEg4z  
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MyAi)Mz~o  
>STWt>s  
G'Jsk4:c  
YA+PYA控制 {_l@ws  
X>=`{JS1  
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。 #(T  
1Y\g{A"  
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： /J8y[aa  
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WFULQQ*  
Mb uD8B  
Z6A*9m  
8"Hy'JA$O  
%fo+Y+t  
Hh4$Qr;R  
YA+CAO控制 X^eTf-*T  
+|KnO  
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。 -6(C^X%  
(n|PLi  
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r|:i: ii  
AK} wSXF  
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。 $&I##od  
I|@%|sTW  
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TTk  
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优化宏 {.K>9#^m  
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请评论区留言联系工作人员获取代码 d@<(Z7|  
/Q8E12  
基本参数 $0~H~-  
4RGEg;]S  
D .oX>L#:  
yIC8Rl  
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： d<r=f"  
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