[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{-gbo`Yji  
PyK!Cyq  
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。 @de0)AJG6  
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无焦镜头的建模 :qj;f];|  
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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。 ` vFDO$K  
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图片:1.png

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无焦镜头的像质分析 * {~`Lw)y  
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K3T w  
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。 T/ eX7p1  
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FPe  
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。 )54a' Hp  
)`ixT)   

图片:2.png

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无焦 DSEARCH 6U$e;cr6  
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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。 =YfzB!ld  
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图片:3.png

wi+L4v  
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无焦的像差控制 EA9.?F  
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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。 e
uRKYGW  
)UTjP/\gN  
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。 Qb55q`'z  
G`Z<a  
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。 r ?<kWR?w  
B9KBq$e  
对于AFOCAL系统来说，BACK量是最后两个（虚拟）表面到之前的表面距离，这就方便控制目镜的接目距，在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 ;(;~yB|NZ5  
4GG>n  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： ~Z*7:bPN!^  
nt-_)4Fm  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 qN9 ?$\  
a^E>LJL  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 ocMTTVo  
;3xi.^=B  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 S#HeOPRL  
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m9  
PUB是主光线角度。 v^F00@2I  
b!Nr  

图片:4.png

   , /jHhKW  
p5w9X+G%  
示例的DSEARCH宏 TX@ed  
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B
gzq  
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图片:6.png

Li0+%ijM  
<sM_zoprc  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： 55UPd#
E'  
BA@M>j6d  
搜索宏 skTaIGRL  
请评论区留言联系工作人员获取代码 5[r}'08b  
$cwmfF2C  

图片:7.png

1ah,Zth2  
?EPHq, E  

图片:8.png

A:
2CP&*  
tX@y ]"  
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。 5L~lF8  
(: kn)  
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。 0dS(g&ZR  
   N#)Klq87z  
YA控制 S1@r.z2L  
Nq\)o{<1  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 <SOG?Lh~  
IR:{{ (  
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。 2@pEiq3  
P$N5j~*  

图片:9.png

iC^G^~V+H  
%[9ty`UE  

图片:10.png

;mz#$"(  
hNkv lk'Ui  
YA+PYA控制 J kAd3ls  
'@w'(}3!3R  
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。 3 Fy CD4#  
<RbfW'<G  
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： tlg}"lY  
nhC8Tq[m  

图片:11.png

%H&WihQ  
i O?f&u  

图片:12.png

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/L@o.[H  

图片:13.png

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YA+CAO控制 >+.GBf<E  
0kls/^0,  
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。 x>BFK@#  
OT=1doDp  

图片:15.png

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QlR~rFs9t  

图片:18.png

@p^EXc*|  
DTo"{!  

图片:16.png

h"Wpb}FT  
`'3 De(  
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。 5WxN
H}{  
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3[VZ}l  

图片:17.png

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9{;R  
u;1[_~  

图片:18.png

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QHUFS{G]  
优化宏 i[FY
R;C  
GE=S.P;  
请评论区留言联系工作人员获取代码 vkR~nIp  
On!+7is'  
基本参数 ,WnZ^R/n  
fl9VokAT  

图片:19.png

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<&O*' <6C  
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： mJ5%+.V  
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