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    [原创]无焦镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第70课 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-05-17
    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。 O/-xkzR*  
    SWu=n1J.?H  
    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。 h1"#DnK7  
    pq@ad\8  
    无焦镜头的建模 X*b0qJ Z  
    +XQ6KG&  
    在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 W[YtNL;  
    </eh^<_~  
    "_^FRz#h  
    _K8-O>I "  
    无焦镜头的像质分析 vUW!  
    *I~F7Z]|  
    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。 =I?p(MqW  
    6>l-jTM  
    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。 + }^  
    Yd@9P 2C  
    #xO`k1W.  
    (T@ov~ @  
    无焦 DSEARCH YpiSH(70`  
    !nu#r$K(  
    SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头,会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化 _PuMZjGL  
    Si;e_a  
    {#7t(:x  
    XOxm<3gXn  
    无焦的像差控制 I%%$O' S  
    <4Ak$ E %"  
    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。 XVY^m}pMe  
    3T_-_5[c  
    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。 nkpQM$FW  
    ]^s4NXf+  
    所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 Tux~4W  
    j@9A!5<CCk  
    对于AFOCAL系统来说,BACK量是最后两个(虚拟)表面到之前的表面距离,这就方便控制目镜的接目距,在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 <{'':/tXI  
    HzW ZQ6o  
    对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的参数 p{.EFa>H  
    %bddR;c  
    PYA为边缘光线高度,可控制像高。 KxY|:-"Tt  
    fz:F*zT1  
    PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。 ek.L(n,J|  
    *rA!`e*  
    PYB是主光线的高度,可以控制光阑。 ^E5Xpza  
    Z";o{@p  
    PUB是主光线角度。 #u#s'W  
    :^l`m9  
       _wm"v19  
    ~=}56yxl[  
    示例的DSEARCH宏 6MZfoR  
    D|OX]3~  
    !]W6i]p  
    xe}"0'g  
    "ibKi=  
    X\M0Q%8  
    运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构: HgbJsv$  
    7pkc*@t  
    搜索宏 yfYAA*S!z  
    请评论区留言联系工作人员获取代码 n}a# b%e  
    j'~xe3j  
    No j6Ina  
    l'c|I &Y]  
    TMGZHOAt  
    9erTb?@S  
    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。 #t9&X8:U  
    +>{{91mN  
    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。 BoFJ8Ukq|  
       1#XMUbFc  
    YA控制 F)!B%4  
    nAg|m,gA  
    这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11  8DyE  
    M7UVL&_z%  
    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。 ,>e)8  
    S__+S7]Nr  
    N9_9{M{  
    p-M QI }  
    J/=b1{d"n  
    ;p) gTQa  
    YA+PYA控制 jR*1%.Ng  
    2#ypM9  
    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。 izOtt^#DZt  
    o)srE5  
    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: vA"yy"B+ V  
    (7&[!PS  
    .z)&#2E  
    q>f1V3  
    , En D3 |  
    ;IE|XR(  
    #*XuU8q?  
    |Kh#\d  
    YA+CAO控制 `UGHk*DL)  
    NkA|T1w7  
    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。 PudwcP {  
    (hs[B4nV  
    Qgf\gTF$r+  
    P]1`=-  
    ?HAWw'QW  
    szGp<xv_p  
    @'jC>BS8`  
    m<hR Lo  
    使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心,在不同视场的入射主光线是相互平行的。 t@.M;b8  
    [$ vAjP  
    >ouHR*  
    ]FL=E3U  
    [r<lAS{ .  
    BbnY9"  
    优化宏 =T|Z[/fto  
    WfL5. &  
    请评论区留言联系工作人员获取代码 grp1nWAs  
    wk' |gI[W  
    基本参数 R^{Ow  
    t9;yyZh  
    $ nx&(V  
    3mIVNT@S9  
    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: ? L|m:A`  
    cL?FloPc*  
     
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