[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。 N4To#Q1w  
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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。 \u]CD}/  
A&P1M6Of  
无焦镜头的建模 lk +K+Ra/  
\ZFQ?e,d  
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 \B2d(=~4  
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图片:1.png

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无焦镜头的像质分析 4*vas]  
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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。 %EGr0R(  
e_=pspnZ  
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。 @E}
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无焦 DSEARCH g`OOVaB  
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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。 9"aFS=><  
]zyX@=mM  

图片:3.png

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无焦的像差控制 b!]0mXU  
naIv=  
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。 ZB[(Tv1  
JblmXqtC  
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。 5)yOw|Bd  
`OP>(bU0  
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。 )M'UASB;8  
kV ,G,wo  
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。 m*!f%}T  
9U)t@b  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： cVay=5].  
3%R{"Q"  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 EF=dXm/\  
^%8qKC`Tt  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 ( f,J_  
gKN}Of@^1  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 Mi}I0yhVm  
ole|J  
PUB是主光线角度。 <'[Ku;m  
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   d9Z&qdxTKq  
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示例的DSEARCH宏 Cqgk  
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C]'g:93L  
lRDxIuTK  

图片:6.png

wn+j39y?ZY  
V5a?=vK9  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： #SQvXMT  
@H\pipT_b  
搜索宏 a jQqj.  
请评论区留言联系工作人员获取代码 S<nP80C  
4;C*Fa  

图片:7.png

)'5<6Q.]  
b,sGq  

图片:8.png

&$qF4B*  
kG1;]1tT#  
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。 qO-C%p [5  
`l/:NF  
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。 M XZq  
   9g Bjxqm  
YA控制 S Pn8\2Cj  
B6bOEPQ  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 Zx+cvQ
  
'y9*
uT~  
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。 MZ|\S/  
3ai (x1%  

图片:9.png

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图片:10.png

'{[!j6wt\  
lC#RNjDp/~  
YA+PYA控制 MO[kr2T  
}:`5,b%Y_  
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。 ljPq2v ]  
^qxdmMp)l  
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： m0A#6=<  
Ly9Q}dL  

图片:11.png

5W+{U8\  
^m*3&x8  

图片:12.png

_(C^[:s  
ITyzs4"VV  

图片:13.png

XHxz @_rw  
v f`9*xF  
YA+CAO控制 naz:A  
&=6%
>  
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。 }A|))Ao
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Sx8l<X  

图片:15.png

W57&\PXYn  
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图片:18.png

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F
V A
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图片:16.png

_J,xT  
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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。 2FGx _Y  
s~^*+kq  

图片:17.png

rvic%bsk  
a/~29gW8E\  

图片:18.png

B{p4G`$i1  
*Bs^NU.  
优化宏 w NH9WG  
)1f+ld%R  
请评论区留言联系工作人员获取代码 d$K=c1  
@l~7x  
基本参数 -Q$b7*"z(  
HA!t$[_Ve  

图片:19.png

"9@,l!  
EJLQ&oH[  
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： UfR~%p>K  
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