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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。  T_)G5a  
    pF/s5z  
    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  
    cS#yfN,  
    无焦镜头的建模 X{Ij30Bmv  
    o4U0kiI@  
    在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 *[Im].  
    Q2qT[aD,  
    d0V*[{  
    +?)R}\\  
    无焦镜头的像质分析 .no<#l  
    l#IN)">1  
    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"i.n  
    v` h n9O  
    qr4.s$VGs*  
    (T!#7  
    无焦 DSEARCH !LM9  
    p(>D5uN_}5  
    SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头,会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化 ?U+nR/H:6  
    (<2!^v0.M  
    &6e A.  
    yXQ 28A  
    无焦的像差控制 `*WzHDv5p  
    ]TVc 'G;  
    无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示,可以用此控制像高或放大率。 i&KBMx   
    Dy&{PeE!  
    设置AFOCAL之后,DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度,就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 &$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#  
    (QTQxZ  
    对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的参数 l6- n{zG  
    {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。 (y s<{Y-;  
    / hg)=p  
       JmC2buO  
    Rrrq>{D  
    示例的DSEARCH宏 N6Dv1_c,  
    fI,2l   
    P~84#5R1  
    G\R6=K:f7  
    =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 $9h^tP'CV  
    请评论区留言联系工作人员获取代码 P{HR='2  
    W/VE B3P>Z  
    &14xYpD<  
    558!?kx$  
    &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$"lm7k  
    *x_e] /}  
    但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示,在近轴光线追迹的结果中,光阑确实是在最后一个表面,但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。 #r,!-;^'p  
       fZ(k"*\MZ  
    YA控制 7Y)i>[u3  
    LVy`U07CV  
    这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 <kJ`qbOU  
    ju!V1ky  
    改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0,再次运行搜索,近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。 W6RjQ1  
     He%v4S  
    !C(PfsrR/  
    %jJIR88  
     /i   
    ?4#  
    YA+PYA控制 "MD 6<H  
    |n;5D,r0C  
    在这个宏中,我们添加了指令M 3 10 A PYA 11,用PYA(近轴边缘光线高度)来控制光阑(表面11)的大小为3。 ltyhYPS  
    K+d{R=s^  
    通过运行CAP命令,我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6,大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度(红色的光线),但是通光孔径是由主光线(蓝色和绿色的光线)的真实光线高度决定的,如下图所示: `4e| I.`^r  
    a]J>2A@-I  
    sX ]gL  
    oN)I3wO$  
    2V~uPZ  
    cG(%P$  
    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|  
    {{)pb>E  
    2k m0  
    3EH@tlTl  
    ^Nt^.xi7  
    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!  
    Bc`L ]<  
    Urol)_3X  
    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  
    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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