[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。 d"yJ0F  
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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。 Jkv!]C  
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无焦镜头的建模 ]4ck)zlv   
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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。 Ee_?aG e&  
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图片:1.png

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G1-r$7\  
无焦镜头的像质分析 [p'A?-  
LF`]=.Q  
有焦镜头评价成像质量，一般会在距离空间，比如用RMS光斑尺寸评价。 CA1Jjm=  
dU*$V7  
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。 KWxTN|>  
(t){o>l  

图片:2.png

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_M&n~ r  
无焦 DSEARCH dDSb1TM  
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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。 $}IG+,L  
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图片:3.png

TQ:h[6v  
[m4M#Lg\0  
无焦的像差控制 =E$bZe8  
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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。 @-L\c>rqT  
#6 ni~d&0  
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。 +8W5amk.P|  
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87 zk  
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。 ?(U;T!n  
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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"@#FS  
$UdBZT-  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： FZ}^)u}o  
*iY:R  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 N@Oe[X8  
AbhR*  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 :/%Y"0  
}Xk_ xQVt{  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 tBfmjxv  
FfxD=\  
PUB是主光线角度。
]b]J)dDI  
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图片:4.png

   >Ut: -}CS  
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示例的DSEARCH宏 hr&&b3W3p  
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Q\}-MiI/  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： yH]Q;X'  
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搜索宏 Y3~z#<  
请评论区留言联系工作人员获取代码 rNJU & .]  
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zB>  

图片:7.png

N8df1>mW  
4eB oR%2o  

图片:8.png

)+'=Zvgej=  
%7 yQ0'P  
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。 hu} vYA7ZH  
!W8=\:D[  
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。 boCi*]  
   [;7zg@Sa  
YA控制 7FPSBvU#/  
0{%@"Fb0O  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 ,wM}h  
%XeN_ V  
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。 nyqX\m-  
OI6Mx$  

图片:9.png

b/qK/O8J  
<XG]aYBR  

图片:10.png

\-]tvgA~&  
H[nBNz)C  
YA+PYA控制 u&c%L0)E&  
-6I*k |%8T  
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。 T30fp  
\b$pH  
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： x
g7KU&  
<z2.A/L  

图片:11.png

x:~XZX\mwH  
'R'hRMD9o  

图片:12.png

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csLbzDg  

图片:13.png

HBvyX`-  
.TdFI"Yn  
YA+CAO控制 '"\n,3h  
)P b$  
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。 KWjhkRK4]  
9M7P|Q  

图片:15.png

=oh%-Sh:  
C{^I}p  

图片:18.png

|5dNJF8;Q  
U`EOun,  

图片:16.png

fVY I  
E:/!]sm!  
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。 XI[n!)3  
.'H$|"(v  

图片:17.png

tF-l=ph}`  
;a@riPqx!  

图片:18.png

3b0|7@
_E  
z7:* ,X  
优化宏 O/Hj-u6&A  
PPySOkmS3  
请评论区留言联系工作人员获取代码 1Dhe! n#  
xFThs,w  
基本参数 z a_0-G%C2  
\}.bTca  

图片:19.png

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W/t,7lPFb  
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`flYNg4  
;8&/JSN M  

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