[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。  T_)G5a  
pF/s5z  
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。 45Hbg  
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yfN,  
无焦镜头的建模 X{Ij30Bmv  
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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。 *[Im].  
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图片:1.png

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无焦镜头的像质分析 .no<#l
 
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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。 vN&(__3((  
O@HL%ha  
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。 r17"
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图片:2.png

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无焦 DSEARCH !LM9  
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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。 ?U+nR/H:6  
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无焦的像差控制 `*WzHDv5p  
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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。 i&KBMx   
Dy&{PeE!  
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。 &$bcB]C\3  
KwNOB _  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 >-,$
 
h0] bIT{  
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。 [gGo^^aW#  
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对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： l6- n{
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{ub'   
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 .On3ZN  
3aw-fuuIb  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 Q[c:A@oW  
)# v}8aL  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 OP|X-  
y[ZVi5) ,  
PUB是主光线角度。 (ys<{Y-;  
/ hg)=p  

图片:4.png

   JmC2buO  
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示例的DSEARCH宏 N6Dv1_c,  
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G\R6=K:f7  

图片:6.png

=om<*\vsO  
9a#Y D;-p  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： @=OX7zq\h-  
:Wihb#TO)  
搜索宏 $9h^tP'CV  
请评论区留言联系工作人员获取代码 P{HR='2  
W/VEB3P>Z  

图片:7.png

&14xYpD<  
558!?kx$  

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&oE'|^G  
\E6 0  
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。 Y.q$"lm7k  
*x_e] /}  
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。 #r,!-;^'p  
   fZ(k"*\MZ  
YA控制 7Y)i>[u3  
LVy`U07CV  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 <kJ`qbOU  
ju!V1ky  
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。 W
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RjQ1  
 He%v4S  

图片:9.png

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图片:10.png

/i    
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YA+PYA控制 "MD6<H  
|n;5D,r0C  
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。 ltyhYPS  
K+d{R=s^  
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： `4e| I.`^r  
a]J>2A@-I  

图片:11.png

sX]gL  
oN)I3wO$  

图片:12.png

2V~uPZ  

cG(%P$  

图片:13.png

VtMnLFMw  
3v&Shb?xb;  
YA+CAO控制 xVrLoAw  
Esm=sPW  
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。 );?tGX  
^)o]hE|  

图片:15.png

{{)pb>E  
2km0  

图片:18.png

3EH@tlTl  
^Nt^.xi7  

图片:16.png

8bf@<VTO_  
D~TlG@Pq  
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。 wv=U[:Y  
'@zMZc!  

图片:17.png

Bc`L]<  
Urol)_3X  

图片:18.png

O_ vH w^  
xiL+s-  
优化宏 ,Y16m{<eC  
WEoD?GLS8  
请评论区留言联系工作人员获取代码 =iB$4d2  
6W~JM^F  
基本参数 8Q0/kG  
*^XMf  

图片:19.png

6G(K8Q{>  
sLzZ}u?(  
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： i2-]Xl  
^E)8Sb9t  

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