[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。 Z4S!NDMm~  
x[h^
[oF0  
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。 r'^Hg/Jzt  
}1Gv)l7  
无焦镜头的建模 Z>)Bp/-  
QP
x_-  
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 5*lT.  
wy0tgy(' |  

图片:1.png

8u6:=fxb  
6-z%633DL  
无焦镜头的像质分析 %?}33yV  
Nl^;A><u  
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。 9$cWU_q{  
WY?[,_4U  
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。 QZ6D7tUc8  
ok!L.ac  

图片:2.png

}+.}J  
`|{-+m  
无焦 DSEARCH QEz?w}b*  
}4 )H   
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。 DJ'zz&K  
JmxH"7hTE  

图片:3.png

oB}BU`-l  
yE:+Lo`>  
无焦的像差控制 =/s>Q l  
a1C{(f)  
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。 X:HacYqtC  
?[@J8  
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。 /t+f{VX$  
&J[:awQX  
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。 6:b!F  
`uOT+B%R  
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。 1S{D6#bE  
2bJQTk_S  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： L2\#w<d  
`[f*Z
v w  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 r[|Xy>Zj
 
J!c)s!`w  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 ojcA<60 '  
>3p\m  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 NjVYLn<.r  
aI  P  
PUB是主光线角度。 .~~nUu+M  
4ezEW|S  

图片:4.png

   -`'I{g&A  
e7^mmm  
示例的DSEARCH宏 aS{|uE]  
BmbyH{4  

图片:5.png

^uKwB;@  
$ `ov4W  

图片:6.png

Q_"]+i]s@  
uGwm r  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： n&$j0k  
J%u=Ucdh  
搜索宏 ;&9)I8Us  
请评论区留言联系工作人员获取代码 8<X#f !  
h;
p>o75O  

图片:7.png

T1ut"
Zu  
`7c~mypx  

图片:8.png

&v56#lG  
'*K:  lx  
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。 YmL06<Mh  
Oxm>c[R  
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。 ``,fodA8  
   }JF13beU  
YA控制 MLXNZd  
/a{la8Ni  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 ]^yFaTfS  
l{5IUuUi  
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。 s3z$e+A8  
Kz
~ps 5  

图片:9.png

6/5YjO|a  
^H~h\,;zQ  

图片:10.png

ASKf'\,dV  
ND'E8Ke pq  
YA+PYA控制 \HqNAE2T  
F}F&T  
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。 ~5NXd)2+Ks  
$mu^G t  
通过运行CAP命令，我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6，大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度（红色的光线），但是通光孔径是由主光线（蓝色和绿色的光线）的真实光线高度决定的，如下图所示： <`.X$r*  
nL5cK:  

图片:11.png

Z?6%;n^ 54  
V[RF</2T  

图片:12.png

^NRl//  
(/z_Q{"N  

图片:13.png

C].iCxn  
)B T   
YA+CAO控制
xe]y]  
(SWYOMo"  
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。 ),0g~'I~D  
3-[q4R  

图片:15.png

zZ7;jyD  
B~6&{7xc%  

图片:18.png

rNrxaRQ  
CnU*Jb  

图片:16.png

Nkjza:f{  
#H)vK"hF  
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。 \9cbI3rGz  
:G [|CPm-  

图片:17.png

UxbjA- U[  
t#V!8EpBg  

图片:18.png

i5en*)O8  
@D.}\(  
优化宏 Sxnpq Vbk  
)SaGH3~*C  
请评论区留言联系工作人员获取代码 A}BVep@D  
zpzK>DH(  
基本参数 9{'N{  
D60aH!ft  

图片:19.png

@fHi\W2JG  
n
3T>QgK  
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： &T+atL`N  
Vrjc~>X  

图片:20.png