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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。 DkAAV9*  
    KRKCD4  
    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。 i8HTzv"J  
    ('p5:d  
    无焦镜头的建模 }?v )N).kW  
    I ?.^ho  
    在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 0NX,QD  
    ~2khgZ  
    >t_6B~x9  
    )B8$<sv  
    无焦镜头的像质分析 4x[S\,20  
    GF=g<H M  
    有焦镜头评价成像质量,一般会在距离空间,比如用RMS光斑尺寸评价。 uOdl*|T?  
    [Cv/{f3]u{  
    无焦的光线分析输出是在角度空间(即光线角度)中,而不是在像面的光线截距。OPD 输出表示波前与平面波的偏离。所以在 SYNOPSYS 建模无焦镜头时,像面要用两个平面虚拟表面来描述。MTF 的空间频率单位也从线对/毫米转换成线对/毫弧度。 w_u\sSQ`!  
    7EO_5/cY  
    l_%6  
    |*tp16+6  
    无焦 DSEARCH Z0r?| G0  
    >`ZyG5  
    SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头,会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化 ZLAy- 9^Y  
    gEE\y{y  
    RhLVg~x  
    L5:$U>H(  
    无焦的像差控制 ZbAcO/  
    Gjo`&#  
    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。 $5Ff1{  
    a-L;*  
    设置AFOCAL之后,DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度,就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 mF^v~  
    {%6`!WW[  
    所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 fkNbS  
    (qulwOt~w  
    对于AFOCAL系统来说,BACK量是最后两个(虚拟)表面到之前的表面距离,这就方便控制目镜的接目距,在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 dL )<% o  
    &H:(z4/  
    对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的参数 y:qUn!3  
    %;YHt=(1*X  
    PYA为边缘光线高度,可控制像高。 ]+:^W^bs:  
    [RTs[3E^  
    PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。 #],&>n7'  
    Otm0(+YB 7  
    PYB是主光线的高度,可以控制光阑。 _MX>#!l  
    8X)Y^uGGZ  
    PUB是主光线角度。 , ^f+^^  
    HJYScwjQ;`  
       (+y  
    =^50FI|  
    示例的DSEARCH宏 dT1H  
    :T !'N\7  
    **gXvTqI  
    +@iA;2&  
    j Dv{/ )  
    ?]Xpi3k  
    运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构: bY QRBi  
    Ffta](Z;  
    搜索宏 Q%mB |i|  
    请评论区留言联系工作人员获取代码 2JcjZn  
    a\ YV3NJ/A  
    tr}Loq\y  
    ?|B&M\}g  
    ` 3K)GA  
     o.\F.C$  
    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。 yT9@!]^L  
    R>mmoG}MQ[  
    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。 :I^;jdL  
       ):_\;.L  
    YA控制 ' AEE[  
    A*P|e-&Q8  
    这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 +8Ymw:D7a  
    !Bq3Z?xA}  
    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。 o;<Xo&  
    !AfHk|  
    Z+. '>  
    {vyv7L  
    ia E^a^*  
    Zu("#cA.H  
    YA+PYA控制 Bj-: #P@  
    MC:@U~}6  
    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。 I5n^,@md  
    y0.8A-2:  
    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: 8jo p_PG'  
    S<@7_I  
    EkNunCls  
    8MzVOF{"  
    9}F*P669f  
    [dIXR  
    X1-'COQS%&  
    -^h' >.  
    YA+CAO控制 ~T,c"t2  
    .ndCfdy~  
    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。 [)zP6\I  
    ZE=Sp=@)j  
    n+q!l&&  
    /-+xQn]  
    :hFIl0$,"3  
    oO|KEY(  
    ,*hLFaR-  
    ![_*(8v}S  
    使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心,在不同视场的入射主光线是相互平行的。 WRy aKM  
    "wn zo,  
    VZymM<O  
    wFsyD3  
    LzXmb 7A  
    O  %!!w  
    优化宏 3|4|*6  
    ?Unb? {,&2  
    请评论区留言联系工作人员获取代码 ^l=!JP=M=  
    [] `&vWZ  
    基本参数 =Og)q$AL  
    ;HJLs2bP  
    33ef/MElD$  
    BJsz2t :0  
    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: MLje4  
    B9$jSD  
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