[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。 G8noQ_-  
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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。 G@B*E%$9  
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无焦镜头的建模 lf6|.  
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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。 B2Qp}  
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图片:1.png

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无焦镜头的像质分析 V!W1fb7V  
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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。 p0Z:Wkz]  
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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。 LZ4xfB(  
l0. FiO@_Q  

图片:2.png

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无焦 DSEARCH l^
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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。 X% X$Y6  
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图片:3.png

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无焦的像差控制 TOrMXcn!/  
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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。   Y<aO  
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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。 =q5@
,wN^  
/LF3O~Go  
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。 Nq_A8Ph9  
$ o" L;j  
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。 OT;
cfkf7  
Qm; BUG]  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： !!*;4FK"q  
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PYA为边缘光线高度，可控制像高。 C38%H  
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PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 3p&jLFphL  
/p 5=i  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 VKNp,Lf  
Wy.";/C  
PUB是主光线角度。 ikIzhUWE  
M/} a
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图片:4.png

   gApz:K[l  
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示例的DSEARCH宏 :/i~y$t  
Mi?}S6bp  

图片:5.png

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RG&6FRoq  

图片:6.png

{>h97}P  
}PZ=`w*O  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： 'W(xgOP1  
!UcOl0"6  
搜索宏 4w;~4#ZPp  
请评论区留言联系工作人员获取代码 T .
hb#oO  
?@DNsVwb  

图片:7.png

nP;;MX:B  
-X8eabb  

图片:8.png

$_FZn'Db6  
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这里，STOP LAST和STOP FIX在DSERACH宏中被用来设置光阑在最后一个表面。 )88nMH-  
Um\0i;7 ~4  
但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示，在近轴光线追迹的结果中，光阑确实是在最后一个表面，但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。 ;s}3e#$L  
   $rB6<  
YA控制 i.M2E$b|  
LABNj{=D!  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 'hF@><sqk  
yd*3)6=  
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。 Sr"/-  
M(2`2-/xh  

图片:9.png

Pr/]0<s  
F@EJtwLd5y  

图片:10.png

:Eo8v$W\RB  
V7@ {D  
YA+PYA控制
{ 8p\Y  
si?HkJv5  
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。  D%gGRA  
3Oiy)f@{TF  
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： [O1|75  
KoF iQ?  

图片:11.png

+v-LL*fa  
u|OtKq  

图片:12.png

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图片:13.png

"lrA%~3%[P  
PUCx]5  
YA+CAO控制 tl^m=(ZQ  
>{t+4p4k.  
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。 IT&i,`cJ~F  
mgcN(n1  

图片:15.png

CjKRP;5  
=<.F3lo\s  

图片:18.png

Y
1y E  
3I*uV!notJ  

图片:16.png

&O*ENpF  
eEP( ).
 
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。 l{Er+)a  
pBU]=[M0  

图片:17.png

<+q$XL0  
@n@g)`  

图片:18.png

oIxH3T  
A{(T'/~"  
优化宏  5~s{N  
s0lYj@E'  
请评论区留言联系工作人员获取代码 |_nC6;  
wv^b_DR  
基本参数 @|=UrKAN  
! Rvn'|!  

图片:19.png

(Fqa][0  
G#lg|# -#  
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： I.a0[E/,  
oyW00]ka  

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