[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。 `\!X}xiWd  
c15r':.5  
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。 V]rhVMA  
6*Zj]is  
无焦镜头的建模 yO=p3PV d  
Pey//U  
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 Km,*)X.-5  
4.8nY\_WF  

图片:1.png

3L>d!qD  
|Ab{H%  
无焦镜头的像质分析 =`-|&  
%nWe,_PjD  
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。 w
:}C8WKw  
V5AW&kfd  
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。 8V-,Xig;`  
Gg|M+M?+  

图片:2.png

&1_U1  
nd:E9:  
无焦 DSEARCH ZHCr2^w6  
.5.8;/ /  
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。 gz;&
u)  
4O(@'#LLz  

图片:3.png

%hc'dZ  
\5~;MI.Sq  
无焦的像差控制 dAL3.%  
?g3 ]~;#  
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。 94Ud@F9d5  
qaG#;  
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。 U]1(&MgV  
mRwT_(;t  
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。 E"#Xc@  
v0#*X5C1'  
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。 JO=1ivZl  
MS*G-C  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： FW#P*}#  
44HiTWQS?l  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 ]CX[7Q
+'  
3?.1nGu  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 a }'->H  
#r<?v  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 &Jy)U  
.et ^4V3  
PUB是主光线角度。 `ZMK9f:  
{U"^UuU]  

图片:4.png

   !8R@@,_v  
MR$>!Nlp  
示例的DSEARCH宏 7?nJ4x1  
+@<KC  

图片:5.png

!^y y0`k6  
XV>&F{  

图片:6.png

DG[%Nhle  
l?8)6z#Zl  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： vfwA$7N  
3A,rHYS  
搜索宏 e;VIL 2|  
请评论区留言联系工作人员获取代码 Wto;bd  
Puh$%;x  

图片:7.png

C4\,z\Q  
y3eHF^K+$  

图片:8.png

S1J<9xqSQ8  
B$vr'U   
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。 4woO;
Gm  
3s*(uS(  
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。 FT89*C)oD  
   q; jiw#_  
YA控制 i
Y0>lDFm.  
DCQ^fZ/  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 qAY%nA>jO  
?LaUed'  
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。 VDGCWg6z  
55Gtp\L  

图片:9.png

EQ<RDhC@b  
6!q#x[A  

图片:10.png

-#s [F S  
M4m$\~zf  
YA+PYA控制 8VQ 24r  
yT8=l"-[G  
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。 Bs;|D  
tPfFqqT  
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： YB,t0%vTJw  
~1kXUWq3  

图片:11.png

][;G=oCT  
RA O`i>
@  

图片:12.png


bh p5<N  
n_u1&a'  

图片:13.png

E?)656F[  
sJG5/w  
YA+CAO控制 58V[mlW)O0  
b)#Oc,  
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。 Ts$@s^S]  
>[10H8~bI/  

图片:15.png

sEc;!L  
Vz=auM1xZ  

图片:18.png

t*XN_=E$f  
:G5uocVk  

图片:16.png

Dw<k3zaW  
fbvbz3N
 
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。 2aN<w'pA  
]3iH[,KU3  

图片:17.png

t.Nb?/  
&>g'$a<[  

图片:18.png

1.<q3q  
E:`v+S_h  
优化宏 O$u"/cwe*  
t2HJsMX  
请评论区留言联系工作人员获取代码 9=X)ung9  
eLD|A=X?  
基本参数 5Por "&%  
a>O9pX  

图片:19.png

x#.C4O09  
!p/%lU65  
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： X0(tboj#  
vmTs9"ujF,  

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